MBD（Model Based Definition）是指用集成的三維模型完整地表達(dá)產(chǎn)品定義信息，將設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)信息共同定義到產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型，使三維模型成為產(chǎn)品生命周期各階段信息的唯一載體，不再需要將三維模型轉(zhuǎn)換為二維工程圖，避免了大量重復(fù)勞動(dòng)，不僅提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率，更重要的是保證了產(chǎn)品數(shù)據(jù)源的唯一性。
MBD技術(shù)及實(shí)施最早由波音公司提出，于2003年被美國(guó)ASME批準(zhǔn)為機(jī)械產(chǎn)品工程模型的定義標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為ASME Y14.41[2]；2006年ISO組織借鑒ASME Y14.41標(biāo)準(zhǔn)制定了ISO16792標(biāo)準(zhǔn)；我國(guó)在參考ISO16792標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，于2009年11月30日發(fā)布了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《技術(shù)產(chǎn)品文件——數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則》（GB/T 24734-2009），規(guī)范了國(guó)內(nèi)企業(yè)的MBD技術(shù)的應(yīng)用。
目前主流的三維CAD系統(tǒng)都具備了三維標(biāo)注的模塊，支持MBD部分功能，如NX的PMI模塊，CATIA的Functional Annotation&Tolerance模塊，Solidworks的DIMxpert模塊，PTC、SpaceClaim都在造型模塊中增加了三維標(biāo)注功能。然而，要實(shí)現(xiàn)全面支持MBD，三維CAD軟件及標(biāo)準(zhǔn)還有一些關(guān)鍵的技術(shù)及問題有待研究。
機(jī)加工藝三維表達(dá)關(guān)鍵技術(shù)
1.機(jī)加工工藝三維表達(dá)方案
目前，國(guó)內(nèi)外還沒有機(jī)加工藝信息的三維表達(dá)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，因此需要根據(jù)實(shí)際需要，在三維CAD軟件現(xiàn)有三維標(biāo)注功能基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)機(jī)加工藝信息表達(dá)方案。
目前，機(jī)加工藝設(shè)計(jì)的結(jié)果文件主要是工藝過程卡、工藝卡和工序卡。3種卡片所記載的信息各不相同，但結(jié)構(gòu)相似，中間區(qū)域或詳或簡(jiǎn)地記錄工序或工步信息，卡片上部區(qū)域主要記錄工藝或工序中共有的信息，卡片下部區(qū)域是變更、審核和簽字信息。
因此，基于三維模型的工藝信息表達(dá)可以采用相似的方案，如圖1所示零件包括3個(gè)機(jī)加工序，每個(gè)工序又包括多個(gè)工步。其工藝過程卡信息表達(dá)方案如圖1所示，為每個(gè)工序設(shè)計(jì)一個(gè)視圖（也可用多個(gè)視圖或沒有），每個(gè)視圖包括4項(xiàng)內(nèi)容：1個(gè)產(chǎn)品最終三維模型、必要的尺寸及面標(biāo)識(shí)、某標(biāo)注平面上的工序簡(jiǎn)要描述、某標(biāo)注平面上的共有屬性信息。
圖1 工藝過程卡信息基于三維模型的表達(dá)
工序卡和工藝卡信息的三維表達(dá)與工藝過程卡相似，具有相似的4項(xiàng)內(nèi)容，可以使用一到多個(gè)視圖表達(dá)該工序詳細(xì)的加工工步、裝夾、定位信息。
目前，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化組織正在制定機(jī)加工藝信息的三維表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)，采用“工藝信息框格”表達(dá)機(jī)加工藝信息，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。“機(jī)械加工工藝方法圖形符號(hào)”、“機(jī)械加工工藝參數(shù)表示法”、“機(jī)械加工工藝信息三維標(biāo)注規(guī)范”分別規(guī)范了框格中使用的刀具符號(hào)、工藝方法圖形符號(hào)、加工參數(shù)和刀具參數(shù)。
圖2 工藝信息框格構(gòu)成
新標(biāo)準(zhǔn)定義的工藝信息框格，能夠針對(duì)過程卡、工藝卡、工序卡對(duì)工藝信息要求不同詳細(xì)程度的情況進(jìn)行調(diào)整，能夠充分表達(dá)機(jī)加工藝。三維CAD需要在指引線注釋功能的基礎(chǔ)上，開發(fā)框格及相應(yīng)的圖形符號(hào)庫，支持新的表達(dá)規(guī)范。
2.基于模型定義的工藝信息結(jié)構(gòu)
要支持基于三維模型的工藝信息表達(dá)，需要建立產(chǎn)品基于MBD的工藝信息模型。目前已經(jīng)有一些文獻(xiàn)研究了MBD技術(shù)下的零部件制造模型，但目前主流的三維CAD在MBD技術(shù)下的模型構(gòu)成方面還沒有成熟的解決方案。
為滿足機(jī)加工產(chǎn)品的工藝信息表達(dá)，CAD系統(tǒng)需要滿足：（1）能管理零件、毛坯、工序模型等不同階段的多個(gè)三維模型；（2）能保持毛坯模型、工序模型、零件模型之間的雙向相關(guān)關(guān)系，當(dāng)某個(gè)模型變更時(shí)，其前驅(qū)和后續(xù)的模型也應(yīng)相應(yīng)修改；（3）提供不同階段的各類標(biāo)注符號(hào)，除粗糙度、尺寸公差、形位公差外，還需要定位符號(hào)、夾緊符號(hào)、新標(biāo)準(zhǔn)中的加工方法符號(hào)、刀具符號(hào)、工序及工步描述中客戶自定義的各類技術(shù)要求符號(hào)等。
結(jié)合上述工藝表達(dá)方案，三維CAD系統(tǒng)的MBD信息可以設(shè)計(jì)如圖3所示的樹形結(jié)構(gòu)。按階段設(shè)計(jì)“設(shè)計(jì)模型”、“制造計(jì)劃”、“檢驗(yàn)計(jì)劃”等子節(jié)點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)相應(yīng)階段的MBD模型信息。
圖3 機(jī)加工產(chǎn)品的MBD模型結(jié)構(gòu)
表1給出了機(jī)加產(chǎn)品的MBD模型的信息構(gòu)成。其中“設(shè)計(jì)模型”表達(dá)“零件圖”信息，“工藝過程”表達(dá)“工藝過程卡”信息，“毛坯”表達(dá)毛坯零件圖信息，“工序N”表達(dá)當(dāng)前工序的“工序卡”信息。雖然結(jié)構(gòu)相似，但其具體內(nèi)容完全不同。
表1 機(jī)加工產(chǎn)品的MBD模型的信息構(gòu)成
3.零件、工序、毛坯模型的相關(guān)性
MBD模式下機(jī)加工產(chǎn)品的三維數(shù)模包括：毛坯模型、工序模型和零件模型。模型創(chuàng)建次序包括正向創(chuàng)建法和逆向創(chuàng)建法。正向創(chuàng)建法見圖4（a），根據(jù)零件模型和經(jīng)驗(yàn)，首先創(chuàng)建毛坯模型，然后按照工序順序，依次創(chuàng)建第1～N道工序的模型；逆向創(chuàng)建法見圖4（b），根據(jù)零件模型及工序內(nèi)容，首先創(chuàng)建最后一道工序的工序模型，依次逆向創(chuàng)建前道工序模型，直到毛坯模型。
圖4 工序及毛坯模型的創(chuàng)建方法
雖然用戶看到的是多個(gè)不同模型，但為保證數(shù)據(jù)源的唯一性，上述模型必須是相關(guān)的，CAD系統(tǒng)應(yīng)該只維護(hù)一套模型數(shù)據(jù)，并建立不同模型間復(fù)雜的幾何相關(guān)性。因此，CAD系統(tǒng)必須建立造型特征抑制、隱藏、壓縮、配置等功能。如圖5所示，SolidWorks通過特征壓縮功能在一個(gè)模型上定義了3個(gè)配置，分別表達(dá)毛坯及2個(gè)工序模型，實(shí)現(xiàn)了模型相關(guān)。
圖5 SolidWorks采用配置技術(shù)表達(dá)模型相關(guān)性的可行方法
此外，除工藝階段需要毛坯、工序及產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)果模型外，在產(chǎn)品檢驗(yàn)階段還需要根據(jù)實(shí)測(cè)值創(chuàng)建實(shí)測(cè)模型，或根據(jù)某些規(guī)則在保證合格條件下建立其他極限模型等。雖然這些模型不需要在造型特征層與設(shè)計(jì)模型建立相關(guān)性，但與模型外表面的相關(guān)性也是需要的。另外，各種模型的變更，也需要依據(jù)內(nèi)在模型間的相關(guān)性，按依賴關(guān)系依次變更。
MBD模型的多視圖管理技術(shù)
在產(chǎn)品三維數(shù)模上標(biāo)注了眾多PMI后，為避免出現(xiàn)刺猬狀的凌亂視圖，CAD系統(tǒng)需要?jiǎng)?chuàng)建各類不同的視圖，分別表達(dá)不同階段、不同角色的查閱需求。目前，主流CAD系統(tǒng)已經(jīng)提供了可以借鑒的視圖管理方案，視圖的基本構(gòu)成見圖6。
圖6 三維CAD中MBD模型的視圖構(gòu)成
幾何模型集包括毛坯、工序、零件等各種模型，視點(diǎn)集包括6個(gè)基本視點(diǎn)、2個(gè)軸測(cè)視點(diǎn)、以及用戶自定義的視點(diǎn)，標(biāo)注和注釋集是用戶標(biāo)注的各種PMI項(xiàng)及屬性項(xiàng)，截面集包括剖切三維模型的各種截面。
標(biāo)注及注釋信息形式化面臨的問題
注釋信息的形式化，就是將三維標(biāo)注信息轉(zhuǎn)化為有一定邏輯，計(jì)算機(jī)可理解的形式，以方便計(jì)算機(jī)對(duì)信息進(jìn)行解析，提取其中的關(guān)鍵元素，實(shí)現(xiàn)對(duì)分析、工藝規(guī)劃、制造等過程的驅(qū)動(dòng)。雖然，目前尺寸及公差、基準(zhǔn)、表面粗糙度、形位公差已經(jīng)做到了結(jié)構(gòu)化、形式化，但仍然面臨一些問題。
1.關(guān)聯(lián)到幾何要素的標(biāo)注項(xiàng)/注釋項(xiàng)的多義性
不同工程師理解圖7所示標(biāo)注時(shí)，通常不會(huì)出現(xiàn)歧義，但計(jì)算機(jī)可能理解為點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到線、點(diǎn)到面、線到線、線到面、面到面等多種可能，原因是計(jì)算機(jī)只能按照用戶選定的尺寸界線元素進(jìn)行理解。因此，為實(shí)現(xiàn)標(biāo)注的形式化，CAD系統(tǒng)必須區(qū)分“標(biāo)注幾何”和“標(biāo)注定位幾何”。“標(biāo)注幾何”應(yīng)該是最能代表標(biāo)注意圖的幾何要素，圖7應(yīng)該是模型的頂面和底面，而不是線或點(diǎn)。而“標(biāo)注定位幾何”表明尺寸界線從哪里引出，應(yīng)該是某個(gè)具體點(diǎn)、邊上點(diǎn)或虛交點(diǎn)（如圓柱軸線與端面交點(diǎn)）。
圖7 計(jì)算機(jī)對(duì)該標(biāo)注的理解存在多義性
2.統(tǒng)一技術(shù)要求的形式化
在二維零件圖中，通常還會(huì)有一些如下技術(shù)要求：“未注尺寸允許偏差±0.05”、“未注圓角R3-R5”、“未注倒角2×45°”、“未注尺寸公差的偏差均按H級(jí)”、“未注拔模斜度1°～2.5°”、“未注表面粗糙度”等。此類標(biāo)注的特點(diǎn)是：都與三維數(shù)模上多個(gè)幾何要素相關(guān)，而利用現(xiàn)有的各CAD系統(tǒng)，這種一對(duì)多的相關(guān)性都還不能很好地表達(dá)。
要使計(jì)算機(jī)理解哪些幾何要素要滿足這些技術(shù)要求，就必須顯式的表達(dá)技術(shù)要求與幾何要素間的相關(guān)性，即建立標(biāo)注與幾何要素間的關(guān)聯(lián)。在CAD系統(tǒng)中需要將此類技術(shù)要求定義為特定標(biāo)注項(xiàng)，通過提供幾何要素列表，建立相關(guān)性。此類技術(shù)要求類型很多，CAD系統(tǒng)難以完全定義，因此，必須設(shè)計(jì)為用戶自定制方式。
文字可閱讀性
按照ASME Y14.41以及GB/T 24734-2009在3.1.2和5.4中的規(guī)定“所有的標(biāo)注都應(yīng)在一個(gè)或多個(gè)標(biāo)注面上給出詳細(xì)說明，并始終保持標(biāo)注面相對(duì)模型的定向關(guān)系”。因此，在保持定向關(guān)系條件下旋轉(zhuǎn)模型時(shí)，標(biāo)注平面也將隨模型轉(zhuǎn)動(dòng)，其上的文字將出現(xiàn)上下或前后顛倒的情況。在標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24734.5-2009中5.4規(guī)定了3種解決方法：（1）模型旋轉(zhuǎn)后，標(biāo)注面的閱讀方向也能相應(yīng)更新，NX和Solidworks具備此功能；（2）在模型的每個(gè)標(biāo)注面上應(yīng)確定正確的閱讀方向；（3）保存視圖時(shí)，應(yīng)能確保模型朝向符合設(shè)定的視圖方向。CATIA、SC、Proe標(biāo)注文字的閱讀方向不隨動(dòng)，需要用戶保證視圖或閱讀方向。
要實(shí)現(xiàn)標(biāo)注文字閱讀方向的自動(dòng)更新，CAD系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)思路如下。
1.4種基于視點(diǎn)變化的文本姿態(tài)
二維標(biāo)注平面內(nèi)的文本總占用一個(gè)矩形區(qū)域，將該矩形顯式的畫出，并分別為標(biāo)注平面中矩形的4個(gè)角點(diǎn)編號(hào)為1～4（該編號(hào)不再改變），隨著模型的旋轉(zhuǎn)，文本分別存在4種空間姿態(tài)，如圖8所示。在保證文字總是從左向右閱讀的原則下，為了保持文本的可閱讀性，系統(tǒng)需要將文本相應(yīng)變換為圖9所示的4種狀態(tài)。
圖8 模型旋轉(zhuǎn)時(shí)標(biāo)注平面上文本的4種空間姿態(tài)
圖9 文本按照可閱讀性調(diào)整后的對(duì)應(yīng)狀態(tài)
依據(jù)分析，在規(guī)定文本只能從左向右閱讀時(shí)，空間文字相對(duì)于其所在文本框的狀態(tài)就4種，即分別以文本框4個(gè)角點(diǎn)為左上角點(diǎn)的狀態(tài)。
2.三維空間中文本定姿參數(shù)
三維空間中要確定文本的姿態(tài)，通常需要3個(gè)矢量參數(shù)，如圖10所示：文本平面正向（圖中黑色箭頭的反方向）、文本書寫方向（圖中紅色箭頭）、文本字頭方向。若規(guī)定文本總是從左向右閱讀，這3個(gè)矢量符合右手法則，即文本平面正向?yàn)閄軸，書寫方向?yàn)閅，則文本字頭方向?yàn)闈M足右手法則的Z方向。依據(jù)上述分析，在規(guī)定文本閱讀順序從左到右的情況下，用戶只要給出3個(gè)矢量中的2個(gè)，按右手法則就可以完全確定文本的空間姿態(tài)，其中文本平面正向在用戶指定標(biāo)注平面時(shí)確定，因此后續(xù)只需用戶指明書寫方向和字頭方向中的一個(gè)。
圖10 標(biāo)注平面上文本定姿示例
要實(shí)現(xiàn)文本的模型旋轉(zhuǎn)過程中的可閱讀性，實(shí)時(shí)計(jì)算上述3個(gè)矢量方向。根據(jù)圖8、圖9的分析，文本在定義之處就確定了3個(gè)矢量，文本閱讀方向的不同，也就是3個(gè)矢量正向或反向的組合。
要判斷矢量是否反向，CAD系統(tǒng)需要定義屏幕坐標(biāo)系（圖11），取OM垂直于屏幕平面指向觀察者，ON平行于屏幕水平向右，OP平行于屏幕豎直向上，該屏幕坐標(biāo)系的3個(gè)方向永遠(yuǎn)不變，不隨模型的旋轉(zhuǎn)改變。確定文本姿態(tài)的3個(gè)矢量中圖中O′M′代表文本平面正向，O′N′代表書寫方向，O′P′代表字頭方向，3個(gè)矢量在隨模型轉(zhuǎn)到某一姿態(tài)時(shí)，若矢量OM和O′M′之間的夾角＞90°時(shí)，將矢量O′M′反向；當(dāng)矢量OP和O′P′之間的夾角＞90°時(shí)，將矢量O′P′反向。文字書寫方向的判斷就根據(jù)3個(gè)矢量之間的右手法則判斷。
圖11 屏幕坐標(biāo)系及文本姿態(tài)矢量反向的判別條件
結(jié)束語
本文提出了一種機(jī)加工產(chǎn)品工藝信息基于三維模型的表達(dá)方案，并設(shè)計(jì)了機(jī)加工產(chǎn)品MBD模型結(jié)構(gòu)和多視圖管理方法，為機(jī)加工產(chǎn)品MBD體系下的工藝信息表達(dá)提供了較完整的方案；根據(jù)毛坯、工序、零件模型間相關(guān)性，分析了工序模型的正向和逆向創(chuàng)建方法，并提出了模型修改方式，為CAD系統(tǒng)建立工序、毛坯、零件模型間的相關(guān)性提供了思路；分析了標(biāo)注內(nèi)容形式化目前面臨的2個(gè)問題，并提出了可行的解決方法，為MBD模型的計(jì)算機(jī)理解提供了方法。最后提出的一種實(shí)現(xiàn)文字動(dòng)態(tài)可閱讀性的技術(shù)方法，對(duì)三維CAD系統(tǒng)的開發(fā)有借鑒意義。
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本文標(biāo)題：三維CAD支持MBD設(shè)計(jì)模式的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)
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