基于特征提取的三维标注技术

杨 萍 杨迎春

(兰州理工大学机电工程学院，甘肃 兰州730050)

波音公司根据飞机设计制造实践提出来基于模型的定义MBD(model based definition)，即数字产品定义，并在波音737-NX型飞机项目中成功应用。该技术改变了传统的三维模型来描述几何信息，而用二维工程图来定义尺寸、公差和工艺信息的产品数字化定义方法，其核心思想是用一个集成的三维实体模型来完整地表达产品定义信息，实现面向制造的设计。波音公司的成功，引起世界范围内的数字化制造业的广泛关注。

目前国内外已经制定了国际标准草案ISO16792、美国国家标准ASMEY14.41等相关MBD标准。我国出台并实施了三维CAD国家标准GB/T24734《技术产品文件 数字化产品定义数据通则》系列。

基于相关标准的三维标注一直是众多学者和设计人员的研究热点。文献［1］分析了三维标注及其对数字化制造技术的影响，及三维标注技术以属性与标注解决产品非几何制造信息表达问题的本质。文献［2］设计了三维自动标注的算法，阐述了其相关的技术，采用该算法在CAD系统中实现三维尺寸自动标注的技术。文献［3］针对尺寸自动标注仅限于表达产品的几何信息而未关注其功能特性，提出了基于产品功能特性的三维尺寸标注算法。以上主要是对三维尺寸标注的研究，对三维形位公差及表面粗糙度的标注的研究有待进一步发展。

目前，大部分三维标注技术是在三维模型上标注平面的几何尺寸、表面粗糙度和形位公差等精度特征信息，其标注的信息仅是一个平面符号，标注的几何尺寸不能驱动三维模型的参数，三维标注信息和三维模型不是同一组定义数据［4］，标注信息只是一种注释，和三维模型没有关联性，不能用于零件后续的加工制作过程，没能实现完整的3D零件模型的建立。

本文根据GB/T 24734标准及相关三维标准，基于Pro/E软件平台，建立三维精度特征符号库，应用MBD技术，在3D零件模型上标注三维的精度特征符号，建立全3D零件模型，其中三维标注信息能被提取并保存在数据库中，用于后续的加工制作，以期实现三维CAD/CAM一体化。

1 三维精度特征符号的定义

三维标注下的产品三维零件模型通过图形和文字表达的方式表达出产品设计信息，改变了传统的由三维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方法［5］。通过在三维模型上定义尺寸标注、公差要求、表面粗糙度等非几何信息，从而实现对产品信息的清晰、完整、唯一的描述，以满足下游数字化制造和检验直接使用的需求。

在产品设计制造中，精度特征不只用于评价几何实体，更与工艺规划和加工要求紧密联系。尺寸、公差和表面粗糙度是联系设计与制造的重要属性，建立精度特征可以清楚地表示模型的非几何特征与几何特征之间的相互关系。传统的非几何信息只是在信息的标注层面上，仅相当于三维模型上的一个平面符号，标注的几何尺寸不能驱动三维模型的参数，没有工程语义，无法将具体的非几何信息与特征模型联系起来，这种符号式的非几何信息不能支持后续加工制作过程。

本文提出三维精度特征符号的概念，依据国内外已经指定的国际标准草案ISO 16792、美国国家标准ASMEY 1441、中国国家标准GB/T 26099～26101、GB/T 24734［6-7］等相关MBD标准，对非几何信息的画法、标注方法和属性定义等方面进行一个详细的描述，并确定了符合标准的标注显示方式。充分利用三维模型所具备的表现力，建立三维的精度特征符号如图1所示，并将三维精度特征符号和三维模型定义在同一组数据中。

在三维模型上与三维模型相关联的标注三维的精度特征符号，其特征参数能够被提取出来并存入共享数据库，提供给后面的加工制作使用，真正实现三维CAD/CAM一体化。能够直观地理解设计信息，这种三维的数据表达方式更能准确、直观地反映设计者的设计意图，并被其他使用人员所理解，减少理解偏差导致出错的可能性，便于对标准信息进行必要的“数字化”处理，可以自动提取出后续的工艺、制造过程和检验所需的相关信息，无条件支持后续环节数字化工作的开展。

2 三维精度特征符号库的建立

CAD/CAM一体化要求三维标注信息在产品生命周期每个阶段的各个模型中均可见，使技术人员能够充分使用MBD模型。因此需要实现标注信息的结构化和关联性，以便管理、修改和提取。

本文以Pro/E软件为平台，利用Pro/Toolkit应用开发技术，采用基于特征的参数化设计方法建立三维精度特征符号库。特征的定义被放入一个数据库中，通过定义尺寸、位置参数和各种属性值建立所需三维精度特征符号，允许设计人员通过加减特征要素进行设计，也可根据需求调整几何和拓扑信息，首先定义一个一般特征，建立一般特征库，然后对一般特征实例化，并对特征实例进行修改、拷贝、删除以生成特征符号，导出特定的参数值等操作，建立三维精度特征符号。

建立三维精度特征符号库就是将三维精度特征符号信息组织在一个数据库中，方便操作、管理和调用，便于进行三维标注。特征提取的结果也同样以数据库的形式保存起来，供工艺推理和加工制作调用。在综合考虑了三维精度特征符号的特点和数据库建立原则的基础上，确定了三维精度特征符号库的数据结构，如图2所示。

其中S是字符数据类型，E是枚举数据类型，I是整形数据类型，R是实型数据类型，*p是指针。

3 全3D零件模型的建立

针对全3D零件模型，即实现在三维模型上标注三维表面粗糙度特征符号和三维形位公差符号。采用基于特征的参数化设计建立三维精度特征符号，三维精度特征符号与三维模型需定义在同一组数据，结合程序实现三维标注。

三维形位公差特征符号用指引线连接被测要素和公差框格，指引线引自框格的任意一侧，终端带一个箭头。主要是公差类型、公差值、被测要素、基准等信息的设置，其中需要注意的是被测要素、基准对象和所选公差类型要匹配。形位公差标注界面如图3所示，勾选φ前面的勾选按钮，即选中φ符号，公差值为φ0.01 mm;点击，调出图4所示形位公差符号库对话框，点击形位公差符号中对应的符号选择公差类型，也可以选择附加特征添加到公差值前面或后面。

三维几何公差特征符号的具体标注步骤如下:

(1)选择菜单三维标注→几何公差特征符号，弹出几何公差标注对话框;

(2)设置几何公差类型、公差值、基准等信息，点击放置按钮，激活建模窗口;

(3)选择放置基准面及投影面，鼠标在三维模型上移动时，捕捉到的表面会显示红色。点击鼠标左键，即可选中;

(4)选择被测要素和基准要素，根据公差类型选择正确的被测对象和基准要素特征;

(5)点击鼠标左键，选中与指引线的起点，点击鼠标中键，选中指引线的终点，完成三维几何公差符号的标注。

用类似的方法标注三维表面粗糙度特征符号，标注时要注意标注面内的布局达到标准中规定的不干涉、不重叠等要求。建立的全3D零件模型如图5所示。

4 全3D零件模型特征提取实例

特征提取的程序中操作函数实际完成了整个特征的遍历、提取和保存的过程，涉及到Pro/TOOLKIT中大量库函数的调用及其和开发功能函数的结合，共同完成特征提取的过程。因为在Pro/E中各个层次的特征对象都是使用相似的结构组织信息的，所以特征提取的操作函数具有类似性。在此以三维表面粗糙度特征符号信息提取为例，首先确定特征提取所包含的信息:表面粗糙度特征类型、参数值、依附面及特征标识。根据上述提取信息的要求，并且根据Pro/TOOLKIT提供的库函数进行编程，特征提取程序流程图如图6所示。

调入全3D零件模型，调用特征遍历函数ProSolidFeatVisit()访问模型的所有特征，并设置过滤函数只访问三维精度特征符号库的特征。提取出三维精度特征符号的类型、数值及依附表面或依附边的id值。提取到的特征信息缓存在建立的对话框的列表中，以便查阅、修改和使用，如图7所示。在该对话框中，选择其中一个列表，列表中的信息将显示在下面的文本框中，可以对其进行修改。确认无误后，将列表中的特征信息存入共享数据库，供后面的加工制作使用。这里采用了具有广泛应用性、良好的稳定性和实用性的ODA数据库连接技术。

5 结语

本文研究了产品设计信息三维标注技术，构建了符合国家标准GB/T 24734—2009规定的标注规则的三维精度特征符号，提出的全3D零件模型在Pro/E软件平台上得以实现，它能够规范地将产品设计信息在三维模型上进行有效的表达，通过特征提取获得其对应的特征信息并共享在数据库中，以满足加工领域的信息需求，实现了三维CAD/CAM一体化技术。

［1］周秋忠，查浩宇.基于三维标注技术的数字化产品定义方法［J］.机械设计，2011(1):33-36.

［2］安恒，闫光荣，雷毅.基于GB/T 24734的三维自动标注［J］.北京航空航天大学学报，2012(3):416-421.

［3］胡祥涛，程五四，陈兴玉，等.基于MBD的产品信息全三维标注方法［J］.华中科技大学学报:自然科学版，2012，42(12):60-63.

［4］郑洪涌，郑国磊，赵皇进.三维公差分析中工程尺寸驱动原理与应用［J］.北京航空航天大学学报，2012，38(1):138-142.

［5］陈兴玉，张红旗，陈帝江，等.复杂机电产品全三维工艺设计方法［J］.雷达科学与技术，2010(5):476-477.

［6］Sanz A，Negre A A，Fernandez R，et al.Comparative study about the use of two and three-dimensional methods in surface finishing characterization［C］.The Manufacturing Engineering Society International Conference，2013，63:913-921.

［7］中华人民共和国国家质监监督检验检疫总局.GB/T 1182—2008产品几何技术规范(GPS)几何公差形状、方向、位置和跳动公差标注［S］.北京:中国标准出版社，2008.

［8］中华人民共和国国家质监监督检验检疫总局.GB/T 131—006技术产品文件中表面结构的表示法［S］.北京:中国标准出版社，2007.

［9］中华人民共和国国家质监监督检验检疫总局.GB/T 24734.1～11-2009数字化产品定义数据通则［S］.北京:中国标准出版社，2010.

［10］Jin Zhang，Lihong Qiao.Three dimensional manufacturing tolerance design using convex sets［C］.12th CIRP Conference on Computer Aided Tolerancing，2013，10:259-266

［11］潘康华.基于MBD的机械产品三维设计标准关键技术与应用研究［D］.北京:机械科学研究总院，2012.

［12］王勃，郑国磊，段丽华.轴类零件三维尺寸自动标注算法［J］.北京航空航天大学学报，2013，39(6):829-834.