基于NX的三维结构设计标准及体系研究

陈小军，蔡瑞环，陈 杨

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引 言

随着三维设计工具在电子机械行业的普及，越来越多的企业借助于三维设计软件开展产品研发工作，以产品三维模型作为单一数据源实现多学科的协同设计、仿真、制造和管理工作。产品三维模型的完整性、一致性和准确性直接关系到产品研发工作的顺利开展。机械产品三维建模国家标准对三维建模的原则、流程、标注和数据管理等内容作出了规定，用于指导三维数字模型的构建、应用及管理[1-2],但由于不同企业所用的三维设计工具不尽相同，设计人员对于国家标准的理解不同，三维建模国家标准难以直接用于指导企业的研发生产工作。基于特定三维设计开发工具制定的企业三维设计规范可直接指导其内部设计师开展设计工作，帮助企业实现三维建模国家标准的落地实施，提高企业的数字化和标准化管理水平，保证产品数据的规范性和正确性，为产品协同开发工作的顺利开展提供保障。

1 三维结构设计环境构建

传统的二维CAD设计对于设计环境要求不高。大多数情况下是用安装有二维CAD设计软件的计算机独立完成设计工作，而三维设计的要求是实现多平台之间的协同设计，对于计算机配置和企业网络建设等都有着更高的要求，同时需要配置完善的基础数据库来支撑设计师完成设计工作,保证产品数据的完整性、唯一性和可追溯性。[3]

本文论述的数字化设计管理平台总体框架示意如图1所示，建立企业的三维设计数据信息化管理平台，构建基于单一数据源的设计、制造、管理一体化研发体系，TeamCenter作为企业内部产品数据管理和协同设计平台，NX作为产品三维设计软件与平台无缝集成，工艺采用TCM三维工艺集成二次开发。[4]

2 企业三维设计的标准化基础数据库的建立

为了提高设计师的设计效率，企业推行产品三维设计时，同时也是基于企业标准化管理的考虑，会使用大量的基础数据库，其中包括企业统一标准的工程图模板、各类标准件库、通用件/外购件库、材料库和各类定制符号库等。表1 为建立的三维设计标准化基础数据库。

表1 三维设计标准化基础数据库

3 三维结构设计标准的建立

鉴于三维设计手段的多样性，在模型建立时不同的人会有不同的方法，虽然从外观上看是同一结果，但在布局及模型的发布和接收使用上会有较大差别，而且在后期的产品装配、工程图绘制和图形标注等方面也会有不同的处理方式。因此，针对产品设计各流程中各环节的标准制定是十分必要的。

本文中，基于NX的三维结构设计标准规范包含基于NX的三维建模规范、三维装配规范、三维标注规范和三维数字模型检查规范4部分内容。

3.1 基于NX的三维建模规范

基于NX的三维建模规范除规定三维建模的几何要素、约束要素和工程要素等基本原则外，还应包括基础数据库的建立、建模流程、环境设置以及企业产品特殊属性赋予等要求。

3.1.1 三维建模环境设置

应用NX建立产品三维模型时需要对NX软件进行环境设置，保证创建的三维模型能够满足建模的基本原则。三维建模的环境设置主要包括单位、精度、图层、线型、颜色、文本字体、引用集、材料与质量特性、属性、坐标系和视图等内容。二维工程图的环境设置主要包括线宽、字体、制图模板等内容，通过二次开发实现。

3.1.2 三维建模的基本流程

三维设计环境的搭建和完整的三维设计基础数据库的建立给三维设计提供了良好的设计环境和基础。但是，由于三维模型的建立可以有多种途径和方法，例如倒角的形成可以在草图中绘制再拉伸，也可以在生成模型后再修倒角，而最终从外观上看到的是同一个结果，但对于后期的产品装配、工程图绘制和标注会有较大的差别，所以针对产品设计各流程各环节的标准制定是十分必要的。

模型的建立主要考虑产品的布局、骨架、零件的特征化参数化设计、工程图的投影和尺寸标注等甚至产品数据录入信息化系统数据库后的管理等，保证产品数据能够完整快速的保存和发布。图2所示为结合国家标准和企业实际情况制定的基于NX的三维建模流程。

3.1.3 企业特殊属性赋予

针对企业的产品特点，要在产品三维建模时对模型的个别属性的设定做出了规定，如各种油漆表面或者材料颜色需要规定的对应系统颜色ID等。

3.2 基于NX的三维装配规范

3.2.1 三维装配建模的设计方法和流程

装配建模按产品结构的隶属关系进行。建模时首先建立装配的基准，然后导入或设计零部件，合理定位，并进行干涉检查等，最后完成装配建模设计。

产品的装配建模一般采用两种模式[1]：自底向上设计模式和自顶向下设计模式。

(1) 自底向上设计模式，一般需要把所有底层零部件设计完成后才进行装配设计，其顺序是从底层向上逐级搭建产品模型。

(2) 自顶向下设计模式，先通过确定总体思路、设计总体布局、规划装配层级，建立控制结构，然后在控制结构中创建和编辑零部件，从而完成一个整体的设计。

设计时应根据不同的设计类型及其设计对象的技术特点，可分别选取适当的装配建模设计模式：

标准件、外购零部件、结构较简单的产品以及数据库中已存的系列产品零部件的改进设计应采用自底向上装配建模方式。包含曲面信息或有装配配合关系以及存在部件间关联的零部件应采用自顶向下的装配建模方式，也可将两种模式相结合来使用。例如，先创建几个主要部件模型，再将其装配在一起，然后在装配环境中详细设计其他零部件。

3.2.2 三维装配建模的详细规定

三维装配建模的详细规定对装配文件命名、结构树管理、特殊装配零组件(如弹簧、垫圈等)和装配约束的使用等做出了规定，企业产品特点不同详细规定的内容也存在差异。图3为键联接的约束选择示意(采用基准面贴合约束)。

3.3 基于NX的三维标注规范

完整的产品定义由精确几何实体、相关三维几何、三维标注及属性构成。在进行三维工艺设计和基于MBD的全三维设计时，产品三维模型将作为单一数据源表达产品的设计信息，而模型的三维标注将成为其中最为重要的组成部分。规范化的三维标注信息能够合理全面地表达产品加工信息，同时也便于模型的管理和传递。

对三维标注的视图组织、基准、形位公差、表面粗糙度、焊接、注释等制定具体要求，同时对文字、箭头、投影、局部放大设置、剖切线、文本尺寸公差环境设置制定统一的要求。其他如限定区域应与其应用的模型表面一致，并采用辅助几何、颜色等与设计模型几何明显区分,如图4所示。

3.4 基于NX的三维数字模型检查规范

3.4.1 模型检查的基本内容

模型检查主要包括以下内容：

(1) 模型中几何信息的完整性、正确性和可更新性；

(2) 工程属性信息描述的完整性(包括零件的材料、技术要求和互换性等)；

(3) 三维模型与其投影生成二维工程图的信息应一致、无歧义。

3.4.2 模型检查的方法和基本步骤

模型检查的方法主要包括装配检查、工程图检查、(零件)模型检查、PMI检查和草图检查，其基本步骤如下：

(1) 使用模型程序进行模型检查；

(2) 使用交互方式按要求选择模型检查方法对模型进行检查；

(3) 根据需要，进行其他特殊的模型检查；

(4) 输出检查报告。

模型检查通常应在数据交换或数据发放之前完成，在NX上使用交互方式逐条进行检查，检查完成后生成检查报告。

4 业务流程标准化

企业根据自己的实际需要建立标准化的数据传递和工作流程，将企业设计过程中形成的规范以模板的形式固化在软件内部。TeamCenter在统一的服务器中通过结构化数据来对产品数据进行管理。建立标准的结构化数据使得产品数据在系统中能够准确、完整并且高效地表达和传输。应用TeamCenter系统实现信息化模式下的标准化管理，解决传统模式下标准化管理存在的各种弊端，实现数据管理标准化和工作流程标准化，提高设计效率和质量。图5为产品设计数据的标准化流程示意。

5 结束语

企业在推进三维结构设计规范的同时还应完善三维设计标准体系，进行三维数据管理和流程管理，保证产品数据在设计管理平台传递和使用时的统一性和正确性等,指导规范化的产品设计，便于标准化管理和信息化管理。三维结构设计规范的制定使用可以提高企业标准化程度，更好地适应产品标准化、模块化、通用化的三化设计要求，同时保证三维数字化模型作为单一数据源传递产品设计信息，可以提高产品的设计效率，满足协同设计对三维模型的要求，为三维工艺设计以及基于MBD的产品设计和智慧化工厂的实现奠定良好基础。