基于MBD的三維模型智能標注技術研究

李秋玲， 侯　濤， 李竹可， 李先亮

（中車永濟電機公司， 陜西　西安　710018）

引言

基于模型定義（MBD）技術的顯著特點是通過一個集成的數(shù)字化的三維實體模型來完整闡述產(chǎn)品定義信息[1]。傳統(tǒng)的制造業(yè)以二維工程圖為主要的信息載體。產(chǎn)品的設計過程一般是從概念設計、零部件的三維建模再到二維工程圖。設計人員將構思好的三維設計模型，通過投影，轉換為所需視圖的二維圖紙或者局部放大剖面圖，在二維圖紙上標注相應的焊接、表面加工處理要求，粗糙度，公差等信息，生成二維工程圖，并將此信息傳遞給工藝部門。工藝部門再根據(jù)加工需求添加相應的工藝加工信息，轉換為二維工藝規(guī)程，并根據(jù)設計意圖設計出所有的物料、報表、圖紙等一并傳達給生產(chǎn)制造部門。質(zhì)檢人員也是依靠二維工程圖紙以及加工工藝卡片進行工序檢查，最終完成產(chǎn)品的加工。在三維模型投影到二維的過程中缺少數(shù)據(jù)過濾，可能會造成數(shù)據(jù)信息的遺漏，而且易出現(xiàn)理解偏差，不利于現(xiàn)場生產(chǎn)和工藝指導。當出現(xiàn)設計變更時，涉及變更的只是二維工程圖，容易造成研發(fā)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的不一致。

基于三維實體模型數(shù)字化技術，被稱為第三代工程語言,解決了傳統(tǒng)的三維設計意圖表達問題，節(jié)省掉了三維設計模型到二維圖紙的轉換步驟[2-3]，使得工藝制造信息直觀統(tǒng)一表達，真正實現(xiàn)了設計工藝制造的一體化。探討基于MBD概念下的三維智能標注技術是很有必要的。

1　三維標注技術介紹

1.1　零件模型數(shù)據(jù)集的定義介紹

美國的波音公司最早根據(jù)飛機設計制造提出MBD概念[2]。對于單個由實體模型構建的零件來說，不僅要包含建模時的幾何尺寸、基準、形位公差、粗糙度，還包含技術要求，焊接要求，相應的工藝標準等加工制造過程信息。經(jīng)過查閱相關標準內(nèi)容及相關學術研究，整理分析零件的三維模型所包含的數(shù)據(jù)集大致歸納如圖1所示。

圖1　零件三維模型數(shù)據(jù)集

1.2　三維標注技術的特點和功能

三維標注技術集成了知識工程、過程模型、產(chǎn)品標準規(guī)范等內(nèi)容，在產(chǎn)品的研發(fā)設計和制造發(fā)展過程中成為技術創(chuàng)新和知識積累，完成對三維模型的數(shù)字化定義。三維標注技術[3]包含兩方面信息的承載，幾何信息和非幾何信息。幾何信息主要包括尺寸、公差等內(nèi)容。非幾何信息主要包括制造、加工、檢驗、規(guī)范等信息，如粗糙度、表面處理、加工工藝要求、焊接要求等內(nèi)容。

三維標注技術在清晰表達產(chǎn)品的制造信息的同時，也使得三維實體模型成為唯一的生產(chǎn)制造的依據(jù)，從設計源頭杜絕生產(chǎn)數(shù)據(jù)的不一致性，設計信息共享程度較低，圖紙管理打印成本高等一系列問題[4-5]。

1.3　基于Creo2.0的三維智能標注技術

基于Creo2.0軟件二次開發(fā)的三維標注插件，在軟件界面中增加快速標注菜單，根據(jù)需求建立相應的符號，主要實現(xiàn)建立標注、標注調(diào)整、組合視圖管理三大部分內(nèi)容。

標注建立工具：提高三維標注效率，針對尺寸標注、尺寸公差定義、形位公差、注釋等建立快速標注工具，實現(xiàn)連續(xù)標注功能。

標注調(diào)整工具：允許批量選擇尺寸等注釋內(nèi)容，統(tǒng)一調(diào)整文本格式、顏色等標注內(nèi)容。

組合視圖管理工具：建立標注時自動建立層，將注釋內(nèi)容放置在層中，建立組合視圖管理器時，在統(tǒng)一界面下設置視圖角度、剖面狀態(tài)、簡化表示狀態(tài)、層顯示狀態(tài)等，一次完成視圖管理定義工作。圖2為三維標注的實現(xiàn)過程。

圖2　三維標注實現(xiàn)過程

2　應用實例介紹

為充分展示三維智能標注技術，以某零件的三維標注進行詳解（見圖3）。

圖3　某零件的三維標注圖（mm）

2.1　基本環(huán)境的設置

為加強圖文標準規(guī)范，在標注前，首先進行基本環(huán)境設置，統(tǒng)一標注標準，方便圖文理解及發(fā)布審批。進入用戶定義界面，對尺寸、注釋、技術要求、符號、形位公差內(nèi)的文本方向，尺寸顏色、公差顏色等進行統(tǒng)一設置管理。

2.2　視圖的構建

為確保產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性、一致性、穩(wěn)定性，在產(chǎn)品的設計、生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)需要嚴格控制按照設計圖紙和制定的加工工藝標準嚴格執(zhí)行，這就需要視圖或者層顯示的方式在產(chǎn)品的設計階段，設計工藝信息進行分類管理和按需顯示，避免漏掉關鍵尺寸或者二維圖尺寸顯示過多放置混亂造成曲解，以便于在產(chǎn)品設計到加工制造檢驗的各環(huán)節(jié)節(jié)點上清晰直觀的表達傳遞設計意圖，增加各環(huán)節(jié)技術人員對產(chǎn)品的完整準確理解[6]。視圖和層的信息管理遵循以下規(guī)則（見圖4）。

圖4　基本環(huán)境的設置

1）同一投影方向下的與尺寸相關的信息放置在同一個視圖;

2）同一工序的加工內(nèi)容盡量放置在同一層；

3）每個視圖或層應充分表達設計及加工信息；

4）技術要求的視圖設置為與屏幕平齊，避免旋轉模型時隨之轉動。

本文采用的視圖表達方式有組合視圖、單個視圖、與屏幕平齊三種。在組合視圖下選定主視圖草繪面、參考面及參考方向后，可以聯(lián)動選擇后視圖、俯視圖、仰視圖、左視圖、右視圖等。對于局部視圖或者剖視圖可以選擇單個視圖模式。與屏幕平齊視圖可以放置技術要求等（見圖5）。

圖5　三維標注下視圖表達方式

2.3　幾何尺寸及公差的標注

幾何尺寸是實體模型的基礎，描述了實體模型的建模過程，通過相應的配置，實現(xiàn)尺寸標注與實體模型的雙向驅動，避免了二維圖紙中表象尺寸的直接覆蓋現(xiàn)象的出現(xiàn)。本文應用的三維標注技術通過顯示注釋和直接標注兩種途徑進行尺寸標注。顯示注釋通過底層文件配置涵蓋了實體模型建模過程中全部尺寸信息，可以根據(jù)表達需要進行勾選需要顯示的尺寸，節(jié)省標注時間。直接標注則通過快捷標注鍵選定尺寸手動標注。菜單欄設置如圖6所示。

圖6　尺寸及幾何公差標注菜單

在Creo2.0的環(huán)境配置文件config.pro可設置公差的顯示，輔助尺寸信息，描述產(chǎn)品可接受的誤差及精度范圍，不會對實體模型的大小產(chǎn)生影響。為提高標注速度，在快捷菜單欄里設置自定義公差、對稱公差，正公差、負公差等，可以選擇相關公差等級代號，配合公差等[6]。

圖7　自定義公差

2.4　標注注釋

基于MBD的全三維設計中，通過實體模型來定義所有的設計和產(chǎn)品加工制造信息，必要時需要借助附加的文字注釋來描述和說明。在標注注釋還應注意：盡可能將所有相關的加工類信息放置在同一個注釋；注釋應采用圖紙規(guī)范命名，簡潔明了；多個尺寸可以分類放置于多個注釋中；盡可能方便與后續(xù)審閱和修改。

2.5　符號工具箱

對于機械加工件或者毛坯件，為充分表達其加工工藝、制造過程等信息，通常需要在三維模型上添加相應的符號。在本次開發(fā)的三維標注插件中開發(fā)的符號工具箱，包含如下功能（見圖8）。

圖8　符號及注釋工具箱

1）形位公差：常用幾何公差的創(chuàng)建和編輯；

2）基準符號：幾何公差基準的創(chuàng)建和編輯；

3）粗糙度：粗糙度的創(chuàng)建和編輯；

4）焊腳符號：焊接坡口位置的標注；

5）焊接符號：焊接符號的創(chuàng)建和編輯；

6）相同孔符號：相同孔符號的創(chuàng)建和編輯；

2.6　技術要求的標注

技術要求主要包括產(chǎn)品在設計、制造、加工工藝、檢驗等環(huán)節(jié)中的特殊要求、材料說明，幾何技術規(guī)范等（規(guī)定幾何公差、折彎半徑等），及使用環(huán)境溫度要求等，對于規(guī)范產(chǎn)品質(zhì)量的一致性極其重要。技術要求一般以文字注釋內(nèi)容單獨放置于圖紙的某一區(qū)域，直觀簡潔。為了保證旋轉三維模型的時候，技術要求仍可以清晰展示，通常將技術要求視圖設置為與屏幕平齊。

圖9　技術要求

3　結語

本文通過對三維模型數(shù)據(jù)集定義的研究，在對三維標注技術所遵循的國際國內(nèi)標準基礎上，結合三維標注技術的特點功能，提出了一種基于Creo2.0軟件開發(fā)的三維標注技術。在三維模型上實現(xiàn)快速標注、標注內(nèi)容調(diào)整、視圖管理等功能，保證了在整個產(chǎn)品生命周期內(nèi)設計數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)的準確性、一源性，提高了生產(chǎn)效率，為企業(yè)實現(xiàn)工業(yè)化和信息化的融合提供了新的思路。

[1]劉超，李原，余劍鋒，等.MBD中三維標注信息的本體構建方法研究[J].鍛壓裝備與制造技術，2014，49（4）：117-121.

[2]王鵬飛，周秋忠，徐萬洪.三維標注的產(chǎn)品數(shù)字化定義標準及其管理系統(tǒng)開發(fā)[J].沈陽理工大學學報，2014，33（2）：76-80.

[3]謝宏成，曹文鋼，姜康.基于MBD的零件仿真信息三維標注方法研究[J].機械研究與應用，2015，28（5）：5-6；10.

[4]楊維峰.發(fā)動機數(shù)字化設計三維標注的幾個關鍵技術[J].CAD/C AM與制造業(yè)信息化，2014（12）：33-36

[5]程五四，張紅旗，陳興玉，等.基于模型定義的數(shù)據(jù)可視化方法研究[J].機械設計與制造工程，2017，46（5）：96-99.

[6]劉明芳.基于MBD的飛機數(shù)字化裝配工藝設計及應用研究[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化，2016，6（21）：89-90.