三維標注技術發展概況

張寶源， 席 平

（北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191）

長久以來，二維工程圖作為產品設計和制造工藝信息傳遞的主要載體，在機械行業不可或缺。二維工程圖紙的別名“藍圖”成為了宏偉構想的代名詞，其重要地位可見一斑。但二維工程圖手工繪制耗時較長，修改不便，并且繪制頻繁出現的標準件等重復工作較多，這些嚴重制約了產品設計和制造的效率。

1991年，國家部委提出“甩圖板”口號，全國機械領域的研究所、企業和高校經過不懈努力，應用以AutoCAD為代表的二維CAD軟件，逐步實現了工程圖從手工繪制到計算機繪制的轉變。但產品的設計和制造信息仍局限于二維層面，不夠直觀。

隨著CAD三維造型技術的發展和應用，產品設計模式演變為先利用CAD軟件構建三維幾何模型，再由軟件自動完成投影、消隱生成二維工程圖，三維幾何模型與二維工程圖一起向下游設計環節傳遞。這種設計模式充分發揮了三維CAD系統的幾何表現能力，但由于沒有有效的制造工藝信息的三維表示方法，在產品加工過程中仍需要二維工程圖作為輔助。

1997年波音公司發起了三維標注技術及其標準化的研究，2003年形成美國國家標準ASME Y14.41－2003《數字化產品定義規程》。緊接著Dassault、UGS、PTC等公司分別在自己的CAD產品中實現了三維標注技術[1]。該技術的出現使得產品設計和制造過程最終擺脫二維工程圖的束縛成為了可能。

1 三維標注技術的意義

三維標注，從表現形式上看，就是將傳統二維工程圖紙中產品的尺寸、形位公差、粗糙度、基準、技術要求等信息利用CAD軟件標注在產品的三維模型空間中。如圖1所示。從本質和目的上看，就是將傳統二維工程圖紙中產品的制造工藝信息集成到三維模型中，以完成對產品的全面數字化定義。三維標注技術在機械產品設計和制造中的應用可以實現設計制造過程的三維化，以及基于主模型的設計制造一體化。

圖1 三維標注示例

1.1 設計制造過程三維化

人類認識世界和改造世界的過程大多是在三維空間中進行的。由于長久以來，缺乏有效的機械產品設計和制造工藝信息的三維表達方式，二維圖紙充當了全世界工程師的“語言”。產品設計制造必須經歷從三維投影到二維，再由工程人員在頭腦中根據畫法幾何、機械制圖等知識從多個二維視圖中重構出三維模型的過程。引入三維標注技術，使得無論是產品幾何設計信息，還是非幾何制造工藝信息都可以在三維模型空間上表達，從而省去二維工程圖，免去從三維到二維再從二維到三維的曲折，實現設計制造過程的三維化，直觀，明確。

1.2 基于主模型的設計制造一體化

在產品設計制造過程中，傳統的產品數據傳遞工具不僅包括三維CAD模型，還需要二維圖紙、工藝表等，并以它們作為工藝設計，工裝設計，零件制造，部件裝配和質量檢測等后續環節的依據。傳統的產品數據傳遞模式如圖2所示。這種模式存在著重復工作多，數據源的多元性難以保證數據的一致性，修改不便等問題。

波音公司提出三維標注技術的理念是MBD(Model based Definition)，即基于模型的定義[1-2]。三維標注不僅僅是將產品的制造工藝信息從二維工程圖搬到三維模型空間中，更重要的是將這些信息組織起來，集成到三維模型中，與三維CAD模型一起構成產品的主模型，以完成對產品的全面數字化定義。主模型作為幾何模型、分析模型、工藝模型、制造模型等的數據源頭，可以驅動后續的分析、工藝規劃、制造、裝配等環節，從而為真正實現設計制造的一體化提供了基礎和技術支持。理想的基于主模型的數據傳遞模式如圖3所示。

圖2 傳統的產品數據傳遞模式

圖3 理想的基于主模型的數據傳遞模式

一個典型應用是產品的制造模型驅動加工。集成了尺寸公差、形位公差、粗糙度等制造工藝信息的幾何模型構成制造模型。產品設計制造一體化系統讀入制造模型，獲取尺寸信息和制造工藝信息，并進行特征識別后，自動進行工藝規劃，并生成加工的數控NC代碼，最后控制數控機床完成產品的加工。

2 三維標注技術的原理及實現

目前主流的CAD軟件都實現了三維標注功能。例如：UG的PMI模塊，CATIA的Functional Tolerancing & Annotation模塊，Solidworks的Dimxpert模塊等。探究三維標注技術的實現原理，其一可以方便用戶更好的使用這一新功能；其二可以從較底層理解如何將制造工藝信息集成到產品的主模型中，方便產品設計者更好地利用主模型驅動設計制造中的各個環節；其三可以啟發相關研究人員在我國自主知識產權的 CAD軟件中引入三維標注功能，為實現設計制造一體化提供軟件支撐。

2.1 三維標注技術的原理

2.1.1 標注平面

從表現形式上看，只需要在三維模型空間中確定一個標注平面，三維標注就可以按照以往二維工程圖標注方法來實現。所以三維標注的實現方法就是：

（1）在三維模型空間中確定一個標注平面；

（2）選擇標注對象，并將標注對象投影到標注平面上；

（3）按照二維工程圖標注方法完成標注。

2.1.2 注釋信息的結構化

注釋信息的結構化，就是將三維標注信息按照一定層次結構與產品的三維模型聯系起來并且進行存儲，使得這些信息可被計算機檢索、管理。以往工程圖紙上的標注信息是散亂的，檢索和管理依靠人工進行，不可被計算機自動識別。沒有引入三維標注的CAD系統中，二維工程圖模塊仍然面向圖紙，標注信息僅在本模塊可檢索和管理，在分析、制造等其他模塊仍不可被使用。設計制造的一體化要求標注信息在產品全生命周期內的各個模型中均可見，因此需要實現注釋信息的結構化。

盧鵠等[1]對產品數字化定義信息（包括模型信息和注釋信息）的結構化方法進行了探討，認為根據CAD系統對應用對象控制方法的不同，可以采用基于特征樹的方法和基于層及層表過濾器的方法。

特征樹法，是指利用建模過程中對產品特征描述的不同，建立相應的特征樹，并通過選擇顯示的方式實現對產品信息分類顯示閱讀的一種方法。

層及層表過濾器法，是指在建模過程中將產品不同類別的信息分別建立在不同的層空間中，通過對層空間的關聯組合控制，實現對產品元素信息的分類。

目前在多數企業應用過程中，還是存在特征樹法和層及層表過濾法共同應用的情況。

2.1.3 注釋信息的形式化

注釋信息的形式化，就是將三維標注信息轉化為有一定邏輯，計算機可理解的形式，以方便計算機對信息進行解析，提取其中的關鍵元素，實現對分析、工藝規劃、制造等過程的驅動。

例如，使用 BNF范式表示水平尺寸、基準和形位公差等標注信息如下（僅表示關鍵信息，標注所在位置、線型、顏色等表現信息省略）：

2.2 三維標注技術的實現

UG NX 4.0及更高版本中新增PMI（產品制造信息）模塊，實現了三維標注的功能。帶三維標注的零件模型如圖1所示。

標注平面工具條，如圖4所示。可以方便地選擇三維標注所在的標注平面，可以在等軸測圖上完成大部分注釋信息的標注，并具有較美觀的布局。

圖4 標注平面工具條

UG/PMI三維標注以視圖為組織單元，每個裝配體或零件可以由多個包含標注的視圖來表達，由裝配體或零件模型可以索引到每一個與之相關的視圖，并可以由視圖索引到該視圖中的每一條注釋信息。這樣就構成了一個如圖5所示的樹狀結構，實現了注釋信息的結構化，可以對產品不同層級上的標注信息進行方便的檢索，并可以管理本視圖中的標注在其他視圖的可見性。

圖5 三維標注以視圖為組織單位的樹狀結構

UG/PMI中以圖形化的方式實現了尺寸、基準、粗糙度、形位公差等注釋信息的形式化表示。如圖6所示。

圖6 形式化輸入形位公差

此外UG/PMI還可以實現的功能有：

（1）創建剖視圖；

（2）將注釋信息與幾何特征相關聯；

（3）支持二維圖紙繼承相應視圖的 PMI三維標注等。

3 三維標注技術的推行

三維標注技術可以實現設計制造過程的三維化，以及基于主模型的設計制造一體化。但是，在生產實踐中推行這項技術，還可能在現有設計制造模式，三維標注的標準化，注釋信息的完備性及形式化等方面遇到阻礙。

3.1 現有設計制造模式

我國機械行業早已習慣了以二維圖紙和零件表作為主要數據傳遞工具，并以它們作為工藝設計，工裝設計，零件制造，部件裝配和質量檢驗等后續環節依據的設計制造模式。推行新的以主模型作為單一數據源，驅動后續的分析、工藝規劃、制造、裝配等環節的設計制造一體化模式，不僅僅意味著相關軟件，計算機設備的更新，更涉及到企業產品管理模式、所有員工工作方式乃至觀念的轉變。實際推行過程中必然會遇到各種各樣的困難。

解決思路：在新鋪開，并且提高設計制造一體化水平需求迫切的領域優先推廣，比如大飛機，大發動機項目。其他單位可以嘗試先在一些部門進行試點，用試驗結果說話，并總結成功經驗和失敗教訓，尋找到最適合自己單位的設計制造模式。

3.2 三維標注的標準化

為使三維標注成為工程師無障礙溝通的通用語言，我國已于2009年11月30日發布了國家標準《技術產品文件——數字化產品定義數據通則》（GB/T 24734-2009），對產品的三維標注方式進行規范。但對于飛機、航空發動機等自由曲線曲面特征較多的產品，其標注方式與普通機械產品有所不同。并且產品模型的標注信息是否符合國家標準，目前依賴人工檢查，尚無軟件工具保證。

解決思路：參考已有國家標準，并結合行業實際情況，制定適應于相關行業的數字化產品定義標準。開發產品模型三維標注標準化檢查工具，以減輕人工檢查的負擔。

3.3 注釋信息的完備性及形式化

三維標注技術通過注釋信息的結構化和形式化，成為了產品設計制造一體化信息傳遞的有效載體。但是，注釋信息的完備性和形式化還沒有做到盡善盡美。

注釋信息的完備性指的是注釋信息是否完全確定了產品的設計和制造工藝信息。幾何設計信息是否完備可以由幾何造型器查看是否欠約束來確定，而制造工藝信息是否完備很難由計算機自動判斷。比如一個零件的注釋信息中沒有明確指出應該鑄造加工還是切削加工，若計算機根據粗糙度信息也無法做出判斷，則后續工藝規劃、制造環節也將無所適從。

三維標注中的尺寸、基準、粗糙度、形位公差等注釋信息已經做到了形式化，可被計算機所理解。但技術要求等注釋信息并不是形式化信息。比如，常見于技術要求中的“未注倒圓角R0.2-R0.5”，若要讓這條注釋信息驅動加工環節，則必須先讓計算機理解這句話的語義，再查找哪些邊緣沒有倒圓角，還要根據某種原則決定究竟R取多少。

解決思路：繼續研究注釋信息完備性和形式化的方法，可以引入知識工程和專家系統方法，必要時加入人的交互。

4 結 論

三維標注技術借助標注平面將傳統二維工程圖中產品的尺寸、形位公差、粗糙度、基準、技術要求等信息標注在產品的三維模型空間中，為工程師擺脫百年來二維圖紙的束縛，在直觀的全三維空間中施展拳腳創造了可能。不僅如此，三維標注技術通過注釋信息的結構化和形式化，將傳統二維工程圖中產品的制造工藝信息集成到三維模型中，形成主模型，驅動產品的設計制造一體化。以三維標注技術為基礎的MBD理念及相關的 BDS-600系列標準，在波音公司研制B787客機中得到了很好的貫徹，已取得十分明顯的進展，并得到國際上的廣泛認同[2]。盡管目前在我國推行該項技術過程中，會遇到現有設計制造模式，三維標注的標準化等方面的阻礙，注釋信息的完備性及形式化還不完美，但它引領了產品設計制造一體化的趨勢，展現著良好的應用前景。

[1]盧 鵠, 韓 爽, 范玉青. 基于模型的數字化定義技術[J]. 航空制造技術, 2008, (3): 78-81.

[2]于 勇, 陶 劍, 范玉青. 大型飛機數字化設計制造技術應用綜述[J]. 航空制造技術, 2009, (11):56-60.

[3]劉軍強, 王劍斐, 馬新廠, 等. 三維零件圖尺寸的自動標注[J]. 西安工業大學學報, 2008, (6): 526-530.