基于NX的三維結構設計標準及體系研究

陳小軍，蔡瑞環，陳 楊

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引 言

隨著三維設計工具在電子機械行業的普及，越來越多的企業借助于三維設計軟件開展產品研發工作，以產品三維模型作為單一數據源實現多學科的協同設計、仿真、制造和管理工作。產品三維模型的完整性、一致性和準確性直接關系到產品研發工作的順利開展。機械產品三維建模國家標準對三維建模的原則、流程、標注和數據管理等內容作出了規定，用于指導三維數字模型的構建、應用及管理[1-2],但由于不同企業所用的三維設計工具不盡相同，設計人員對于國家標準的理解不同，三維建模國家標準難以直接用于指導企業的研發生產工作?；谔囟ㄈS設計開發工具制定的企業三維設計規范可直接指導其內部設計師開展設計工作，幫助企業實現三維建模國家標準的落地實施，提高企業的數字化和標準化管理水平，保證產品數據的規范性和正確性，為產品協同開發工作的順利開展提供保障。

1 三維結構設計環境構建

傳統的二維CAD設計對于設計環境要求不高。大多數情況下是用安裝有二維CAD設計軟件的計算機獨立完成設計工作，而三維設計的要求是實現多平臺之間的協同設計，對于計算機配置和企業網絡建設等都有著更高的要求，同時需要配置完善的基礎數據庫來支撐設計師完成設計工作,保證產品數據的完整性、唯一性和可追溯性。[3]

本文論述的數字化設計管理平臺總體框架示意如圖1所示，建立企業的三維設計數據信息化管理平臺，構建基于單一數據源的設計、制造、管理一體化研發體系，TeamCenter作為企業內部產品數據管理和協同設計平臺，NX作為產品三維設計軟件與平臺無縫集成，工藝采用TCM三維工藝集成二次開發。[4]

2 企業三維設計的標準化基礎數據庫的建立

為了提高設計師的設計效率，企業推行產品三維設計時，同時也是基于企業標準化管理的考慮，會使用大量的基礎數據庫，其中包括企業統一標準的工程圖模板、各類標準件庫、通用件/外購件庫、材料庫和各類定制符號庫等。表1 為建立的三維設計標準化基礎數據庫。

表1 三維設計標準化基礎數據庫

3 三維結構設計標準的建立

鑒于三維設計手段的多樣性，在模型建立時不同的人會有不同的方法，雖然從外觀上看是同一結果，但在布局及模型的發布和接收使用上會有較大差別，而且在后期的產品裝配、工程圖繪制和圖形標注等方面也會有不同的處理方式。因此，針對產品設計各流程中各環節的標準制定是十分必要的。

本文中，基于NX的三維結構設計標準規范包含基于NX的三維建模規范、三維裝配規范、三維標注規范和三維數字模型檢查規范4部分內容。

3.1 基于NX的三維建模規范

基于NX的三維建模規范除規定三維建模的幾何要素、約束要素和工程要素等基本原則外，還應包括基礎數據庫的建立、建模流程、環境設置以及企業產品特殊屬性賦予等要求。

3.1.1 三維建模環境設置

應用NX建立產品三維模型時需要對NX軟件進行環境設置，保證創建的三維模型能夠滿足建模的基本原則。三維建模的環境設置主要包括單位、精度、圖層、線型、顏色、文本字體、引用集、材料與質量特性、屬性、坐標系和視圖等內容。二維工程圖的環境設置主要包括線寬、字體、制圖模板等內容，通過二次開發實現。

3.1.2 三維建模的基本流程

三維設計環境的搭建和完整的三維設計基礎數據庫的建立給三維設計提供了良好的設計環境和基礎。但是，由于三維模型的建立可以有多種途徑和方法，例如倒角的形成可以在草圖中繪制再拉伸，也可以在生成模型后再修倒角，而最終從外觀上看到的是同一個結果，但對于后期的產品裝配、工程圖繪制和標注會有較大的差別，所以針對產品設計各流程各環節的標準制定是十分必要的。

模型的建立主要考慮產品的布局、骨架、零件的特征化參數化設計、工程圖的投影和尺寸標注等甚至產品數據錄入信息化系統數據庫后的管理等，保證產品數據能夠完整快速的保存和發布。圖2所示為結合國家標準和企業實際情況制定的基于NX的三維建模流程。

3.1.3 企業特殊屬性賦予

針對企業的產品特點，要在產品三維建模時對模型的個別屬性的設定做出了規定，如各種油漆表面或者材料顏色需要規定的對應系統顏色ID等。

3.2 基于NX的三維裝配規范

3.2.1 三維裝配建模的設計方法和流程

裝配建模按產品結構的隸屬關系進行。建模時首先建立裝配的基準，然后導入或設計零部件，合理定位，并進行干涉檢查等，最后完成裝配建模設計。

產品的裝配建模一般采用兩種模式[1]：自底向上設計模式和自頂向下設計模式。

(1) 自底向上設計模式，一般需要把所有底層零部件設計完成后才進行裝配設計，其順序是從底層向上逐級搭建產品模型。

(2) 自頂向下設計模式，先通過確定總體思路、設計總體布局、規劃裝配層級，建立控制結構，然后在控制結構中創建和編輯零部件，從而完成一個整體的設計。

設計時應根據不同的設計類型及其設計對象的技術特點，可分別選取適當的裝配建模設計模式：

標準件、外購零部件、結構較簡單的產品以及數據庫中已存的系列產品零部件的改進設計應采用自底向上裝配建模方式。包含曲面信息或有裝配配合關系以及存在部件間關聯的零部件應采用自頂向下的裝配建模方式，也可將兩種模式相結合來使用。例如，先創建幾個主要部件模型，再將其裝配在一起，然后在裝配環境中詳細設計其他零部件。

3.2.2 三維裝配建模的詳細規定

三維裝配建模的詳細規定對裝配文件命名、結構樹管理、特殊裝配零組件(如彈簧、墊圈等)和裝配約束的使用等做出了規定，企業產品特點不同詳細規定的內容也存在差異。圖3為鍵聯接的約束選擇示意(采用基準面貼合約束)。

3.3 基于NX的三維標注規范

完整的產品定義由精確幾何實體、相關三維幾何、三維標注及屬性構成。在進行三維工藝設計和基于MBD的全三維設計時，產品三維模型將作為單一數據源表達產品的設計信息，而模型的三維標注將成為其中最為重要的組成部分。規范化的三維標注信息能夠合理全面地表達產品加工信息，同時也便于模型的管理和傳遞。

對三維標注的視圖組織、基準、形位公差、表面粗糙度、焊接、注釋等制定具體要求，同時對文字、箭頭、投影、局部放大設置、剖切線、文本尺寸公差環境設置制定統一的要求。其他如限定區域應與其應用的模型表面一致，并采用輔助幾何、顏色等與設計模型幾何明顯區分,如圖4所示。

3.4 基于NX的三維數字模型檢查規范

3.4.1 模型檢查的基本內容

模型檢查主要包括以下內容：

(1) 模型中幾何信息的完整性、正確性和可更新性；

(2) 工程屬性信息描述的完整性(包括零件的材料、技術要求和互換性等)；

(3) 三維模型與其投影生成二維工程圖的信息應一致、無歧義。

3.4.2 模型檢查的方法和基本步驟

模型檢查的方法主要包括裝配檢查、工程圖檢查、(零件)模型檢查、PMI檢查和草圖檢查，其基本步驟如下：

(1) 使用模型程序進行模型檢查；

(2) 使用交互方式按要求選擇模型檢查方法對模型進行檢查；

(3) 根據需要，進行其他特殊的模型檢查；

(4) 輸出檢查報告。

模型檢查通常應在數據交換或數據發放之前完成，在NX上使用交互方式逐條進行檢查，檢查完成后生成檢查報告。

4 業務流程標準化

企業根據自己的實際需要建立標準化的數據傳遞和工作流程，將企業設計過程中形成的規范以模板的形式固化在軟件內部。TeamCenter在統一的服務器中通過結構化數據來對產品數據進行管理。建立標準的結構化數據使得產品數據在系統中能夠準確、完整并且高效地表達和傳輸。應用TeamCenter系統實現信息化模式下的標準化管理，解決傳統模式下標準化管理存在的各種弊端，實現數據管理標準化和工作流程標準化，提高設計效率和質量。圖5為產品設計數據的標準化流程示意。

5 結束語

企業在推進三維結構設計規范的同時還應完善三維設計標準體系，進行三維數據管理和流程管理，保證產品數據在設計管理平臺傳遞和使用時的統一性和正確性等,指導規范化的產品設計，便于標準化管理和信息化管理。三維結構設計規范的制定使用可以提高企業標準化程度，更好地適應產品標準化、模塊化、通用化的三化設計要求，同時保證三維數字化模型作為單一數據源傳遞產品設計信息，可以提高產品的設計效率，滿足協同設計對三維模型的要求，為三維工藝設計以及基于MBD的產品設計和智慧化工廠的實現奠定良好基礎。