基于Pro/E的三维标注信息管理方法

北京航天控制仪器研究所□胡权威 张晓玲 惠宏超

首都航天机械公司□魏

三维建模技术的不断成熟，使得三维产品的完整并且准确的定义成为可能。三维模型作为产品数字化定义的核心内容，形象逼真地表达了产品的外观形状，而产品的属性信息、管理数据信息等非图形化信息也需要围绕三维模型以结构化的形式表达，从而使产品数字化定义达到完整并且易用的程度。随着数字产品定义 （Digital Product Definition,DPD）的发展，表达方式由之前二维工程图逐渐发展为三维模型。三维建模技术的不断成熟，使得对三维产品完整并且准确定义成为可能。随着ASME Y 14.41:2003《数字化产品定义数据实施规范》的出台，产品数据集和参考文档相应的要求逐渐被建立，该规范也成为基于模型的定义 （Model Based Definition,MBD）基本规范要求的前提。随后，ISO组织基于ASME Y 14.41制定了ISO 16792:2015《技术产品文件 数字产品定义数据通则》标准，对三维标注提出的全面规范，使得三维产品定义技术的应用得到了全面发展，该标准在波音公司的飞机项目中得到广泛使用；从波音737项目开始，该技术被波音公司应用和实施到整个生产过程，到波音787飞机项目时，波音公司要求其合作企业采用MBD模型作为整个产品制造过程中的惟一依据。

在基于MBD的产品定义过程中，产品信息被赋予在三维模型中，三维标注信息的复杂程度可能会产生 “刺猬”现象，影响可读性，本文从提高三维标注信息管理能力的角度，研究在Pro/E环境下基于层树、层、定向和组合视图的标注信息协同控制方法，实现产品信息的规范性管理。

1 基于MBD规范的三维产品定义

基于DPD规范对MBD数据集的定义，形成如图1所示的MBD数据模型的内容。MBD模型包含设计模型、标注以及属性三部分内容。其中，设计模型是以图形化方式进行表达，由简单几何元素组合构成的三维模型；通常情况下，设计模型利用点、线、面、坐标系统等几何元素构建辅助几何与模型几何，最终通过模型几何以及辅助几何形成三维实体，从而描述产品的几何形状信息；同时，设计模型中还包括一些工程说明以及关联的设计数据。标注信息主要包括精度要求、尺寸公差、符号注释等信息，此类信息一般直接附着在三维模型中，不需要外部处理即可呈现，利用标注主要描述生产要求所必须的约束信息。属性信息主要指产品的内置信息，例如分析数据、测试需求以及原材料规范等，通过此类信息定义产品以及产品特征的相应内容。

图1 MBD模型的内容

通过对MBD数据模型的内容分析可知，一个完整的MBD零件模型可以概括为几何信息和非几何信息，图2所示为MBD零件模型的信息分类。从图2中可以看出，几何信息由设计模型（由简单几何元素及模型几何和辅助几何形成）、坐标系统以及关联设计数据组成。非几何信息则由标注 （精度要求、尺寸公差、符号注释等）、属性信息 （原材料规范、分析数据、测试需求等）以及工程说明信息 （标注注释、零件注释、标注说明等）组成。

图2 MBD零件模型的信息分类

在三维CAD系统中，MBD零件模型的几何信息一般以图形化的方式表达在三维模型中，而非几何信息以文字的方式附在几何模型上或者直接存在于产品结构树中。同时，在实际的应用中，MBD零件模型的几何信息和非几何信息可以根据MBD数据模型的内容，按照企业的需求在内容或形式上进行扩充和重组，但是不能影响数据的完整性及结构的统一性。

2 Pro/E三维零件结构树

零件模型是零件制造的依据，图3所示是基于Pro/E模型的结构树，模型的几何以及非几何信息都存在于结构树中。对于任何三维模型，零件几何体、坐标系系统是零件类模型所必须的，分别用来描述产品的几何形状、相对空间位置关系。注释包括零件注释、通用注释等用来描述模型的字符型信息。而标注集则描述精度要求、尺寸公差等信息。

（1） 坐标系

在Pro/E中，坐标系包括FRONT（xy平面）、RIGHT （yz平面）、TOP （zx平面） 和轴系中的绝对轴系统，坐标系是建立三维模型的参考基准。

图3 产品规范结构树

（2） 零件几何

零件几何是在Pro/E建模过程中产生的所有与几何相关的数据，不仅包含最终零件实体形状的零件模型几何体，主要指建模过程中生成的一系列特征，是产品的主几何体；同时，根据需要在主几何体会延伸出一些辅助几何体，如引用的点、线、面等。

（3） 注释

注释用来描述零件注释、通用注释等相关信息。其中，通用注释用于整个模型的文字注释，不要求关联性，一般应包括企业标识、知识产权、密级控制、生产控制、出口控制和模型注释等；通用注释用来描述公差、表面粗糙度、热处理等的注释内容。

（4） 标注集

基于MBD的全三维模型包含了与几何模型关联在一起表示的各类标注信息，即标注集，有基准、尺寸、几何公差等，它们表达了零件或产品的特殊非几何制造信息。为了统一高效管理这些标注信息，便于制造、检验过程中接收和采集下游信息的顺畅，需要对全三维模型中的标注信息进行集中管理。

3 Pro/E三维标注信息的组织和管理

采用Pro/E进行三维标注的实质是对二维工程图纸的扩展，是将二维图中的尺寸、公差、粗糙度、基准和相关技术要求等信息在三维实体中标注，标注的结果都存在于零件结构树中。对于结构复杂的零件，标注尺寸多而复杂，容易出现标注混乱而且不易读懂，因此需要研究标注信息的组织和管理方法。在Pro/E中，为了方便对零件信息的查看，通过图层和视图可以进行标注信息的管理。通过选择不同的视图，用户可以方便地对三维模型进行观察，而图层则能有效地管理组织特征、组件中的零件。控制图层的隐藏与显示，能控制三维模型特征和标注信息的显示与隐藏。本文进行三维标注信息的组织和管理研究中，主要针对指图3中的注释和标注集。

（1）三维标注信息的定义方法

在Pro/E中进行三维标注时，首先为标注信息定义注释平面，注释平面通常在三个基本平面 （xy平面/yz平面/zx平面）的基础上通过偏移/旋转等操作建立，然后根据添加的标注类别进行标注内容添加，三维标注信息的定义方法如图4所示。

（2）三维标注信息的组织与管理方法

采用三维标注信息的定义方法进行三维标注时，需要对标注信息进行组织，本文采用基于层树、层、定向和组合视图的协同控制方法进行标注信息管理，如图5所示。

为对标注进行显示控制，对层树、层、定向和组合视图的定义建立如下规则，其中图6所示为该规则下的层树、层、定向和组合视图构建实例。

图4 三维标注信息的定义方法

图5 三维标注信息的组织与管理方法

1）Pro/E模型树下建立的标注信息命名按照 “注释”、 “视图1”、 “视图2”、 ……、 “剖视1”、 “剖视2”、……的方式来命名；在层树的命名上，分别采用 NOTE、SECTION1、SECTION2、……、VIEW1、VIEW2、……等方式命名； “层”、 “定向”、 “全部 （组合视图）”的命名应该和标注信息命名方式一样；同时在“层”、 “定向”、 “全部 （组合视图）” 分别建立“无标注”项目，用来展示不带标注的三维模型。

2）模型树下的标注信息与 “层树”、 “层”、“定向”以及 “全部 （组合视图）”应具有完全的对应关系。如模型树下的 “视图1”信息完全存在于层树 “VIEW1”下，层树 “VIEW1”下标注信息通过 “层”下的 “视图1”来控制其显示或隐藏 （当 “层”激活 “视图1”时，只显示模型树下视图1的标注信息），同样 “定向”下的“视图1”表示该视图所采用的定向方向， “全部 （组合视图）”下的 “视图1”是最终的呈现结果，它关联视图1的 “定向”以及 “层”；以此类推， “NOTE” 与 “注释” 对应， “SECTION1”、 “SECTION2”、 “SECTION3” 分别与 “剖视1”、 “剖视2”、 “剖视3” 对应。

3）模型树下建立的标注信息，应在同一个标注方向上完成所有相关信息的添加。例如模型树的 “视图1”应该在 “定向”中的 “视图1”方向标注完所有内容，模型树的 “视图2”应该在 “定向”中的 “视图2”方向标注完所有内容。

图6 层树、层、定向和组合视图构建实例

4 三维标注信息组织和管理实例

本文基于协同标注信息管理方法，开发了功能模块，能够实现在Pro/E软件中自动添加满足前面所定义规则的层树、层、定向和组合视图，同时实现层树、层、定向和组合视图之间标注信息的自动匹配，图7所示为标注信息的组织和管理应用实例。

图7 层树、层、定向和组合视图构建实例

5 结论

随着MBD技术在企业的广泛应用，三维标注信息的组织和管理方法研究是一个重要研究方向。本文在MBD理论上，利用层树、层、定向和组合视图协同控制Pro/E三维标注信息，并开发了相应工具，实现了产品定义信息在三维模型中的有效管理。最后，基于实例进行了验证，为企业三维标注信息的规范化应用提供了依据。