三維標注信息的管理方法研究

劉榮來， 吳玉光

（杭州電子科技大學機械工程學院，浙江 杭州 310018）

三維標注信息的管理方法研究

劉榮來， 吳玉光

（杭州電子科技大學機械工程學院，浙江 杭州 310018）

針對三維標注存在的“刺猬”現象，提出了一種基于關聯關系圖的三維標注信息管理思想。通過將標注信息關聯的零件特征用圖結構進行表示，以關聯關系圖為單位對標注信息進行顯示和分類。研究了標注信息圖的定義、建立方法和關聯關系圖的搜索算法，基于UG/NX7.5平臺和VC++語言開發了原型軟件，通過實例驗證了該方法的可行性和實用性。

計算機應用；三維標注；關聯關系；圖結構；管理

隨著計算機輔助設計(CAD)技術的發展，利用實體造型技術的三維造型設計已經成為產品設計的常規技術。設計者采用三維CAD軟件進行產品結構設計、工藝設計和裝配設計，將設計意圖中的立體產品結構直接用實體模型表現出來，從而避免了三維設計意圖到二維圖紙表現的轉換。然而，現有的三維實體模型只是用來描述產品的幾何形狀，產品的尺寸、公差和工藝信息仍然用二維工程圖來定義，當前的產品設計模式并沒有真正利用三維模型的優勢。因此，基于實體模型的三維標注技術應運而生，這種技術將產品的尺寸、公差以及表面質量等標注信息呈現在零件的三維模型上，使得產品的設計結果成為帶標注信息的實體模型，從而避免了下游開發過程中產品信息從二維向三維的轉換。

三維產品定義方法已研究多年，1997年波音公司發起了三維標注技術及其標準化的研究，2003年形成美國國家標準 ASME Y14.41-2003《數字化產品定義規程》[1]。隨后Dassault、UGS、PTC等CAD軟件公司已在自己的CAD產品中提供了三維標注模塊。2009年由我國全國技術產品文件標準化技術委員會提出GB/T 24734《技術產品文件 數字化產品定義數據通則》系列，內容涵蓋了包含模型尺寸、公差、基準在內的數字化產品定義數據密切相關的要求和規定。這些技術和規范企圖使產品設計和制造過程擺脫二維工程圖的束縛實現對產品的全面數字化定義。

三維標注方法的研究也逐漸引起重視，研究者從三維標注的規范、標注工具、標注信息管理等各方面進行探索：Venne等[2]分析了三維標注在產品設計模型中的可行性；Tanaka[3]研究了三維標注幾何公差和表面粗糙度在工藝規劃中的重要作用；陸國棟等[4]介紹了基于 CAD系統研究零件尺寸的自動化標注；孫東光和鄧家禔[5]介紹了基于 CAD系統研究零件尺寸的智能化標注；文獻[6]中基于模型的定義(Model Based Definition，MBD)正是針對這一問題提出的產品數字化定義技術，其核心思想是用一個集成的三維實體模型來完整地表達產品定義信息，使三維實體模型成為生產制造過程中的唯一依據，改變了傳統以二維工程圖紙為主，以三維實體模型為輔的制造方法。張寶源和席平[7]分析了當前三維標注技術的發展概況以及面臨的問題；潘康華[8]分析了主流三維CAD軟件的三維標注功能，歸納了三維標注輔助系統的主要功能，尺寸公差標注功能、表面粗糙度標注功能和幾何公差標注功能，提出了基于MBD的機械產品三維數字化設計與管理的標準模型與技術體系框架。對三維標注信息的管理問題，研究者提出了不同的管理方法，盧鵠等[9]分析了基于特征樹和基于層及層表過濾器的模型數據管理方法，胡祥濤等[10]介紹了通過視圖與層狀態的關聯組合來實現標注信息的有機組織和管理，他們在一定程度上解決了標注信息分類管理問題。

由于標注信息成了屬于產品三維模型的一部分，所以將尺寸、公差、基準和表面粗糙度等信息標注在三維零件實體模型上，會造成產品模型的“刺猬”現象[10]。本文研究基于零件特征關聯關系圖的三維標注信息管理方法，根據產品的功能表面可通過尺寸和幾何公差建立聯系這一線索，將具有直接和間接關聯關系的零件功能要素用圖結構表示，即關聯的標注信息存儲在同一個圖結構中，則產品的標注信息由這些獨立的關聯關系圖組成。由標注信息關聯的零件特征所組成的圖是產品標注信息圖的子圖。以子圖為單位對標注信息進行提取、顯示、管理等操作，符合設計者的需要、可以避免產品模型的“刺猬”現象。

1 三維標注技術存在的問題

1.1 目前CAD軟件的三維標注存在的問題

利用實體模型進行標注是產品數據從二維定義到三維定義的自然延伸，目前CAD軟件的三維標注就是將二維工程圖上的尺寸、幾何公差、粗糙度符號、基準符號以及技術要求等全部信息標注在三維實體模型的表面上。這種標注方法對于結構簡單的零件模型，其顯示效果可以比二維圖紙更加簡單明了，如圖1標注實例所示，但對于復雜結構的零件，則大量標注信息成了模型上的“遮擋物”，如花鍵套叉圖2所示。如果將設計信息和工藝要求全部集成到一個三維模型上，則這一現象類似于山體上的樹木植被，由于樹木茂盛而掩蓋了山體結構，而產品結構的不清晰又造成了三維標注信息的可識別性差，因此三維標注信息管理將是一個必須面對的問題。

1.2 當前CAD軟件三維標注信息管理方法

圖1 三維標注示例

當前對三維標注信息管理方法大多根據ASME Y14.41-2003《數字化產品定義規程》和GB/T 24734.1-2009 技術產品文件數字化產品定義數據通則對三維標注信息分視圖、分圖層的管理方法來進行分類，在模型設計階段創建多個視圖，將相關標注信息標注在對應視圖所在的坐標平面上。并且通過標注符號和標注位置的不同顯示格式來代表不同的含義，如數據通則中規定當幾何公差框格用指引線指向被測要素時，若被測要素是線要素時，則指引線端點應為實心箭頭；若被測要素是表面要素，則指引線端點應為實心圓點。對于幾何公差標注位置一般需放置在與被測要素垂直或平行的平面上。

圖2 花鍵套叉

圖3 視圖顯示分類

圖3為在UG/NX 7.5對圖1的三維標注輸出，UG/PMI三維標注以視圖為組織單元，每個零件可以由多個包含標注信息的視圖來表達，由零件模型可以索引到每一個與之相關的視圖，并可以由視圖索引到該視圖中的每一條標注信息。這種方法需要創建多個視圖，而且標注信息分別標注在每個視圖下，對視圖的管理維護更新不變，造成標注混亂、顯示信息遮擋，識讀時仍需要進行二維與三維的轉換等問題。

1.3 標注信息管理方式討論

零件的主要標注信息包括尺寸標注、公差標注和粗糙度標注，分析零件的標注信息與零件功能要素之間的關系可以發現，零件的標注信息存在關聯性。首先，幾何公差建立目標和基準之間的關聯關系，而目標要素又可能是別的標注目標的基準、基準要素自身也可能是標注目標，因此功能面之間通過幾何公差信息建立聯系。其次，尺寸標注建立兩個表面之間的關聯關系，長度尺寸建立尺寸線方向的零件表面之間的距離關系，角度尺寸通過尺寸弧建立圓周方向的功能面之間的角度關系，零件的功能面之間由尺寸標注信息建立關聯關系。第三，零件的形狀公差和粗糙度僅與單個表面相關，其標注信息的顯示與零件模型的顯示平面相關。因此，零件的標注信息是一些關聯的標注信息和獨立的標注信息的集合。

根據以上分析，零件標注信息的關聯對象特征間的關系具有圖的結構特征，因此可以將零件的標注信息用特征關聯關系圖表示。這些圖組成了產品標注信息圖的子圖，每一個子圖包含具有關聯關系的標注信息，子圖間是相對獨立的關系。

采用以特征關聯關系圖為單位對標注信息進行分類管理，具有以下優點：①分類顯示，設計者關注的重點是相關表面之間的關系，設計者可以關閉其他子圖的標注信息顯示，還可以使設計者能夠集中注意力重點觀測當前關聯表面的標注信息；②分類輸出，研究每一個子圖所標注對象的可見性，實現用一個或少數幾個視圖標注一個子圖的內容。

2 基于圖結構的標注信息管理

2.1 標注信息圖的定義與建立

標注信息關系圖存放一個零件的全部標注信息，定義標注信息關系圖是一個二元組G=[V(G)，E (G)]，其中V(G)是非空的頂點集合，E(G)是連接 V中頂點的有向邊和無向邊組成的集合。定義V(G)、E (G)如下：

（1）記V(G)= {vi, i= 1,2,…, n }，它的元素vi(i= 1,2,…, n)是圖G的頂點。在特征關聯關系表示中，頂點vi存儲標注對象，它可以是零件的組成表面，也可以是表面的導出要素（如槽的中心面、孔的軸線）等，這些標注對象通過提取標注信息的關聯對象得到。

基于以上定義，可以建立標注信息關系圖，建立該關系圖分兩個步驟，具體過程如下：

第一步：提取標注目標以及幾何公差的全部信息，全部信息分別存放在4個單鏈表中。標注目標是指尺寸標注的兩個目標、基準代號的標注目標和幾何公差的標注目標。由于尺寸標注涉及兩個對象，基準代號和幾何公差只有一個標注對象，故需要4個鏈表存放標注對象，尺寸標注的兩個對象分別存儲在第一個鏈表和第二個鏈表中；基準代號的標注對象存儲在第三個鏈表中，在第三個鏈表中，每個節點還存放了基準代號；幾何公差的標注目標存放在第四個鏈表中。在第四個鏈表中，每個節點除了存放標注對象之外，還存放了幾何公差的全部相關信息，包括公差類型、公差數值、基準代號，這些信息以字符串的形式存放在節點中。如字符串“&70+&11+O0.01+A+&90”代表公差值為φ0.01、基準為A的同軸度公差，“&70”和“&90”表示公差信息字符串的起始和結束標志。

第二步：建立標注信息圖數據結構，需要頂點信息和邊的信息。首先，向圖中輸入頂點個數和邊的個數以及每個頂點的信息。對上一步的 4個鏈表中的元素合并得到所有標注信息的關聯對象特征，計算可得到頂點個數；邊的個數由上一步的4個鏈表中的元素存在對應關系計算得到。其次，根據邊的個數，依次向圖中輸入每一條邊的信息。用無向邊把尺寸信息提取的對應的兩個關聯特征連接；用有向邊把目標要素特征與它的基準特征連接；用自環連接形狀公差的標注對象。

圖4為圖1所示零件的標注信息圖，圖中的數字為零件特征面的代號，如圖5所示。其中無箭頭直線表示對象間的尺寸或者角度關系，帶箭頭直線表示特征間存在幾何公差關系，如表面1和表面5之間既存在無直線又存在帶箭頭直線，分別表示兩者之間的尺寸關系和平行度關系。箭頭由表面1指向表面5表示平行度公差以表面5為基準、表面1為目標。圖4的標注信息圖由兩個不相關的子圖組成，即子圖“4-3-9”和子圖“8-1-5-6-2-7”。

圖4 標注信息關聯特征關系圖

圖5 零件特征編號

2.2 圖的遍歷搜索實現標注信息管理

圖表示了一個零件所有標注對象之間的關聯關系，標注信息圖由一系列獨立子圖組成，每個子圖包含了具有關聯關系的全部標注信息，子圖之間不存在關聯關系。如圖4的關聯關系圖由“4-3-9”和“8-1-5-6-2-7”兩個子圖組成，所有標注信息封閉在子圖內部，兩個子圖之間沒有標注信息的關聯關系。由于子圖的這一特點，標注信息的顯示、輸出等管理通常以子圖為單位，因此需要通過圖的遍歷算法來搜索交互輸入的標注表面所在的子圖。

本文中對特征關聯關系圖的搜索方法是基于廣度優先的搜索原理[11]實現流程圖如圖6所示。根據人機交互選擇需要訪問的起始頂點 V0，遍歷搜索出與頂點V0相鄰接的頂點W，判斷連接頂點W是否存在有向弧連接，若存在則遍歷出W的有向弧的鄰接頂點，若不存在則再以V0為起始點遍歷與V0相鄰接的其他頂點，依次循環，直到遍歷得到與V0存在邊（弧）關系的所有鄰接頂點，結束遍歷搜索過程。根據交互輸入進行搜索的優點是可以根據用戶的需要，找出與所選對象相關聯的全部標注信息，也可以選擇多個特征對象顯示與其相關聯的信息，靈活性比較大。缺點是對用戶選擇特征的要求比較高，若出現多個子圖只包含一個標注信息時，這樣會讓用戶選擇特征次數較多。

圖6 關聯圖的搜索遍歷流程圖

3 原型軟件及實例驗證

作者基于UG/NX7.5開發平臺開發了一個標注信息管理的原型軟件，實現本文的思想。圖7為軟件的使用界面，通過菜單欄“三維標注分類顯示”調用該軟件。該菜單下有3個子菜單，分別為：“所有標注信息隱藏”，通過點選該菜單可使零件模型上的所有標注信息隱藏；“所有標注信息顯示”，選擇該菜單可使零件模型上已經有隱藏的標注信息全部顯示；“選擇對象特征關聯標注信息顯示”選擇該菜單，可以使與所選擇對象存在子圖關系的標注信息顯示在模型中，實現標注信息的分類顯示。

3.1 UG環境三維標注信息的自動提取

在UG中尺寸和公差信息以字符串的形式存儲，標注信息所關聯對象特征標識以整型數據形式存儲。UG/OPEN API提供了一系列函數[12]，這些函數的返回結果是一個結構體，可以提取尺寸信息、公差信息、屬性信息和基準信息，獲得尺寸和公差的類型、尺寸和公差關聯的幾何對象標識，以及對象的幾何類型、位置和形狀參數信息。

利用這些API函數對零件模型遍歷可以獲取UG軟件標注的全部尺寸和公差相關信息，這些信息以復雜的結構體的形式存儲，該結構體包含幾何表面對象標識，因此通過標注信息的提取可以找到相關的尺寸信息、幾何公差信息及其他相關標注信息所關聯對象特征的標識。同樣也可以由對象特征標識找到與其相關的標注信息并管理標注信息的顯示與隱藏。

圖7 原型軟件界面

3.2 實例

對于圖2所示的標注信息完全的零件模型，運行軟件后首先提取尺寸、幾何公差等標注信息及其關聯對象特征的標識，然后彈出選擇對象特征的對話框，通過對話框由用戶選擇零件特征對象，系統會根據用戶所選擇的對象特征搜索與其相關聯的對象特征，進行標注信息的管理及輸出。運行軟件，通過用戶選擇不同的對象特征，可以將不同的相關標注信息分類顯示在三維零件模型中。分別選擇3個不同的對象特征，可得到以下相關標注信息的分類顯示，如圖8所示。其中圖8(a)～圖8(c)分別指特征1為孔φ360+0.1的端面、特征2為零件支撐上端面和特征3為φ46支撐表面時各自對應關聯子圖的相關標注信息的顯示；圖中的標注信息仍用UG/NX7.5的顯示方式，由于采用關聯子圖標注信息分別顯示，因此其顯示結果比零件的全部標注信息顯示清晰。

圖8 標注信息分類顯示圖

4 結 論

利用特征的關聯關系建立標注信息關系圖，實現三維標注信息管理。根據建立的特征關聯關系圖，按照給定的對象特征對圖遍歷搜索，以相關聯的對象特征為子圖對關聯關系圖分類。然后在單獨的一個視圖模型下對每一個子圖所包含的標注信息進行顯示或者隱藏，這種方法解決了標注信息顯示混亂的問題。利用UG/NX7.5進行三維零件建模和三維標注，并利用 UG提供的API函數和VC++語言開發了三維標注信息分類顯示的軟件原型，實現了三維標注信息的有序顯示管理，并符合國家標準GB/T24734-2009規定的標注規則。為三維標注信息管理方法提供了一種新的思想。

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Research of 3D Annotation Information Management Method

Liu Ronglai, Wu Yuguang
(School of Mechanical Engineering, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou Zhejiang 310018, China)

An information management method of 3D annotation is proposed, which aims at handling the condition of "hedgehog" in 3D annotation information. The annotated features related by geometric dimension and tolerance are grouped by the association relationship graph, the 3D annotation symbols of a part are categorized and displayed with the association relationship graph. The definition and the establishment method of the 3D annotation information graph are studied and the graph search algorithm of the association relationship is established. A prototype software of category management and display of 3D annotation is conducted by the UG/NX7.5 platform and VC++ Language, and a lot of example parts are tested on the software, it proves that the method is feasible and effective.

computer application; 3D annotation; association relationship; graph; management

TP 391.72

A

2095-302X (2014)02-0313-06

2013-07-31；定稿日期：2013-10-30

國家自然科學基金資助項目（51175132）

劉榮來（1987-），男，山東費縣人，碩士研究生。主要研究方向為設計自動化與CAD技術。E-mail：563865209@qq.com

吳玉光（1961-），男，浙江蘭溪人，教授，博士。主要研究方向為機械設計自動化，夾具自動設計、公差分析與綜合等。E-mail：ygwu@hdu.edu.cn