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三维CAD支持MBD设计模式的几个关键技术
时间:2018-11-07 来源:PLM之神
 

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MBD(Model Based Definition)是指用集成的三维模型完整地表达产品定义信息,将设计、制造、检验信息共同定义到产品的三维数字化模型,使三维模型成为产品生命周期各阶段信息的唯一载体,不再需要将三维模型转换为二维工程图,避免了大量重复劳动,不仅提高了产品设计效率,更重要的是保证了产品数据源的唯一性。


MBD技术及实施最早由波音公司提出,于2003年被美国ASME批准为机械产品工程模型的定义标准,标准号为ASME Y14.41[2];2006年ISO组织借鉴ASME Y14.41标准制定了ISO16792标准;我国在参考ISO16792标准的基础上,于2009年11月30日发布了国家标准《技术产品文件——数字化产品定义数据通则》(GB/T 24734-2009),规范了国内企业的MBD技术的应用。


12Bet目前主流的三维CAD系统都具备了三维标注的模块,支持MBD部分功能,如UG NX的PMI模块,CATIA的Functional Annotation & Tolerance 模块,SolidEdge的PMI模块,Solidworks的DIMxpert模块,PTC、SpaceClaim都在造型模块中增加了三维标注功能。然而,要实现全面支持MBD,三维CAD软件及标准还有一些关键的技术及问题有待研究。


机加工艺三维表达关键技术
机加工工艺三维表达方案
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12Bet目前,国内外还没有机加工艺信息的三维表达规范和标准,因此需要根据实际需要,在三维CAD软件现有三维标注功能基础上,设计机加工艺信息表达方案。

12Bet目前,机加工艺设计的结果文件主要是工艺过程卡、工艺卡和工序卡。3种卡片所记载的信息各不相同,但结构相似,中间区域或详或简地记录工序或工步信息,卡片上部区域主要记录工艺或工序中共有的信息,卡片下部区域是变更、审核和签字信息。


新标准定义的工艺信息框格,能够针对过程卡、工艺卡、工序卡对工艺信息要求不同详细程度的情况进行调整,能够充分表达机加工艺。三维CAD需要在指引线注释功能的基础上,开发框格及相应的图形符号库,支持新的表达规范。

基于模型定义的工艺信息结构
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12Bet要支持基于三维模型的工艺信息表达,需要建立产品基于MBD的工艺信息模型。目前已经有一些文献研究了MBD技术下的零部件制造模型,但目前主流的三维CAD在MBD技术下的模型构成方面还没有成熟的解决方案。

12Bet为满足机加工产品的工艺信息表达,CAD系统需要满足:(1)能管理零件、毛坯、工序模型等不同阶段的多个三维模型;(2)能保持毛坯模型、工序模型、零件模型之间的双向相关关系,当某个模型变更时,其前驱和后续的模型也应相应修改;(3)提供不同阶段的各类标注符号,除粗糙度、尺寸公差、形位公差外,还需要定位符号、夹紧符号、新标准中的加工方法符号、刀具符号、工序及工步描述中客户自定义的各类技术要求符号等。

零件、工序、毛坯模型的相关性
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MBD模式下机加工产品的三维数模包括:毛坯模型、工序模型和零件模型。模型创建次序包括正向创建法和逆向创建法。

虽然用户看到的是多个不同模型,但为保证数据源的唯一性,上述模型必须是相关的,CAD系统应该只维护一套模型数据,并建立不同模型间复杂的几何相关性。因此,CAD系统必须建立造型特征抑制、隐藏、压缩、配置等功能。


此外,除工艺阶段需要毛坯、工序及产品的设计结果模型外,在产品检验阶段还需要根据实测值创建实测模型,或根据某些规则在保证合格条件下建立其他极限模型等。虽然这些模型不需要在造型特征层与设计模型建立相关性,但与模型外表面的相关性也是需要的。另外,各种模型的变更,也需要依据内在模型间的相关性,按依赖关系依次变更。


MBD模型的多视图管理技术


在产品三维数模上标注了众多PMI后,为避免出现刺猬状的凌乱视图,CAD系统需要创建各类不同的视图,分别表达不同阶段、不同角色的查阅需求。目前,主流CAD系统已经提供了可以借鉴的视图管理方案。


12Bet几何模型集包括毛坯、工序、零件等各种模型,视点集包括6个基本视点、2个轴测视点、以及用户自定义的视点,标注和注释集是用户标注的各种PMI项及属性项,截面集包括剖切三维模型的各种截面。


标注及注释信息形式化面临的问题


注释信息的形式化,就是将三维标注信息转化为有一定逻辑,计算机可理解的形式,以方便计算机对信息进行解析,提取其中的关键元素,实现对分析、工艺规划、制造等过程的驱动。虽然,目前尺寸及公差、基准、表面粗糙度、形位公差已经做到了结构化、形式化,但仍然面临一些问题。

关联到几何要素的标注项/注释项
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12Bet不同工程师理解标注时,通常不会出现歧义,但计算机可能理解为点到点、点到线、点到面、线到线、线到面、面到面等多种可能,原因是计算机只能按照用户选定的尺寸界线元素进行理解。因此,为实现标注的形式化,CAD系统必须区分“标注几何”和“标注定位几何”。“标注几何”应该是最能代表标注意图的几何要素,图7应该是模型的顶面和底面,而不是线或点。而“标注定位几何”表明尺寸界线从哪里引出,应该是某个具体点、边上点或虚交点(如圆柱轴线与端面交点。)

 统一技术要求的形式化
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在二维零件图中,通常还会有一些如下技术要求:“未注尺寸允许偏差±0.05”、“未注圆角R3-R5”、“未注倒角2×45°”、“未注尺寸公差的偏差均按H级”、“未注拔模斜度1°~2.5°”、“未注表面粗糙度”等。此类标注的特点是:都与三维数模上多个几何要素相关,而利用现有的各CAD系统,这种一对多的相关性都还不能很好地表达。

要使计算机理解哪些几何要素要满足这些技术要求,就必须显式的表达技术要求与几何要素间的相关性,即建立标注与几何要素间的关联。在CAD系统中需要将此类技术要求定义为特定标注项,通过提供几何要素列表,建立相关性。此类技术要求类型很多,CAD系统难以完全定义,因此,必须设计为用户自定制方式。

文字可阅读性
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12Bet按照ASME Y14.41以及GB/T 24734-2009在3.1.2和5.4中的规定“所有的标注都应在一个或多个标注面上给出详细说明,并始终保持标注面相对模型的定向关系”。因此,在保持定向关系条件下旋转模型时,标注平面也将随模型转动,其上的文字将出现上下或前后颠倒的情况。在标准GB/T 24734.5-2009中5.4规定了3种解决方法:(1)模型旋转后,标注面的阅读方向也能相应更新;(2)在模型的每个标注面上应确定正确的阅读方向;(3)保存视图时,应能确保模型朝向符合设定的视图方向。


结束语


本文提出了一种机加工产品工艺信息基于三维模型的表达方案,并设计了机加工产品MBD模型结构和多视图管理方法,为机加工产品MBD体系下的工艺信息表达提供了较完整的方案;根据毛坯、工序、零件模型间相关性,分析了工序模型的正向和逆向创建方法,并提出了模型修改方式,为CAD系统建立工序、毛坯、零件模型间的相关性提供了思路;分析了标注内容形式化目前面临的2个问题,并提出了可行的解决方法,为MBD模型的计算机理解提供了方法。最后提出的一种实现文字动态可阅读性的技术方法,对三维CAD系统的开发有借鉴意义。



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