基于CATIA的产品定义信息三维表达及组织方法

王境宇，邓立营

WANG Jing-yu1,DENG Li-ying2

（1. 沈阳理工大学 经济管理学院，沈阳 110159；2. 北方重工集团有限公司 盾构机分公司，沈阳 110141）

0 引言

数字化定义技术的应用和发展正迅速改变着制造业的工作模式和应用体系。从产品设计的方法和手段来看，产品定义技术从手工工图到二维CAD技术，再到三维建模技术，实现了从平面投影技术到全三维实体模型数字样机以及完整数字化产品定义的转变，并越来越多地依赖计算机应用系统来完成产品性能以及制造能力的分析和验证[1,2]。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。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[3～5]。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[3～5]。

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MBD（Model Based Definition,基于模型的定义）技术，引起了飞机制造技术的重大变革。

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。本文借鉴波音公司成功应用三维标注技术的经验基础上，全面论述基于CATIA的产品信息表达与组织方法。

1 产品信息的三维表达方法

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[4,5]。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[6]。在CATIA系统中，可以通过标注与属性的方法来实现产品非几何制造信息的表达。

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CATIA中进行产品定义时，包括尺寸、公差、制造技术要求在内的所有非几何制造信息都可以通过标注表达的方法将它们与几何信息定义在几何显示区域中。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如图1所示。在产品非几何制造信息中，尺寸、公差、基准、表面粗糙度、旗注、关键特性等非几何制造信息是与产品特定几何特征密切相关，因此它们需与几何特征元素保持关联关系，并且这种关联关系通过指引线来表达实现；而对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。

标注表达法可以解决所有非几何制造信息在三维模型中的定义问题。但由于非几何制造信息种类多、数量大，将所有非几何制造信息同时定义在实体显示区域，会造成整个模型信息非常混乱且不利于操作与浏览。因此，需要将各类信息进行归类表达。对于以文本描述的信息通过属性表达。属性表达法是将以文本字符串类型的独立参数放在CATIA三维模型结构规范树的属性项中，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。在CATIA平台上通过结构特征树实现对零件模型的属性表达如图1所示。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。

图1 三维模型中的标注与属性表达方法

2 产品信息的组织管理

基于三维标注技术的三维模型集成了以前分散在三维实体模型与二维工程图中的所有设计与制造信息。构建一个完整的三维模型将包括的数据元素有：关联设计数据、实体模型、坐标系、尺寸和公差标注、工程说明、材料需求及其它定义数据。其中，工程说明由标准说明、零件说明、标注说明（特殊特征工程需求有关的说明）组成。与包含图纸的数字化定义方法不同，基于CATIA的三维标注技术完全采用产品结构规范树的方法来组织管理所有产品信息。结构规范树通过关联各种类型信息结点的方法，将几何模型、相关的几何特征描述、相关设计数据与附加元素融合在一起，为产品数据管理系统对产品定义内容的集成提供了接口。结构规范树解决了产品数据模型众多内容的组织管理问题，同时考虑到系统的可操作性和便利性，对产品信息的组织定义也提出了相应的要求。

2.1 结构规范树的内容

结构规范树采用分类集合的方法，将产品相关的信息分类组织，替代了传统意义的层表和层表过滤器。通过在结构规范树上的选取，则可以快速获得相关的产品定义信息。对于任何三维模型，都包括Standard Notes、Part Notes、Annotation Notes、Approval Status类型结点，用来组织产品结构模型的字符型描述信息。PARTBody、Axis Systems、Material Description类型结点是零件类三维模型所必需的，分别用来描述产品的几何形状、相对空间位置关系与零件材料说明。Joint Definitions、Shim Definitions、Sealant Definitions结点是装配安装类三维模型必需的，用来描述产品零件之间的装配连接关系与工艺要求。而其它如External References、Construction Geometry、Engineering Geometry、Reference Geometry、Annotation Set、Datum Targets、Publication等常用类型结点则根据各类具体三维模型的实际需要采用。另外，设计人员可以根据公司标准增加其它特殊类型的组织结点。表1列出了完整的三维模型结构规范树结点类型。

表1 结构规范树结点类型

2.2 相关设计数据的要求

2.2.1 工程几何（Engineering Geometry）

工程几何信息是对最基本并必需的建模元素的定义，是整个模型建立的基础，其中主要包括坐标系统与基准面两类。任何一个零件在产品都具有确定的位置关系，这种空间位置关系在产品数字化定义系统中通过坐标轴系统来描述。当零件在一个具有上下文设计关系的环境中定义时，零件模型默认的原点表示设备或产品坐标系统，并需要建立表示零件局部轴和主要基准的轴系统，被命名为“局部轴系统”。当零件非上下文关联时，即不在上下文环境中设计时，零件模型默认原点必须有一个绝对轴，并命名为“局部轴系统”。在建模、定义辅助基准和制造辅助元素时，根据需要可以建立符加轴。这些符加轴应该根据用途或目的命名。

2.2.2 外部基准（External Reference）

外部基准是模型中的一个关联到其它父产品实例的局部几何元素，这一局部元素是父子产品模型间关联关系的载体。外部基准必须随时维护并且必须是已经发布的全局性几何参数。在修订产品之前，所有外部基准必须进行与父产品的同步操作以保持最新状态。在产品发放之前，要首先取消零件中的外部基准的有效性，这样做的原因在于零件具有与父产品的关联，而零件发放过程与父产品模型不是保持同步的。无效操作使得外部基准数据被冻结，以确定产品数据发放后的状态。

2.2.3 构建几何（Construction Geometry）

构建几何中的信息不是为了描述制造工艺等内容而设定的，而是用来保存建模过程中的必需信息，即在外部基准信息与工程几何信息的基础上构建模型所需的中间几何数据。这些附加的特征属性必须适当的命名、组织和关联，以便后续的用户易于使用。构建几何在一般情况下定义为隐藏状态。

2.2.4 引用几何（Reference Geometry）

2.2.5 标准说明（Standard Notes）

标准说明不是用于描述零件，而是对知识产权和有关管理信息的说明，如财产说明和建模说明。因此，标准说明必须包含在所有的三维数模中。所有标准说明放在以“Standard Notes”命名的结点中，该结点驻留在结构规范树的主分枝上，如图2所示。每个标准说明都有一个独立的字符串类型参数，并将这些参数放入“Standard Notes”结点中。标准说明定义的具体内容由设计公司决定。通常，标准说明的内容有工程内容概述、装配说明、安装要求、版权说明、企业名称、完整性要求、尺寸公差标注遵循的标准、通用最终处理说明、尺寸单位、数据集遵循的数字化定义标准以及数据集模型尺寸比例等。

2.2.6 零件说明（Part Notes）

零件说明是针对整个零件的制造工艺要求，包括如热处理、零件最终处理和零件说明等信息。所有的零件说明放置在以“Part Notes”命名的结点中，并在结构规范树的主分枝上，如图2所示。每个零件说明是一个单独的字符串型参数。每个零件说明文本字符串一般采用这样的格式：A|B|C。其中A为零件标识号；B为工艺规范；C为URL。

2.2.7 标注说明（Annotation Notes）

对于零件特定结构特征的加工工艺需求，用标注说明定义。标注说明采用旗注标识和包含一个参数的旗注定义联合说明。旗注是与特征相关的，被放在适当的标注平面中，并用一根导引线指向被描述的相关联特征上，是用于描述所有完成零件特征的特殊工程文本。旗注定义则是对旗注所关联特征的加工工艺要求说明，它放在结构规范树上以“Annotation Notes”命名的结点中。旗注名字在三维模型中有唯一的号，放在旗注符号中。描述旗注的旗注定义以特征ID号命名。特征ID是以大写字母FL开头、紧跟一个空格的旗注号，例如旗注1，旗注名是1和标注说明的特征ID号是FL，如图2所示。每个标注说明有一个单独的字符串型参数。每个标注说明文本字符串一般采用这样的格式：A | B | C| D。根据标注说明的不同数据来源，A、B、C、D分别有不同的含义。

图2 标准说明、零件说明及标注说明定义

3 标注信息操作管理

全三维模型的最大特点是具有与几何模型关联在一起表示的各类标注信息，如基准、尺寸、几何公差及注解，它们表达了零件或产品的特殊非几何制造信息。为了便于统一高效管理这些标注信息，除在几何模型区标注外，CATIA还对全三维模型中的标注信息通过标注集功能集中管理。在CATIA中，对全三维模型的各类三维标注信息采用标注平面（或视图）和FT&A（Functional Tolerance & Annotation，功能性公差与标注）捕获面的方法来解决组织和显示问题。标注平面为有利于标注信息的组织与管理，而捕获面则有利于标注信息的快速查找与显示。

3.1 标注平面

标注平面是一个三维空间已定义的平面，其上可以定义三维标注的信息。FT&A数量众多，不可能在一个标注平面中全部显示。因此，对于不同角度与位置的FT&A，需要有不同的标注平面。对于每个标注平面，为了便于管理与识别，通过视图形式来对其进行组织，每个标注平面采用与它所包含标注信息相一致的最合适名称来命名标识，如它定义的特性与视图的方向，并把所有标注平面组织到结构特征树标注集结点下的视图分类结点中。对每个包含FT&A的标注平面，数据集必须包含一个已命名视图。为了下游用户在数据集中快速游览可以创建必需的多个命名视图。如图3所示是按视图对标注平面及标注信息进行全面管理。

图3 按视图标注平面标注信息

3.2 捕获面

同样，对于数量众多的标注平面，它们之间可能相互干涉重叠，全部显示导致整个三维模型非常混乱和不直观，不方便制造等下游用户使用与浏览。为了在三维模型内快速查找与使用各类信息，必须采用相关方法和按照一定规则对FT&A数据进行组织和显示管理。在CATIA系统中，采用捕获面的方式来实现这种需求。捕获面是CAD系统的一个视角方向信息记录，它记录了使用者从哪个最清晰的视角观察产品的几何模型。一个三维模型根据需要建立所需的捕获面的数量，原则上以准确、清晰、全面反映所有信息为依据。每个捕获面有明确的标识，与视图命名类似，这种标识应该使用最能描述视角所反映信息的类型进行标识，如标注信息的特性与类型、视角方向等。所有的捕获面信息组织在标注集结点下的捕获分类结点中，以达到方便管理和后续应用的目的，如图4所示。

图4 按捕获功能分类显示标注信息

4 结束语

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，将引起数字化制造技术的重大变革。

[1] 卢鹄.大型飞机的并行数字化定义技术研究[D].北京：北京航空航天大学,2007.

[2] 卢鹄,韩爽,范玉青.基于模型的数字化定义技术[J].航空制造技术,2008(3)：78-81.

[3] DEF STAN 05-10 part 2.Digital product definition information[S].London：UK,2006.

[4] 周秋忠,范玉青.MBD技术在飞机制造中的应用[J].航空维修与工程,2008(3)：55-57.

[5] 周秋忠.MBD技术在大型飞机数字化装配中的应用研究[D].北京：北京航空航天大学,2009.

[6] Y14.41-2003.Digital product definition data practices[S].NewYork：ASME,2003.