三维标注的产品数字化定义标准及其管理系统开发

王鹏飞，周秋忠，徐万洪

(1.沈阳理工大学 汽车与交通学院，辽宁 沈阳 110159;2.浙江万里扬变速器股份有限公司，浙江 金华 321000)

产品数字化定义技术经历了从工程制图技术到二维CAD技术，再到三维建模技术的发展历程［1－2］。如今，CAD 三维建模技术和计算机图样虚拟绘制技术在制造企业中得到了普遍的应用，给产品设计带来了巨大的推动。尽管三维模型包含二维图样所不具备的几何形状信息，但却不包括尺寸、公差、材料、装配件连接及其它工艺参数等信息。目前大多数企业还处于“三维建模，二维出图”这样同时依赖三维模型和二维图样的局面，导致信息不唯一、共享程度低、传递过程中容易出错等弊端，尤其在对信息进行修改时更为繁琐。波音公司在2004年开始的787客机设计中，为避免上述弊端，全面采用三维标注新技术，将三维数字化模型作为传递设计信息的唯一载体并获得巨大成功，取得了数字化定义方法的新突破［1］。三维标注技术使三维模型作为设计过程中的唯一依据，改变了传统的以工程图纸为主以三维实体模型为辅的方法。将三维标注技术应用于产品数字化定义信息的管理，可以有效解决信息组织表达分散、数据共享程度低等问题。

本文采用三维标注对产品定义信息进行分类表达和标准化，并开发产品定义标准信息管理系统，在需要使用标准信息进行标注时直接调用数据库中的产品定义标准信息，可以大大减少设计人员的工作量，提高产品定义效率，缩短产品开发周期。

1 三维标注简介

三维标注是基于模型的数字化定义(Model Based Definition，MBD)技术的应用，是将产品的所有制造技术要求、属性和管理等非几何信息都附加到产品三维模型中的先进数字化定义方法，其核心思想是用一个集成的三维数字化模型来完整表达产品定义信息。

三维标注最早依据美国“ASME Y14.41－2003 Digital product definition data practices”国家标准［3］;ISO 组织制定了“ISO 16792-2006 Technical product documentation digital product definition data practices”标准［4］;我国标准 GB/T 24734 －2009《技术产品文件 数字化产品定义数据通则》也规范了三维标注数据集的基本原则和显示形式［5］。

三维标注在三维数字化模型上加以标注，除了尺寸、公差、基准、粗糙度等直接与模型相关的几何信息外，还包含与产品设计制造相关的非几何信息［6］。图1为应用三维标注技术的产品模型。

图1 基于三维标注技术的产品模型

2 三维标注信息的分类和表达

2.1 三维标注信息的分类

三维标注的产品数字化定义信息分为几何信息和非几何信息两大类。几何信息为CAD软件建立的三维模型和尺寸公差等信息，如今已得到了普遍的应用。非几何信息可分为通用管理信息、零件加工制造信息和连接工艺信息。非几何信息的通用管理信息是用来说明产品定义的管理类信息;零件加工制造信息是指与产品零件加工制造相关的工艺等信息;连接工艺信息是用来表明产品的零组件在连接装配时的一些相关要求等信息。具体信息的分类如图2所示。

图2 三维标注信息的分类

2.2 三维标注信息的表达

在对三维标注信息分类后，需考虑三维标注信息的表达，一般采用属性表达法和标注表达法进行信息的表达［6］。属性表达法是以文本类标识进行表达，标注表达法则对应旗注等符号类标识的表达形式。其中，文本类标识是将产品信息以文本字符串的形式表达在特征结构树上的信息标识方法，符号类标识则是指使用旗注、粗糙度、基准等符号对几何特征进行关联表达的标识方法。各种类型的非几何信息根据需要采用合理的表达形式进行组织定义，将三维标注的产品定义信息表达清楚。

在CATIA软件中，产品定义的三维标注信息主要通过属性表达法的文本字符串形式进行表达，而以标注表达法的符号类标识作为辅助，充分利用三维模型的结构特征树来实现产品定义信息的表达和管理。

属性表达法将文本字符串类型的用户自定义参数放在三维模型的特征结构树中，每一条属性描述由属性标识编号、名称与属性值组成，如“属性 =数据值”这样的描述，且文本字符串一般按照“A丨B丨C丨…”的格式(|为shift+)，其中A、B、C等表示不同的参数字段，其数量需根据企业自身制定的表达规范和三维标注信息的类型而定［7］。

符号类标识是使用CATIA的三维标注模块(FT＆A)的功能，将产品非几何信息通过特定符号进行关联或文本表达在三维几何实体模型显示区域的表达方法［7］。它通过旗注等符号将存放于特征树上的标识信息与模型特征保持关联关系，最适合用于表达有区别的局部关键特征。图3为在CATIA中某零件三维标注的文本标识和旗注标识。

图3 基于CATIA三维标注的文本标识和旗注标识

3 产品数字化定义的标准体系

当产品定义的三维标注信息使用重复率高且信息内容较为固定时，有必要对三维标注信息进行企业标准化，进一步构建企业自己的产品数字化定义的标准信息体系。产品数字化定义的标准体系包括通用管理标准、零件制造标准和连接工艺标准三类标准信息。

通用管理标准信息不对产品进行描述，用来说明产品通用的管理类信息，是三维标注数据集中必须包含的。通用管理标准信息可分为授权说明、建模平台和建模规范等类型。授权说明类型用来说明产品的类型、授权系统、公司地址等信息;建模平台类型是建模所使用软件的名称、版本等信息;建模规范类型说明建模所需遵循的规则和要求等信息。它们一般都可直接从产品定义标准信息管理系统中选取调用。

零件制造标准信息用来描述材料和加工制造工艺规范等标准信息。材料标准信息为企业常用的原材料材质、尺寸等信息。零件加工制造工艺规范标准信息为企业标准化的加工制造工艺规范信息，按照零件类型可分为机加件、钣金件、铸造件等。在并行工程中，工艺设计的一些要求需要工艺人员参与认定，在可制造的前提下定义在三维标注数据集中。其中标准的加工制造工艺信息是从产品定义标准信息管理系统中选取调用，非标准工艺信息则由设计人员编辑输入。

连接工艺标准信息描述零组件连接相关的标准信息。不同类型的连接定义有不同的连接要求，所以必须在产品结构规范树中对各类连接定义信息进行分类组织。连接工艺标准信息可分为铆接工艺标准信息、胶接工艺标准信息、密封工艺标准信息和焊装工艺标准信息等。每类工艺标准信息可继续往下细分，在实际应用时根据需要选用下一层的分类。比如，焊装工艺标准信息可分为电阻点焊、螺柱焊、气体保护缝焊和其他焊装。各种分类的最下层就是各标准信息的具体内容。图4为产品数字化定义的标准体系。

4 产品定义标准管理系统的开发

产品数字化定义的标准体系构建完成后，可将标准信息录入数据库，在产品设计需要编辑输入某条标准信息时从数据库中直接选取调用。按此思路，开发相应的产品定义标准管理系统，实现对标准信息的录入和选取调用管理，可极大的提高工作效率。

图4 产品数字化定义的标准体系

4.1 系统功能和数据结构

系统是基于CATIA开发的IPSM(集成产品标准管理)系统与CATIA的接口，需在PDM(产品数据管理)系统和ERP(企业资源管理)系统支持下工作［8］。

产品定义标准信息管理系统包含的模块结构如图5所示。

该标准信息管理系统主要包括标准信息管理和标准信息调用两部分程序，系统的使用分为系统管理员、标准信息管理员和产品设计员三类用户。系统各个功能在PDM管理软件的支持下使用，各类用户共享数据库信息，各自独立拥有不同的功能模块，可在同一时间并行进行各自的任务，这样可大大提高工作效率。系统管理员负责用户和其权限的管理、目录结构及信息的维护和录入信息的审核;标准信息管理员主要负责数据库标准信息的添加删除和修改，完成后需经系统管理员审核是否通过;产品设计员负责从标准信息数据库中选取调用所需标准信息添加到特征树节点。

产品定义标准信息管理系统数据库的主要数据结构如图6所示。目录结构表用来建立存放和维护标准信息的目录结构;标准类型表用来存放标准信息分类的类型信息;标准信息表用来存放各标准信息类型下层具体的工艺等标准信息。标准信息表含有ID、编号、名称、描述、URL和详细说明字段;其中ID为数据库自动编号，编号为各表的主键，是按分类要求定义的7位数字，用来区分不同类型的标准信息;名称为所要定义的标准信息的名称;描述是对信息名称的属性定义和具体描述;URL是对标准信息详细介绍的链接地址;详细说明是用来对该名称标准信息调用选择的指示和建议。图6上方的三张表通过相关编号的字段互相关联。

图6 系统主要数据结构

功能表、用户类型权限表和用户表用来存放本系统所有的功能模块、用户类型、用户名、用户名密码和其对应的权限信息，也是通过相关编号字段关联。

4.2 系统应用流程

产品定义标准管理系统分为标准信息管理和标准信息调用两部分程序，其应用流程如图7所示。

图7 系统应用流程

标准信息管理应用流程:标准信息管理员打开产品定义标准管理系统，登录进入自己对应权限的界面，对标准信息数据库的标准信息进行操作(增加、删除、修改)。标准信息数据库中只有经审核通过后的标准信息才可供产品设计员选择调用。

标准信息调用应用流程:产品设计员在CATIA软件的产品设计界面，从定制的宏打开标准信息调用程序，从产品结构特征树上选择相关数据集节点，再从标准信息数据库中选择所需的标准信息进行调用，确认后添加到特征树对应节点。

4.3 系统与CATIA接口的实现

产品定义标准信息管理系统的用户界面和CATIA V5系统的集成是通过Macro命令执行CATScript脚本程序文件，从而实现非几何属性调用。在信息输入界面通过选择不同的标准信息生成对应的CATScript脚本程序文件，确认后执行，添加到特征树节点。

5 结束语

本文基于三维标注的先进技术对三维标注信息分类，用文本字符串和旗注符号类的表达形式将产品非几何信息表达在三维模型中，解决了非几何信息的表达问题，实现了产品几何信息与非几何信息的集成统一。在此基础上，构建产品定义信息标准体系，开发产品数字化定义标准管理系统。

三维标注技术使三维模型成为设计制造的唯一依据，实现了数据的一致性，改变了产品的开发方式，引起了数字化制造技术的重大变革。结合产品数字化定义标准管理系统，改变了标准信息定义繁琐的情况，减轻设计人员的工作量，实现了标准信息的定义一致性，大大提高了产品设计效率，减少开发周期，降低开发成本，提高产品的市场竞争力。

［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，2008，31(3):78 －81.

［2］范玉青，梅中义，陶剑.大型飞机数字化制造工程［M］.北京:航空工业出版社，2011.

［3］Y14.41 －2003.Digital product definition data practices［S］.

［4］ISO 16792 － 2006.Technical product documentation digital product definition data practices［S］.

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

［6］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，2011，28(1):33 －36.

［7］王境宇，邓立营.基于CATIA的产品定义信息三维表达及组织方法［J］.制造业自动化，2011，33(11):130－133.

［8］郑艳铭.基于MBD技术的工艺设计［J］.CAD/CAM与制造业信息化，2012，19(12):60 －63.