首届中国智能家电模具技术及标准化高峰论坛
近年来，随着信息和智能制造技术的飞速发展，数字化设计方法作为提升企业快速设计能力的重要途径，已逐步在企业研发过程中得到推广和应用。全三维基于特征表述（model based definition,MBD）的技术首次在波音787飞机全生命周期设计与制造一体化中的应用及相关规范和标准的制订，推动了产品设计与制造向全三维方向发展。MBD技术改变了以二维工程图为主的传统制造过程，将三维实体模型作为产品定义信息的唯一载体达成集成设计与制造信息的目的，有效地提升了制造行业技术人员的研发效率。MBD技术在国内制造业中还处于初步探索阶段，为了改变以往的设计模式并推进设计与制造信息一体化进程，可以通过三维标注的方式将制造信息集成在三维模型上来摆脱二维工程图标注与三维实体联系松散的局限。为了实现将三维实体模型作为设计与制造信息的唯一载体，必须解决非几何信息在模型中的组织、表达与显示问题。在MBD工程化实施的若干步骤中，三维标注是重要的一环。三维标注是在三维实体模型上对产品的尺寸、公差、粗糙度及工艺信息等非几何信息进行组织管理、显示和表达的一项技术，集成后的三维实体模型可以完整地表达产品定义的各类信息。以下利用NX二次开发工具集NXOpenC/C++对三维标注进行开发和优化，经过实例验证，实现了敏捷标注和对三维标注信息的显示控制，保证了基于三维实体模型的信息集成的规范化和实用性，统一了设计与制造信息上下游的数据表达形式，达到了设计与制造共享三维实体模型的目的。MBD技术以三维实体模型为核心，建立了一个规范化和结构化的完整信息数据集，由一个三维实体模型来定义产品的几何信息和非几何信息，即MBD数据集。数据集的结构如图1所示，描述了三维实体模型中包括几何实体、坐标系、尺寸、公差、基准、粗糙度、技术要求等几何和非几何信息，形成了一套完整的三维工程图，成为生产制造过程中的唯一依据。使用三维实体模型表达产品的信息，需要通过模型的三维信息标注完成产品的定义，用一个较直观的三维数模实现后续流程的驱动，可通过三维标注将产品的尺寸及公差、几何公差以及面向制造的工艺信息完整地表达三维数字化模型，不再依赖二维工程图驱动制造环节，使三维数模成为唯一的数据来源。三维标注作为MBD中的一项关键技术，构成了机械产品设计与制造之间信息传递的桥梁，将设计与制造中的尺寸、几何公差、基准、粗糙度、零件属性以及制造信息等集成到三维实体模型上，推动了数字化设计制造的发展。要实现MBD技术，三维模型信息定义规范的实施及制定是推进MBD技术深入和广泛运用的关键。尽管主流的CAD软件如NX、CATIA、Pro/E等都开发了三维标注功能模块，能够在三维模型上进行尺寸、几何公差、基准、粗糙度等设计制造信息的标注，但由于当前的三维标注技术在定义制造过程中的尺寸公差、表面粗糙度、工艺技术要求等重要的非几何制造信息存在操作方式、标注规范、数据信息显示方式不统一，视图表达管理混乱等不足，不能保证模型信息的规范性。NX软件的三维标注功能是通过产品制造信息（product manufacturing information,PMI）模块实现，即将原本在二维工程图上标注的所有尺寸、几何公差、基准及粗糙度等设计与制造信息直接标注在三维实体模型中，有利于设计人员在三维实体模型上对制造信息的创建、读取和修改。但NX软件在标注和创建以及显示方面存在以下不足。（1）内置模块内容复杂，标注效率不高，缺乏统一标注信息技术规范。（2）由于缺乏对标注信息的有序组织，当产品定义信息比较复杂时，标注信息无法合理高效地表达。根据上述存在的问题，基于MBD技术对NX软件的三维标注功能进行了优化，实现了精准高效的敏捷标注技术，并通过信息分类、视图/图层的关联重新组织了标注信息，更方便快捷地查看各类标注信息，工艺制造信息被直观统一地表达，满足了MBD工程化的要求，推进了数字化设计制造的发展。依据NX平台的三维标注原理与过程，首先定义要标注的视图方向，完成视图方向的定义，然后再进行模型信息的标注。虽然按照此操作可以完成模型的三维标注，但未经设定的标注信息将会保存在系统默认的图层中，而系统默认的图层并没有提供规范合理的分组，不利于设计人员查看和管理模型中的标注信息。通过针对NX二次开发，提出对数据控制的解决方法，系统功能框架如图2所示。通过关联视图/图层的方法实现标注信息的组织管理和显示控制，可有效避免产品定义信息复杂而导致标注混乱的问题。对标注信息的划分和对应图层的创建是标注信息分组和显示控制的基础，合理地将不同视图中的尺寸、几何公差、基准、粗糙度等设计制造信息进行分类并自动存储到对应的图层中，设计人员在进行标注查看和修改时可快速区分一个视图中不同类别的标注信息。在图层创建及视图/图层的关联完毕后，为方便管理标注信息，通过NX二次开发工具BlockUIStyler设计了一个可视化界面，可通过选择不同的视图和类别选项来控制各种标注信息的显示和隐藏，避免在导航器中手动勾选来控制标注信息的显示和隐藏。为了有效显示和控制三维标注信息，需要设计涵盖尺寸、几何公差、特征符号、技术要求和注释标注信息的对话框，这样设计的分类方式涉及到标注中常用类别，标注信息视图涵盖了3个基本视图以及用户自定义视图，可方便用户观察三维模型，避免三维标注显示混乱的现象，便于查看标注信息，界面效果如图3所示。为加强图文标准规范，在标注前，首先进行基本环境设置，统一标注标准，方便图文理解及发布审批。进入用户定义界面，对尺寸、注释、技术要求、符号、形位公差内的文本等进行统一设置管理。NX软件自带的标注模块为了满足其通用性导致使用较为复杂，通过在NX软件的标注模块上采用定制符号等手段，以提供快捷精确的标注为目的进行二次开发，改善原有三维标注功能的不足，提高三维标注效率，界面和功能说明如图4所示。图4所示的敏捷标注界面前2个框选区域，通过选择标注框行数和标注类型提供了不同的标注框模板，标注框的内容可以根据需求输入参数，也可以在下拉列表中选择合适的图标，在标注框的上下位置添加Note功能用以文字说明。在NX软件中，此功能可由Feature Control Frame中的Text提供，在Text文本框中，<My Feature Control Frame>代表标注框，可以在这条内容的上下位置根据需要输入相关内容，满足用户的注释需求，“Note文字说明”如图5所示。使用NX Open API开发框架实现基于MBD的三维标注系统，针对标注信息的显示控制功能，首先通过UF_OBJ_cycle_objs_in_part对三维模型中的所有对象进行遍历，如果检测到标注信息则使用UF_OBJ_set_blank_status函数设置其显示或隐藏状态。对于使用图层控制标注信息的显示或隐藏功能，NX Open API提供了根据图层遍历对象的函数UF_LAYER_cycle_by_layer，可以获取某一图层上的所有标注信息，然后设置显示或隐藏状态。对于不同类别的标注信息， 则可以通过UF_OBJ_ask_type_and_subtype 函数进行区分。以下是程序控制隐藏或显示标注的代码示例。如果在创建标注前没有提供动态实时的预览显示，只有在整个操作过程完成后才能显示标注效果，则会造成设计人员在整个标注过程无法准确预料最后的标注效果，需要多次修改，降低了标注效率。为了实现敏捷标注功能，实时显示鼠标所在位置的标注信息预览，采取了类似制作动画的方法。通过事先将标注内容保存到指定位置，motion_cb函数可以实时监测鼠标是否移动，而UF_UI_specify_screen_position提供了获取鼠标所在位置坐标的功能，当motion_cb函数监测到鼠标移动时则调用UF_UI_specify_screen_position函数来获取鼠标位置信息，在移动后删除旧位置的标注，在新位置显示标注，功能流程如图6所示。基于MBD技术的三维标注功能开发完成后，运行实例测试该系统的有效性和实用性。图7所示为使用电极加工注射模的三维实体模型。由于注射模的电极加工工艺复杂，在进行信息标注后，各个视图的标注信息交错重叠在一起，呈现“刺猬”状态，如图8所示，设计人员无法获取有效信息。通过三维标注系统，在视图控制对话框界面中点选按照层按钮，选择XC-YCPlane，则只显示XY平面上标注的信息，隐藏了其他视图三维标注信息，避免了不同视图间标注信息的遮挡，达到了较好的显示效果，满足了MBD工程化对设计制造信息集成的要求（见图7）。该示例产品信息验证了此二次开发功能的效果，针对更为复杂的零/部件图，此次开发的三维敏捷标注功能具备更大的优势。▍原文作者：卢一帆1，叶福田2，柳伟1
▍作者单位：1.上海交通大学模具CAD国家工程研究中心；2.东莞市横沥模具科技产业发展有限公司
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