基于模型的数字化定义技术的应用研究

任桂华，周 林

(湖北理工学院 机电工程学院,湖北 黄石 435003)

基于模型的数字化定义技术的应用研究

任桂华，周 林

(湖北理工学院 机电工程学院,湖北 黄石 435003)

介绍了一种基于模型的数字化定义(MBD)技术，它能实现将产品的几何信息及制造信息完整地呈现在三维模型中。通过UG三维软件中的PMI模块，实现了产品三维模型中公称尺寸、公差及注释信息的标注。MBD技术的应用，打破了传统二维工程图的束缚，为实现三维数字化设计制造一体化集成应用提供了保障。

MBD；UG；三维模型；标注

在基于模型的数字化定义技术(MBD)提出之前，企业存在着二维工程图与三维模型共存的情况，即先利用三维软件设计产品的形状，然后再导出二维工程图，在2D工程图上完成信息的注释。但如果设计的三维模型发生了变化，则必须对相应的二维工程图进行修改，这样才能保证信息的正确一致，符合实际生产的需要。当采用MBD技术之后，就可以直接在三维模型中标注产品的信息，如公称尺寸、尺寸公差、几何公差等，从而实现将模型作为设计和制造的总源。因为MBD技术有尺寸驱动的功能，当模型发生变化时，可以直接在三维模型中修改尺寸，相比于之前二维和三维共存的情况，大大节省了时间，提供了工作效率。MBD技术在零件与装配工艺设计技术的研究应用中具有重要的实际意义。

1 MBD技术的内容

自大规模工业生产以来，产品的定义经过4个阶段[1]。第1阶段采用2D工程图对产品进行完整的定义，如二维零件图、装配图等；第2阶段采用2D工程图加上3D模型方式进行产品的定义，此过程加上了三维建模的新方法；第3阶段采用3D模型和简化的2D图纸共同定义产品；第4阶段是使用独立的3D模型对产品进行定义，其包括了设计制造特征在内的三维标注。

新一代的3D独立模型将产品的信息以一个集合的形式呈现出来，简称为数据集。数据集通过3D图形以及文本描述的方式展示产品所满足的物理和功能要求，它包括的主要内容有：产品模型和版本历史。

周秋忠和范玉青[2]提到产品模型的定义，并指出模型作为MBD数据集的一部分，在产品定义的过程中起到非常大的作用，可以说是核心和基础。因为它不仅描述了产品的几何形状，而且包括了尺寸、公差以及非几何信息的标注。当使用MBD技术的数据集时，模型将作为产品定义的唯一来源[3]。

模型包含3个部分：设计模型、注释和属性[4]。通常来说，设计模型一般指的是满足产品的形状要求而构建出的一个实体模型，不包括一些注释信息。它的作用就像第2代产品定义中“二维工程图和三维模型来共同定义产品”中的三维模型，即一个完全三维的效果。注释指的是一些标注的信息，如尺寸、公差、粗糙度等要求，可以直接地呈现在观察者眼前。传统的二维工程图将所有的信息都注释在零件图中，而模型中的注释信息完全在各注释平面上。属性和注释在某些方面有一定的重合，但是属性必须经过人工操作将之显示出来，且必不可少，它对于产品模型的特征起到了补充和完善的作用。

2 模型中标注采用的新方法

2.1 比例大小

GB/T14690-1993《技术制图比例》规定：比例是指图中的图形与其实物相应要素的线性尺寸之比。二维工程图中存在着3种比例情况：放大比例、缩小比例、1∶1比例。

赵杨[5]对比例大小作了详细的解释。当采用基于模型的定义技术后，必须采用1∶1的建模比例来构造产品的数字化模型，所标注的任何信息都是真实有效的。同时可以通过软件的放大或缩小功能，观察产品的细节特征。在放大和缩小这一功能上，三维标注技术明显领先于二维的传统技术，因为它可以随时地缩小和放大某一部分，而二维图纸想放大或缩小，就必须重画才能满足观察者的需求。

2.2 标注平面

在三维标注的新方法中，需要选择1个方向进行标注，即确定1个标注平面，有X-Y平面、X-Z平面、Y-Z平面、模型视图等可供选择[5]。传统的二维标注是通过不同的视图来综合表达一个产品的信息，无法将所有信息综合到一张图纸上。而三维标注则将几个标注平面统一在一个模型中，集中且容易观察。使用了标注平面后，实际上将传统的二维制图标注延伸到了三维标注。同时，标注平面与模型之间应保持一种对应的关系，即旋转模型的时候，标注平面也随着模型旋转，可以将标注平面理解成模型的一部分。但是如果不能使两者保持一定的定向关系，这个平面将不符合基于模型定义技术的标注平面的要求，也就实现不了基于模型的定义技术。同一个标注信息在不同的标注平面上显示的效果如图1所示。

图1 不同标注平面的标注效果

2.3 显示管理

在MBD技术中，可以选择显示某一类型的标注或显示自己选定的一组标注信息。这将有利于工程技术人员进行信息的分类利用，以便较快地得到所需要的尺寸或公差的信息。而在二维图纸中，需要一类信息的话，需要人工遴选，容易出错或漏掉。

在显示管理中，最重要的就是显示正确的读图方向。当对已经标注好的模型进行旋转时，标注不应该出现不规则的形状，而应该是跟着模型旋转；不管从哪个方向看过去，尺寸的标注应该能正确显示。

3 三维标注技术的应用

三维标注技术是指利用三维建模软件进行零件三维建模，然后直接在模型视图中标注公称尺寸、公差粗糙度、技术要求等信息。

3.1 三维标注技术中软件的选择

CATIA、UG NX、Solid Works等三维建模软件各有应用优势，且都支持三维模型的标注，如CATIA软件的三维标注公差和注释(3D Funtional Tolerancing and Annotation)功能模块，Solid Works中的DimXpert和TolAnalyst模块。本文选择UG NX10.0软件来实现三维标注。UG NX软件是Siemens PLM Software公司出品的一个产品工程解决方案，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。UG NX10.0软件中含有产品制造信息(PMI)模块，可以支持三维数字化定义，实现零件的三维标注。

3.2 三维模型上的标注

3.2.1公称尺寸的标注

对于三维模型中公称尺寸的标注，可以参考二维工程图中相应的国家标准，遵循国家标准GB/T 4458.4-2003《机械制图 尺寸注法》标准中的一些规定。模型的公称尺寸标注如图2所示。

图2 模型的公称尺寸标注

3.2.2公差的标注

模型中公差的标注可分为公差基准的标注和几何公差的标注。GB/T 24734-2009中对基准特征符号及几何公差的标注作了详细的规定。形状公差、方向公差、位置公差、轮廓度公差、跳动公差分别应用于不同的场合，它们的附着方法不尽相同。如标注倾斜度公差，当应用于圆柱面的中心线时，采用延长线；当标注跳动公差，应用于圆柱表面时，圆跳动附带尺寸线，而全跳动采用指引线。模型的倾斜度公差标注如图3所示。

图3 模型的倾斜度公差标注

3.2.3模型上粗糙度、技术要求的标注

在三维模型中粗糙度的标注工作必不可少。在二维平面绘图中，粗糙度的标注对零件的表面质量提出了一定的要求。同样在UG PMI模块中，对于粗糙度的标注可以参考GB/T 131-2006《产品几何技术规范(GBS) 技术产品文件中表面结构的表示法》中的规定。模型粗糙度的标注效果如图4所示。

图4 模型粗糙度的标注

在零件图中，技术要求作为其基本内容 使用简明的文字、符号等来表示产品制造和检验过程中应该达到的要求，一般主要写在零件图的空白地方。而在模型中标注注释信息时，可以从XC-YC平面、XC-ZC平面、YC-ZC平面、模型视图、用户定义中任意选择1个方向来进行标注。这主要取决于个人的视图习惯，没有特殊要求。其中对于注释文字的大小和形状可以通过设置来改变。要注意的是标注的注释信息不能与模型相交，应尽量放置于可以直观观察的地方。模型技术要求的标注如图5所示，图5中选择的注释方向是XC-ZC平面。

图5 模型技术要求的标注

3.2.4模型中剖视图的表达

在PMI模块中，有2种剖视图功能可供选择：一种是轻量级剖视图;另一种是剖视图。

在PMI工具条中选择轻量级剖视图，然后选择1个剖切平面。它可以在截面处显示剖切时相交的曲线，同时也可以在上面进行必要信息的标注。而剖视图的选择方法与轻量级剖视图大大不同。首先，它可任意选择多个平面进行剖切，可以实现许多种剖切形状(如1/4剖)，但是不能像轻量级剖视图那样将剖切面与模型相交的曲线显示出来。剖视图和轻量级剖视图一样，可以在上面进行标注工作。模型中轻量级剖视图的标注如图6所示,模型中剖视图的标注如图7所示。

图6 模型中轻量级剖视图的标注

图7 模型中剖视图的标注

4 三维标注技术存在的问题

4.1 三维标注的标准化

三维标注的标准暂时还未能像二维工程图那样被人们所接受，所以接下来的任务就是制定出符合产品三维数字化定义的标准。正所谓没有规矩，何成方圆。一旦标准形成了，此项技术的实施就有理可依了。标准一旦颁布，修订人员的工作量也会大量减少，并将大大提高工作效率。

4.2 注释信息的完整化

模型中的标注信息对以后的生产加工起到关键作用。而模型的几何关系通过软件中的显示约束可以判断出来，是否欠约束或过约束都可以在模型的草图中提示，我们可以做的就是实现全部约束，满足设计信息要求。但是对于工艺信息，计算机无法作出自动的判断，因为它不知道各部分的加工类型，这对接下来的工艺规划、制造过程有一定的阻碍作用。所以我们应该从标注信息是否完全确定产品的制造工艺信息出发，可以引入人机交互工程或者专家系统来实现[6]。

4.3 标注信息的可视化

对于一些比较复杂的零件，如果采用三维标注的方法，那么大量的信息将标注在已经建立好的模型中。由于视角的原因，标注的信息会显得十分冗杂。这时二维工程图的优势就体现出来了，因为它可以采取多个视图来表达，这样不会使标注信息很复杂、不美观。于是在三维模型标注的基础上，能否像二维图纸那样有序地标注信息，就需要构建标准的符号化语言。

5 结束语

三维标注技术借助标注平面将传统二维工程图的公称尺寸、几何公差、基准、粗糙度、技术要求等信息标注在产品的三维模型中，使工程师摆脱了二维工程图的束缚，可以直接地在三维模型中更改产品信息，而不用像二维图纸那样，改了某一信息，就要结合若干图纸，逐一更改，工作量大且容易出错。三维标注技术还通过标注信息的结构化和形式化，将传统的二维工程图的工艺信息都集成到三维模型中，实现设计与制造一体化。

基于模型的数字化定义技术已具有非常好的应用前景，特别是在飞机制造行业，以波音公司为例，其生产的B787客机的装配就应用了MBD技术。此项技术在我国起步较晚，主要是由于传统设计方式的普遍使用，三维标注的一些标准化问题还未得到解决。相信在机械设计制造一体化的进程中，MBD技术将扮演着“引路人”的角色，引领人类走向数字化信息技术的时代。

[1] 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.

[2] 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.

[3] 吴克祥，石鑫.MBD技术在飞机数字化制造中的应用[J].西安航空学院学报,2015,33(1)：24-28.

[4] 吴灿辉，夏晓理,梁勇,等.产品几何技术规范在模型定义中的应用[J].图形学报,2014,35(4)：548-552.

[5] 赵杨.基于UG三维模型标注的动态显示研究[D].成都:西南交通大学,2013.

[6] 张宝源，席平.三维标注技术发展概况[J].工程图学学报,2011(4):74-79.

Research on Application of Model-based Digital Definition Technology

RenGuihua,ZhouLin

(School of Mechanical and Electronic Engineering，Hubei Polytechnic University，Huangshi Hubei 435003)

This paper introduces a Model-Based Definition(MBD)technology,which can completely realize the geometric and manufacturing information of the product in the 3D model.Through the PMI module in UG three-dimensional software,the tagging of nominal size,tolerance and annotation information have been realized in the 3D model.The application of MBD technology has broken the shackles of the traditional two-dimensional engineering drawings,which provides a guarantee for the integration application of 3D digital design and manufacturing.

MBD;UG;3D model;label

2017-06-12

湖北理工学院校级教学研究重点项目(项目编号2016B09)。

任桂华，教授，硕士，研究方向：机械制造及其自动化。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.06.001

TH128

A

2095-4565(2017)06-0001-04

(责任编辑吴鸿霞)