基于caia的产品非几何制造信息三维标注技术研究

基于caia的产品非几何制造信息三维标注技术研究

随着计算机和软件的发展，产品定义技术经历了从技术图纸技术到二维纹理技术和三维建模技术的发展过程。早期的数字化产品定义技术,即计算机辅助设计(ComputerAidedDesign,CAD)技术的目标是创建工程图,用计算机代替图板进行产品设计。三维建模技术是一项所见即所得的数字化产品定义技术,它直观地表达出了产品真实的三维实体结构,工程技术人员不需要在思维上进行三维与二维之间的多次转换,减少了投影视图因理解不一致造成出错的可能性,从根本上改变了工程设计的方法。但当前的三维建模技术只能解决结构形状信息的表达问题,而不能表达出生产中必须的尺寸公差、表面粗糙度、表面处理方法等非几何制造信息。因此,在当前的三维建模技术中,三维数字化模型只是作为辅助制造依据,仍然需要将三维数字化模型转化成作为主要制造依据的二维工程图。要想将三维数字化模型当作传递设计信息的唯一载体,必须解决非几何制造信息在三维模型中的组织、表达与显示问题。基于三维标注技术的数字化产品定义方法在我国制造业中尚处于初步探索阶段,因此开展这方面的研究具有重要的现实意义。文中借鉴波音公司成功应用三维标注技术的经验,全面论述基于三维标注技术的数字化产品定义方法。13d涂层技术的内涵和优点1.1维数字化实体模型三维标注技术是在三维数字化实体模型上对产品尺寸、公差、制造技术要求等非几何制造信息进行组织、表达、操作管理的一项技术,它使得用一个集成的三维数字化实体模型来完整表达产品定义信息成为现实。依据三维标注技术建立的产品三维数字化实体模型如图1所示。三维标注技术将产品的几何形状信息与尺寸、公差、制造工艺信息通过一个完整的三维数字化实体模型来表达,改变了传统的由三维数字化实体模型来描述几何形状信息,而用二维工程图来定义尺寸、公差和制造工艺信息的分步产品数字化定义方法。同时,三维标注技术使三维数字化实体模型成为生产制造过程中的唯一依据,改变了传统以工程图作为主要制造依据,而三维数字化实体模型仅仅作为辅助参考依据的制造模式。从1997年1月起,美国机械工程师协会(ASME)联合制造业巨头共同发起关于三维标注标准的起草工作。2003年7月,该标准被美国机械工程师协会批准为三维建模新标准。随后,UG,PTC,Dassault等公司将该标准应用于各自的CAD系统中,对三维标注技术进行了支持,使三维实体模型作为唯一制造依据成为现实。作为该项技术的发起者之一,波音公司在最新的波音787项目中首次应用了该项技术,并将它命名为基于模型的定义(ModelBasedDefinition,MBD)技术,引起了飞机制造技术的重大变革。1.2维标注技术有利于完善生产管理系统三维标注技术真正开启了全三维数字化设计与制造时代,真正实现了三维数字化、无图纸设计制造技术,使二维工程图或工程图纸成为历史,即使有也不再是制造权威依据,只是在特定条件下作为数据的一种辅助表达方式。三维标注技术的应用将引起产品制造过程的根本变化,彻底改变传统的产品设计、制造模式,简化产品设计和管理过程,充分展示数字化技术带来的优点,主要体现在以下几点:(1)三维标注技术摒弃二维工程图,使三维数字化模型成为产品信息的唯一载体,所有工作都将在三维环境下完成。因此,在生产研制的各个环节中,所有技术人员或操作工人无须人工阅读二维图,及在大脑中形成产品立体模型并理解设计意图后再进行后继工作,而是从三维模型中直观地理解设计信息。这种三维的数据表达方式更能准确、直接反映设计人员的设计意图,并被其他使用人员理解,减少因数据理解不一致导致出错的可能性,从而缩短研制周期,降低研制成本。(2)三维标注技术改变了传统方法下二维工程图的产品定义表达模式,不用再生成、维护与管理工程图数据或工程图纸,将极大地降低产品成本。在产品研制及生产过程中,二维工程图及纸质工程图纸的生成、更改与维护工作量大,管理工作困难,需要耗费大量的人力、物力和财力来保证它们之间的一致性与完整性。(3)当三维数字化模型作为指导生产的唯一制造依据时,必须建设相应的数字化网络环境,开发生产现场无图纸或无纸化应用环境,结合产品数据管理系统,把三维数字化模型传递到生产现场终端,指导工人开展工作。在这样的环境中,操作工人不用在生产现场查看一大堆图纸及其他技术资料,极大地改善了车间生产环境,有利于稳定生产秩序。(4)三维标注技术还有利于推动并行工程的开展。由于三维数字化模型作为产品信息的唯一载体,它包含了设计、工艺、制造、检验等各部门所需的产品信息。因此,在有关数据管理系统和研制管理体系的控制下,各职能人员可以共同在一个三维数字化模型上协同工作,提高了设计效率,同时也将提高产品的可制造性。2产品信息的表达方法2.1维数字化实体模型的结构三维标注技术下的产品三维数字化实体模型通过图形和文字表达的方式,直接地或通过引用间接地揭示了一个物料项的物理和功能需求。图2所示是基于三维标注技术的产品三维数字化实体模型的组织结构。对于零件模型,它由以简单几何元素构成的、用图形方式表达的设计模型和以标注、属性方式表达的非几何信息组成。装配模型则由一系列零件模型组成的装配零件列表加上以标注、属性方式表达的非几何信息组成。零件设计模型以三维方式描述了产品几何形状信息;属性数据表达了产品的原材料规范、分析数据、测试需求等产品内置非几何信息;标注数据包含了产品尺寸与公差范围、制造工艺和精度要求等生产必须的工艺约束类非几何信息。2.2非几何制造信息的属性表示属性表达法是将文本字符串类型的独立参数放在三维模型的属性项中,每一条属性描述由属性标识名称与属性值组成,形式上如“属性项=数据值”描述。图3所示是在CATIA平台上通过结构特征树实现对零件模型的属性表达。对于包含多种信息的复杂字符串型参数说明,为了有效识别与阅读不同信息,需要通过格式符号对这些信息进行分隔。因此,每个文字描述类产品非几何制造信息的文本字符串参数必须满足这样的格式:A|B|C|……,其中A,B,C等表示不同的参数字段,而且不同类别的非几何制造信息具有不同的参数字段数量。企业需要根据本身情况制定各类非几何制造信息的参数字段数量及描述意义的规范,以达到统一使用标准。属性表达法适用于文字描述类产品非几何制造信息,并且它们往往与产品几何特征没有任何关联关系。在描述产品的非几何制造信息中,零件管理类信息、建模说明类信息、批准发放类信息、零部件技术要求及材料类信息等都适合用属性来表达,详细情况如表1所示。2.3几何制造政策标注信息间的关联标注表达法是将产品非几何制造信息通过特定符号或文本表达在三维几何实体模型的显示区域,它们具有与几何特征元素一致的操作方法。在产品非几何制造信息中,有些是对产品特定几何特征元素的描述说明,因此需与几何特征元素保持关联关系。这种关联关系通过指引线来表达实现,并且有3种不同形状类型的指引线来表示不同类型的几何特征元素与标注信息间的关联关系。第1种是以箭头作为末端的,它表达的是三维几何模型中线元素与其标注信息的关联关系;第2种是以点作为末端的,它表达的是三维几何模型中一个面元素与其标注信息间的关联关系;第3种是专门对于基准标注符号与三维几何模型元素特征的关联关系,它一般采用直接以一个实体三角形状作为引导线终端的表达形式。图4所示是在CATIA平台上实现对零件模型中非几何制造信息的标注表达。其中,尺寸、公差、基准等通过各指引线保持与特定几何特征的关联性,而制造技术要求作为对整个零件的描述,不需指引线来关联几何特征。标注表达法适用于所有文本或符号描述类产品非几何制造信息,详细情况如表1所示。对于尺寸、公差、基准、表面粗糙度、旗注、关键特性等产品特定几何特征密切相关的非几何制造信息,需要通过指引线来表达它们之间的关联性。另外,所有标注信息应该在模型中保持唯一,无冗余。3产品信息的操作管理3.1非几何标注信息间的双向关联查询功能每一个零部件都具有大量的非几何制造信息。如果采用标注表达法将它们与几何特征元素一起显示,将形成庞大的标注信息集,并且覆盖整个设计模型,形成应用的不便与混乱。因此,为了方便、快速地使使用者有条理地了解到各方面设计信息,需要对非几何制造信息提供相应的组织和管理方法。除了需要实现几何特征元素与非几何标注信息间的双向关联查询功能外,还需要有显示与隐藏各标注信息的功能,具体包括以下3种类型:(1)方便地显示或隐藏所有标注信息;(2)根据需要按类型显示或隐藏标注信息;(3)根据用户选择显示或隐藏标注信息。3.2非几何标注信息分类为了实现对产品非几何标注信息的各类管理要求,需要通过标注平面来组织和表达所有非几何制造信息。标注平面是一个在三维空间定义的、具有特定空间位置的、不与任何几何特征元素关联的独立平面,一般定义在一个或多个几何特征表面的垂直交叉或对齐延长面上。每个零部件具有数量众多的非几何制造信息,它们大多与不同角度、不同位置的几何特征元素具有关联关系,所以不可能在一个标注平面中全部表达清楚,而须根据需要建立具有特定标识名称的不同标注平面。需注意的是,任何一项产品非几何信息只能包含在一个标注平面内,从而保证所有标注信息在模型中的唯一性。图5所示是在CATIA平台上按标注平面(虚线框所示)对非几何标注信息进行全面管理。通过显示或隐藏各个标注平面,就可以直观、方便地对所有标注信息进行分类操作浏览。为了能快速查找与显示特定的标注信息,应将标注信息进行合理分类,如以几何特征、视角方向、信息类别等为分类依据,并建立一个特定的标注平面来存放各类标注信息。为了快速、准确地识别标注平面及其包含标注信息类别,标注平面的标识名称显得特别重要,所以应根据其中存放的标注信息类型来直观地定义。图6所示是在CATIA平台上通过建立与标注平面对应的捕获来实现对非几何标注信息的显示与浏览。4非几何生产管理属性三维标注技术不仅使