面向设计制造的船用柴油机零件全三维数字化定义研究*

张 辉 张胜文 杨 戈

(江苏科技大学机械工程学院，江苏镇江 212003)

采用全三维数字化定义，可以实现全三维模型的统一数据源，完成制造依据由二维图纸向三维数字化模型转变［1－2］。其源自波音公司的 MBD(Model Based Definition)技术，在飞机制造业引起了重大变革。

近年来随着我国航空开展国际合作，全三维数字化定义技术向国内扩散，西北工业大学［1－3］、北京航空航天大学［4－5］和南京航空航天大学［6］等都进行了广泛研究。中国电子科技集团三十八所［7］作为电子行业的研究所也在数字化定义这一传统的机械领域开展研究，表明全三维化已经得到了广泛认同，是产品设计制造的趋势。

本文根据船用柴油机零件特点，提出采用面向设计制造的基于特征和工序的全三维数字化定义方法，以实现基于全三维数字化模型的统一数据源。

1 全三维数字化定义技术

实现基于全三维模型的数字化定义通常是在三维模型中集成制造信息等标注，同时辅以制造文件对产品进行全面描述。它取代二维图纸成为协同设计共享中的唯一来源。

美国机械工程师协会于1997年在波音公司协助下开始进行有关MBD标准的研究和制定工作，并于2003年7月7日使之正式成为美国国家标准ASME Y14.41－2003。ISO 组织借鉴 Y14.41 标准制定了ISO16792－2006标准，为其它国家的用户提供支持［8－10］。我国颁布了国家标准 GB/T 24734－2009《数字化产品定义数据通则》，这些标准对产品的数字化产品定义的内容、格式及结构进行了基本规定，但还不适合直接应用于某项特定领域应用［7］。

1.1 船用柴油机零件特点与全三维数字化定义

从产品定义发展历程来看，全三维数字化定义是产品定义的趋势。如图1所示，从柴油机乃至广泛的机械产品定义方法的发展来看，经历了从传统的手工绘制图纸，到计算机辅助二维绘图;从计算机辅助平面制图到三维建模、二维出图;再从关联性二维出图到全三维数字化定义。

船用柴油机是典型的复杂产品，包含1万多个零部件，其结构复杂、体积大，其制造过程繁杂、工艺精度要求高［11］。与常规零部件制造相比，具有显著的特点和问题:①结构复杂、制造要求高，二维图纸表达困难;②生产周期长、工序复杂、产品信息易混乱;③制造模块多，工艺变更量大，三维模型加二维图纸的冗余方式导致变更维护困难。采用统一数据源的全三维数字化模型后都可以得到有效解决。但这类零件的全三维数字化定义具有特殊性，基于MBD的通用方法［6，11］不能较好地适应这类零件的处理。

1.2 全三维数字化定义关键技术

全三维数字化产品定义除需要传统的三维建模技术和三维显示等技术外，还包括三维标注技术、数字化产品数据管理和信息提取与利用技术等。

1.2.1 三维标注技术

三维信息标注，是实现全三维数字化产品定义的基础技术，它将传统二维工程图纸中产品的尺寸、形位公差、粗糙度、基准、技术要求等信息利用三维建模软件标注在产品的三维模型空间中。如图2所示为船用柴油机典型零件缸盖的三维标注实例。可见，二维图纸中的制造工艺信息集成到了三维模型文件中。

1.2.2 数字化产品信息管理

船用柴油机零部件具有大量的非几何制造信息，为了使用户可以方便、快速地获取各方面的产品信息，需要对非几何制造信息提供有条理的组织和管理方法。从信息组织模式上，传统方式是使用模型、图纸及层表的分层管理。卢鹄等认为可以采取基于特征树和基于层及层表过滤器的方法［5］。

本文结合主流建模平台实际情况，综合采用特征树和层及层表过滤结合的办法，采用基于特征和工序的方法来对信息进行管理。如图3所示，按照面向特征设计的原则进行信息标注。即根据某一零件的加工制造特征，将标注分为特征内标注、特征间标注和零件整体标注。对于较复杂的局部特征，需要采取多视图(剖视图)的形式来加以详细描述。对于工序较多的特征，也可以细分为按工步的标注方式。标注信息与特征相互关联，选定PMI信息则高亮显示相关特征，符合GB/T24734.5的要求，方便用户理解和使用。

对于船用柴油机零件，由于形状结构复杂，存在较多的装配层次关系。而装配模型文件和零件模型文件直接存在直接或间接的参数尺寸关联。本文采取主模型这一成熟的办法，这在NX平台上较易实现。

1.2.3 信息提取与利用技术

在非几何制造信息标注在全三维模型文件中后，再转换为计算机可理解的形式，以方便计算机对信息进行解析，实现对后续制造等过程的驱动与利用，提高自动化程度。

本文借鉴商业数据库结合模型文件［7］的方式，利用商业数据库和模型文件共同管理零件信息，结合这两种方法的优点，联合使用，可以有效地将三维信息提取与利用起来，满足设计制造的统一数据源需求。

1.3 柴油机全三维数字化产品定义技术路线

在上述技术研究的基础上，定义船用柴油机零件在全三维数字化产品定义技术上设计制造的技术路线，如图4所示。该方案首先着手于统一数据源设计和平台框架设计，以奠定基于统一数据源的设计制造集成基础;其次通过参数化建模，形成三维模型数据库，解决船用柴油机零件三维模型的质量和规范化问题;接着，通过三维信息标注技术研究，奠定制造依据由二维向三维转变的基础;第四，建立工艺数据库和加工数据库，解决工艺和程序问题;最后以船用柴油机典型零件汽缸盖、连杆等为代表，开展平台应用验证研究，解决可用性和稳定性问题。

2 基于NXOpen的实现

目前主流的三维建模软件均提供了三维标注支持。本文在NX平台上，采用NX Open二次开发的方式，实现全三维数字化定义基础上的船用柴油机典型零件的制造技术研究。

2.1 三维标注中的Pmi信息

NX中的PMI制造信息可以分为尺寸Dimension、辅助绘图DraftingAid、区域剖Region、和属性PMI Attribute等。尺寸可以分为角度尺寸和长度尺寸等。尺寸具有上下公差，同时还可以包含各种附加文字。绘图辅助包含中心线、目标点及焊接符号等。区域剖线起到类似于二维制图中的剖视图的作用。PMI属性包含内容较多，常见的有粗糙度、企业标识、材质信息等等。对于前述装配体中的PMI信息管理，可以采用pmi filter方法，以控制PMI信息在装配层次关系中的显示，方便数据管理。

编程以面向对象和基于模板STL方式为主，以尺寸为例，代码示例如下:

2.2 工作流程

基于全三维数字化定义的船用柴油机典型零件制造的工作流程如图5所示。用户首先在NX建模环境下建立柴油机零件的三维模型，并将其转换为面向工艺设计的零件模型。基于转换后的零件特征模型，进行零件制造信息的标注。在标注时，依据规范，根据零件的特征类别，自动标注出简单的信息。诸如尺寸、公差、形位公差和粗糙度可以人机交互进行。一些工序相关的流程配置如加工参数，需要读取相应的数据库。

PMI信息全部标注好之后，即可以进入后续制造单元模块，进行PMI信息的识别和使用。如图6所示。

3 结语

柴油机零部件制造采用全三维数字化产品定义技术，可以实现制造依据由二维向三维转变，统一数据源，提高信息传递效率，提升信息流通准确性，提高快速响应水平。进而打通设计制造环节，提高并行协同能力，从而大幅提高设计变更的便捷性和准确性，提升研制能力。本文在船用柴油机零部件制造中采取全三维数字化定义作为唯一的制造数据表达，针对结构复杂性，提出采用基于特征和基于工序的方式安排三维标注和数据管理，对零件的机械加工有较好的效果，但未在其他广义加工如铸造等方面进行研究，作为该技术在船舶制造的一次尝试，具有较好的应用前景。未来可以在自动化标注，制造信息完备性检查等方面继续开展研究。

［1］田承根，朱天文，刘新宇.全三维技术在飞机设计中的应用［J］.航空制造技术，2011(22):57－59，97.

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［3］刘闯，王俊彪，卢元杰，等.面向工艺链的零件制造模型框架研究［J］.计算机集成制造系统，2009，15(6):1070－1074，1139.

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［11］张胜文，丁玉玲，王贵成，等.基于特征相似性的船用柴油机关键件CAD/CAPP/CAM集成技术［J］.计算机集成制造系统，2012(2):97－100.

［12］万能，苟园捷，莫蓉.机械加工MBD毛坯模型的特征识别设计方法［J］.计算机辅助设计与图形学学报，2012，24(8):1099－1107.