MBD环境下机械产品数据组织方法研究

，

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥230088)

MBD环境下机械产品数据组织方法研究

程五四，张红旗

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥230088)

MBD技术克服了传统研制模式带来的弊端，但在其应用过程中，由于定义的数据复杂繁多，缺乏合理有效的数据组织、存储以及快速方便获取的手段。针对MBD环境下机械产品数据的组织难题，分析了定义数据的类别和表达形式，提出了结构树、图层、视图和层表等多种数据组织手段，并给出了不同类型数据的组织要求。

MBD；数据组织；标注集

0 引言

MBD技术是指用集成的三维模型来完整表达产品定义信息的方法。即将原来定义在二维图纸上的几何形状信息、尺寸与公差以及工艺信息等产品信息，集成定义在三维实体模型中[1]。目前，GB/T 24734《技术产品文件 数字化产品定义数据通则》11个部分从标准的层面对产品数字化定义过程进行了规范，很多商业化软件都带有三维标注模块，越来越多的企业也尝试使用此模块对产品定义信息进行三维标注，但是，很多企业还是需要生成二维工程图，无法直接使用带有三维标注信息的模型，究其原因，数字化产品定义数据多而繁杂，在基于三维模型的数字化产品定义过程中，若不对产品定义数据三维标注进行组织管理，将各种信息的三维标注全部显示在数字化产品定义模型上，将造成使用者无法快速准确地获取所需信息,即所谓的“刺猬”现象。研究以三维模型为核心的数据组织、信息表达及传递方式，建立一套严谨、规范的数字化定义体系，并以此搭建适应MBD技术的数字化管理平台是MBD数据集数字化定义工作中的关键[2]。

波音公司在新一代战神航天运载工具和C130的航空电子升级中，采用MBD技术，缩短装配工期57%。鉴于国外先进航空企业采用MBD 技术后取得巨大成功，国内企业也逐渐开展了该技术的研究，中国电子科技集团公司第三十八研究所提出了基于MBD技术的全三维工艺设计研究，已经实现基于MBD的雷达结构数字化工艺数据传递流程，在数据的组织管理研究也正在开展。针对机械产品定义数据的“多、杂、乱”问题，通过结构树、图层等数据组织方法，实现数据分类管理、组合管理和全局管理，旨在解决MBD环境下机械产品数字化产品定义技术工程化应用难题。

1 数据组织原则

基于MBD的机械产品数据一般通过几何、属性、三维标注和视图等方式来表达，通过三维标注来表达的数据形成了“标注集”，即指通过三维标注方式表达数字化产品定义信息的数据集合。

数据的组织应遵循集成性、独立性、完备性和延展性原则。集成性原则指数据组织具有获取关联数据元素的能力，如工艺数据与设计数据的关联；独立性原则指应保证数据的结构化组织和管理，实现不同阶段和类型的数据之间的解析和传递；完备性原则指应保证数据的完整，不应遗漏；延展性原则指应具有数据的补充、修改和更新的能力。

2 数据组织要求

2.1 双向关联查询

与关联数据之间能够实现双向关联查询，并采用高亮区别显示。

2.2 显示或隐藏可控

构建图层，定义图层内容，控制图层的显示状态，以便对该图层中数据的显隐状态进行控制。

2.3 用户自定义筛选

用户根据筛选条件，如几何特征、视图、图层、层表和设计信息(尺寸、公差、表面结构及BOM等)、工艺信息(基准、定位)、管理信息(设计师、时间、批次和图号等)和颜色等，实现信息的筛选、过滤和查询。

2.4 组织视图存储

支持用户对不同视角方向模型视图的组织存储和快照。

2.5 关联组合控制

支持层与视图的关联组合控制，对于特定视角方向的视图只显示有效的层内容，忽略其他层内容。

3 数据组织手段

3.1 结构树

根据数据集类型的不同，可以分为设计数据、仿真数据、工艺数据和制造数据等结构树。一般包括几何模型、三维标注信息、视图信息、属性信息、管理数据以及保护性标记等，但不同类型数据的结构树包含的信息也不同，如工艺数据结构树，一般以工艺规程为主体，将分布于工艺对象、工序对象和工步对象下的工艺要素按照数据类型进行归纳整理。对电子装备基于模型定义数据的全局搜索管理，并对数据分区，如模型区、标注集区、视图集区、属性说明区、管理数据区、以及保护性标记区等。

3.2 视图

通过视图来表达的MBD数据，形成了包含数字化产品定义三维标注信息视图的集合，视图的结构一般包括视图名称、视图方向、视图说明、简化表示、层状态和截面等。基于模型的三维标注是利用标注平面来放置的，三维标注的最佳观察方向与标注平面的定义方向有关，三维标注视图管理是对标注平面的管理。在构建视图时，应选择有利于模型及其标注表达的视图。对于内部结构比较复杂的需要剖面视图来表示。对标注信息的有机组织和管理是通过组合视图的功能来实现的，即在三维模型空间中构建如同二维的各个视图，在每个视图中添加属于该视图的标准内容[3]。

3.3 图层

对多样化的数据实施纳入各图层的数据组织方法，一般包括图层名称、ID、内容和说明等结构。将机械产品数据分为尺寸、几何公差、基准、表面精度、文本、剖面和辅助几何等。对于有子类的信息，应进一步组织管理，如几何公差类可再分为形位公差、方向公差、轮廓度公差、位置公差类和跳动公差等。针对这些分类信息分别构建图层，并进行图层定义，通过过滤器控制图层显示状态，达到有条理地显示数据的目的。

3.4 层表

通过层表对图层进行管理，实现图层的快速搜索。层表一般包括层号、标题和内容。层表管理的粒度是设计、工艺、质量和制图等分类信息，通过建立相关层的层表过滤器，使数据筛选时通过一次操作即可获得所有相关的信息。

3.5 成组

数据的成组一般包括物理成组和逻辑成组[4]，物理成组指信息在空间位置上的组合，如将要创建的标注附属到一个存在的标注上，或者将多个标注聚集成一个组合，工艺信息框格与其他信息的三维标注成组示例[5]如图1所示。逻辑成组指为了快速查找和方便传递，将完整表达某一对象的基于模型定义信息进行组合。如特定对象的逻辑参照关系。

图1 数据成组

3.6 结构化列表

对于数据中的属性信息，可通过结构化列表来表达和显示，结构化列表一般包括变量名称、类型、关联对象、变量值和状态等内容，如位置公差属性列表，包括公差名称、公差类型、被测对象的几何类型及编码、公差值和基准代号，基准对象的几何类型及编码。基于模型定义的属性信息，一般采用变量来表达。对特定信息进行属性搜索，构建结构化列表，对信息进行显性表达，如明细表、BOM信息，悬浮于屏幕的明细表如图2所示。

图2 悬浮于屏幕的明细表

4 数据组织方法

4.1 设计数据

以产品构型信息或者装配结构层次构建结构树节点，包括外部参照、特征、平面、坐标及骨架模型，零件模型和标注集等；以三维设计模型体现几何信息，包括产品几何信息与辅助几何信息；在三维空间中，以三维标注与三维模型的几何元素相关联来表达尺寸信息，包含几何尺寸、公差及表面质量要求等；三维标注按照视图及图层进行组织管理，并按照对应几何特征的三维标注在视图和图层中的可视程度进行划分；以附属于三维设计模型的参数变量来表达属性信息，包括产品材料、数量和技术标准等，设计数据三维标注如图3所示。

图3 设计数据三维标注

4.2 仿真数据

仿真数据包括仿真设计模型及有限元分析模型，仿真设计模型宜采用三维标注的形式表达载荷信息、约束信息等，材料信息通过属性的方式表达。有限元分析模型宜能够获取仿真设计模型中的外部作用力和压力、位移载荷、重力及温度载荷、随机风荷等信息。有限元分析结果数据一般采用变形动画、等值线、云图(位移云图、应力云图等)和最大位移等可视化手段进行组织和显示。

4.3 工艺数据

工艺数据包括工艺模型及工艺信息，并以工艺模型树及工艺规程树进行管理，工艺模型树包括构型特征、装配零件模型和标注集等；工艺规程树包括工艺、工序、工步、关联的特征、关联的标注集、关联的模型、设备资源和工装夹具等；工艺模型应包括表达整个工艺过程的工艺、工序和工步对象的特征、模型和标注，且能够派生出表达整个工艺过程的二维工程图或者工序/工步模型。工艺信息应按照类别采用三维标注和属性参数等形式与工艺模型关联表达，如工艺尺寸、基准、表面结构要求和机加工艺信息框格等三维标注以及产品名称、图号、材料和重量等属性信息。应对典型工艺数据按照合适的组织形式进行结构化管理，以便实现快速解析借用。

4.4 检验数据

以检验过程中各要素构建检验规程树，包括检验工序、工步、检验对象(关联的检验几何特征或模型)、检验项目、检验方法、检验要求和检验工量具等；检验模型由工艺模型派生而来，添加检验信息，并根据检验项目类别的不同采用不同的表达形式，如检验尺寸、精度、表面质量等信息采用三维标注；检验几何模型在PDM中进行版本管理。应对其进行结构化组织和管理，支撑数字化检验设备对检验信息的解析和提取。

4.5 维修数据

以维修方案和维修对象进行采用合适的组织方式进行组织和构建，在面向维修的交互式电子技术手册(IETM)设计过程中能够继承相应的维修信息，如虚拟人维修、零件的装配/拆卸等维修操作，通过动画的形式组织。

5 标注集的显示

5.1 视图方向自动更新可选择

对于文字类、尺寸类和符号类三维标注，在当前视图方向，正面显示。当视图方向旋转180°后，显示为三维标注的背面，不利读信息。要求视图方向更改后，用户决定三维标注是否自动更新显示方向。

5.2 排列方式可调整

应能够对全局三维标注进行显示整理和位置的排列，在同一标注平面上，提供多种排列方式如左对齐，居中对齐、右对齐和纵向间距分布等。

5.3 样式属性可拷贝

根据相关标准要求，同类信息的属性样式要统一，如字体大小、字体类型等，具有属性样式批量设置，以及拷贝目标格式的功能。

5.4 内容方向可变更

三维标注中存在一部分文本和尺寸类信息，其显示有方向性，应当具有快速变更文本或者尺寸方向的功能，而无需重新定义标注平面和标注方向。

5.5 阴影显示可实现

在不可避免情况下被模型部分遮挡时，应当能够实现三维标注阴影显示。即在既定方向下，被模型部分遮挡的三维标注的尺寸线、尺寸界线、尺寸文本、指引线等应当用区别于三维标注本身的颜色显示，如灰色显示，而不应不可见。但三维标注被模型完全遮挡时，不宜采用三维标注阴影显示，建议更换视图方向或者移动三维标注位置。

5.6 位置网格可定位

放置标注时，在标注平面上显示网格，方便对标注位置进行准确定位，如尺寸标注时，尺寸文本无法自动放置尺寸线的中间位置。

6 结束语

随着MBD技术的深入应用，如何利用三维模型对产品进行数字化定义，已成为热点研究问题。现阶段，对产品定义数据没有有效的组织方法，缺乏统一的显示规则，已成为基于三维模型的产品数字化定义技术应用及发展的瓶颈。通过梳理MBD环境下机械产品数据的组织原则、要求、手段和方法，为商业软件的开发提供了指导，也为MBD技术的深入应用提供了基础支撑。

[1] 冯国成,梁艳,于勇，等.基于模型定义的数据组织与系统实现[J].航空制造技术,2011(9):62-66.

[2] 任启振,葛建兵了,陈才.MBD数据集的数字化定义[J].航空科学技术,2012,(5):63-65.

[3] 程五四,陈帝江,张红旗.MBD技术标准化及应用研究[J].CAD/CAM与制造业信息化,2013,(9):14-16.

[4] 机械加工工艺信息三维标注规范(报批稿)[S].全国技术产品文件标准化委员会.

[5] 程五四,陈兴玉,张祥祥,等.面向三维工艺的产品设计制造信息三维标注研究[J].中国制造业信息化,2012,(9):51-55.

Research on the Data Organization Method for Mechanical Products Under MBD Environment

CHENGWusi,ZHANGHongqi

(China Electronics Techology Group Gorporation No.38 Research Institute,Hefei 230088,China)

The abuses of traditional developing pattern have overcome by MBD,but in MBD application, the measures of data organizing, saving and obtains have lacked because of great variety of data.To resolve the difficulties of data organization under MBD environment, data classes and expression forms have discussed，many data organization approach have given including structure tree，layer，views，layer list and so on. Finally, requirements of various data organization have provided.

model based definition;data organization;annotations sets

2014-08-07

国防基础科研重大项目(A1120131044)；国家科技支撑计划资助项目(2012BAF12B03)；国防技术基础计划资助项目(Z312012B001;B3120131100)

TP391;TN95

A

1001-2257(2014)11-0030-04

程五四男，(1985-)，安徽桐城人，硕士，助理工程师，研究方向为数字化设计与制造、数字化工厂。