基于NX的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及體系研究

陳小軍，蔡瑞環(huán)，陳 楊

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引 言

隨著三維設(shè)計(jì)工具在電子機(jī)械行業(yè)的普及，越來(lái)越多的企業(yè)借助于三維設(shè)計(jì)軟件開展產(chǎn)品研發(fā)工作，以產(chǎn)品三維模型作為單一數(shù)據(jù)源實(shí)現(xiàn)多學(xué)科的協(xié)同設(shè)計(jì)、仿真、制造和管理工作。產(chǎn)品三維模型的完整性、一致性和準(zhǔn)確性直接關(guān)系到產(chǎn)品研發(fā)工作的順利開展。機(jī)械產(chǎn)品三維建模國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)三維建模的原則、流程、標(biāo)注和數(shù)據(jù)管理等內(nèi)容作出了規(guī)定，用于指導(dǎo)三維數(shù)字模型的構(gòu)建、應(yīng)用及管理[1-2],但由于不同企業(yè)所用的三維設(shè)計(jì)工具不盡相同，設(shè)計(jì)人員對(duì)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的理解不同，三維建模國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)難以直接用于指導(dǎo)企業(yè)的研發(fā)生產(chǎn)工作。基于特定三維設(shè)計(jì)開發(fā)工具制定的企業(yè)三維設(shè)計(jì)規(guī)范可直接指導(dǎo)其內(nèi)部設(shè)計(jì)師開展設(shè)計(jì)工作，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)三維建模國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的落地實(shí)施，提高企業(yè)的數(shù)字化和標(biāo)準(zhǔn)化管理水平，保證產(chǎn)品數(shù)據(jù)的規(guī)范性和正確性，為產(chǎn)品協(xié)同開發(fā)工作的順利開展提供保障。

1 三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)境構(gòu)建

傳統(tǒng)的二維CAD設(shè)計(jì)對(duì)于設(shè)計(jì)環(huán)境要求不高。大多數(shù)情況下是用安裝有二維CAD設(shè)計(jì)軟件的計(jì)算機(jī)獨(dú)立完成設(shè)計(jì)工作，而三維設(shè)計(jì)的要求是實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)之間的協(xié)同設(shè)計(jì)，對(duì)于計(jì)算機(jī)配置和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)等都有著更高的要求，同時(shí)需要配置完善的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)支撐設(shè)計(jì)師完成設(shè)計(jì)工作,保證產(chǎn)品數(shù)據(jù)的完整性、唯一性和可追溯性。[3]

本文論述的數(shù)字化設(shè)計(jì)管理平臺(tái)總體框架示意如圖1所示，建立企業(yè)的三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)信息化管理平臺(tái)，構(gòu)建基于單一數(shù)據(jù)源的設(shè)計(jì)、制造、管理一體化研發(fā)體系，TeamCenter作為企業(yè)內(nèi)部產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理和協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，NX作為產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)軟件與平臺(tái)無(wú)縫集成，工藝采用TCM三維工藝集成二次開發(fā)。[4]

2 企業(yè)三維設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

為了提高設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)效率，企業(yè)推行產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)時(shí)，同時(shí)也是基于企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化管理的考慮，會(huì)使用大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，其中包括企業(yè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的工程圖模板、各類標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)、通用件/外購(gòu)件庫(kù)、材料庫(kù)和各類定制符號(hào)庫(kù)等。表1 為建立的三維設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。

表1 三維設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)

3 三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的建立

鑒于三維設(shè)計(jì)手段的多樣性，在模型建立時(shí)不同的人會(huì)有不同的方法，雖然從外觀上看是同一結(jié)果，但在布局及模型的發(fā)布和接收使用上會(huì)有較大差別，而且在后期的產(chǎn)品裝配、工程圖繪制和圖形標(biāo)注等方面也會(huì)有不同的處理方式。因此，針對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)各流程中各環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)制定是十分必要的。

本文中，基于NX的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范包含基于NX的三維建模規(guī)范、三維裝配規(guī)范、三維標(biāo)注規(guī)范和三維數(shù)字模型檢查規(guī)范4部分內(nèi)容。

3.1 基于NX的三維建模規(guī)范

基于NX的三維建模規(guī)范除規(guī)定三維建模的幾何要素、約束要素和工程要素等基本原則外，還應(yīng)包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、建模流程、環(huán)境設(shè)置以及企業(yè)產(chǎn)品特殊屬性賦予等要求。

3.1.1 三維建模環(huán)境設(shè)置

應(yīng)用NX建立產(chǎn)品三維模型時(shí)需要對(duì)NX軟件進(jìn)行環(huán)境設(shè)置，保證創(chuàng)建的三維模型能夠滿足建模的基本原則。三維建模的環(huán)境設(shè)置主要包括單位、精度、圖層、線型、顏色、文本字體、引用集、材料與質(zhì)量特性、屬性、坐標(biāo)系和視圖等內(nèi)容。二維工程圖的環(huán)境設(shè)置主要包括線寬、字體、制圖模板等內(nèi)容，通過(guò)二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)。

3.1.2 三維建模的基本流程

三維設(shè)計(jì)環(huán)境的搭建和完整的三維設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立給三維設(shè)計(jì)提供了良好的設(shè)計(jì)環(huán)境和基礎(chǔ)。但是，由于三維模型的建立可以有多種途徑和方法，例如倒角的形成可以在草圖中繪制再拉伸，也可以在生成模型后再修倒角，而最終從外觀上看到的是同一個(gè)結(jié)果，但對(duì)于后期的產(chǎn)品裝配、工程圖繪制和標(biāo)注會(huì)有較大的差別，所以針對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)各流程各環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)制定是十分必要的。

模型的建立主要考慮產(chǎn)品的布局、骨架、零件的特征化參數(shù)化設(shè)計(jì)、工程圖的投影和尺寸標(biāo)注等甚至產(chǎn)品數(shù)據(jù)錄入信息化系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)后的管理等，保證產(chǎn)品數(shù)據(jù)能夠完整快速的保存和發(fā)布。圖2所示為結(jié)合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)實(shí)際情況制定的基于NX的三維建模流程。

3.1.3 企業(yè)特殊屬性賦予

針對(duì)企業(yè)的產(chǎn)品特點(diǎn)，要在產(chǎn)品三維建模時(shí)對(duì)模型的個(gè)別屬性的設(shè)定做出了規(guī)定，如各種油漆表面或者材料顏色需要規(guī)定的對(duì)應(yīng)系統(tǒng)顏色I(xiàn)D等。

3.2 基于NX的三維裝配規(guī)范

3.2.1 三維裝配建模的設(shè)計(jì)方法和流程

裝配建模按產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的隸屬關(guān)系進(jìn)行。建模時(shí)首先建立裝配的基準(zhǔn)，然后導(dǎo)入或設(shè)計(jì)零部件，合理定位，并進(jìn)行干涉檢查等，最后完成裝配建模設(shè)計(jì)。

產(chǎn)品的裝配建模一般采用兩種模式[1]：自底向上設(shè)計(jì)模式和自頂向下設(shè)計(jì)模式。

(1) 自底向上設(shè)計(jì)模式，一般需要把所有底層零部件設(shè)計(jì)完成后才進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)，其順序是從底層向上逐級(jí)搭建產(chǎn)品模型。

(2) 自頂向下設(shè)計(jì)模式，先通過(guò)確定總體思路、設(shè)計(jì)總體布局、規(guī)劃裝配層級(jí)，建立控制結(jié)構(gòu)，然后在控制結(jié)構(gòu)中創(chuàng)建和編輯零部件，從而完成一個(gè)整體的設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的設(shè)計(jì)類型及其設(shè)計(jì)對(duì)象的技術(shù)特點(diǎn)，可分別選取適當(dāng)?shù)难b配建模設(shè)計(jì)模式：

標(biāo)準(zhǔn)件、外購(gòu)零部件、結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的產(chǎn)品以及數(shù)據(jù)庫(kù)中已存的系列產(chǎn)品零部件的改進(jìn)設(shè)計(jì)應(yīng)采用自底向上裝配建模方式。包含曲面信息或有裝配配合關(guān)系以及存在部件間關(guān)聯(lián)的零部件應(yīng)采用自頂向下的裝配建模方式，也可將兩種模式相結(jié)合來(lái)使用。例如，先創(chuàng)建幾個(gè)主要部件模型，再將其裝配在一起，然后在裝配環(huán)境中詳細(xì)設(shè)計(jì)其他零部件。

3.2.2 三維裝配建模的詳細(xì)規(guī)定

三維裝配建模的詳細(xì)規(guī)定對(duì)裝配文件命名、結(jié)構(gòu)樹管理、特殊裝配零組件(如彈簧、墊圈等)和裝配約束的使用等做出了規(guī)定，企業(yè)產(chǎn)品特點(diǎn)不同詳細(xì)規(guī)定的內(nèi)容也存在差異。圖3為鍵聯(lián)接的約束選擇示意(采用基準(zhǔn)面貼合約束)。

3.3 基于NX的三維標(biāo)注規(guī)范

完整的產(chǎn)品定義由精確幾何實(shí)體、相關(guān)三維幾何、三維標(biāo)注及屬性構(gòu)成。在進(jìn)行三維工藝設(shè)計(jì)和基于MBD的全三維設(shè)計(jì)時(shí)，產(chǎn)品三維模型將作為單一數(shù)據(jù)源表達(dá)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)信息，而模型的三維標(biāo)注將成為其中最為重要的組成部分。規(guī)范化的三維標(biāo)注信息能夠合理全面地表達(dá)產(chǎn)品加工信息，同時(shí)也便于模型的管理和傳遞。

對(duì)三維標(biāo)注的視圖組織、基準(zhǔn)、形位公差、表面粗糙度、焊接、注釋等制定具體要求，同時(shí)對(duì)文字、箭頭、投影、局部放大設(shè)置、剖切線、文本尺寸公差環(huán)境設(shè)置制定統(tǒng)一的要求。其他如限定區(qū)域應(yīng)與其應(yīng)用的模型表面一致，并采用輔助幾何、顏色等與設(shè)計(jì)模型幾何明顯區(qū)分,如圖4所示。

3.4 基于NX的三維數(shù)字模型檢查規(guī)范

3.4.1 模型檢查的基本內(nèi)容

模型檢查主要包括以下內(nèi)容：

(1) 模型中幾何信息的完整性、正確性和可更新性；

(2) 工程屬性信息描述的完整性(包括零件的材料、技術(shù)要求和互換性等)；

(3) 三維模型與其投影生成二維工程圖的信息應(yīng)一致、無(wú)歧義。

3.4.2 模型檢查的方法和基本步驟

模型檢查的方法主要包括裝配檢查、工程圖檢查、(零件)模型檢查、PMI檢查和草圖檢查，其基本步驟如下：

(1) 使用模型程序進(jìn)行模型檢查；

(2) 使用交互方式按要求選擇模型檢查方法對(duì)模型進(jìn)行檢查；

(3) 根據(jù)需要，進(jìn)行其他特殊的模型檢查；

(4) 輸出檢查報(bào)告。

模型檢查通常應(yīng)在數(shù)據(jù)交換或數(shù)據(jù)發(fā)放之前完成，在NX上使用交互方式逐條進(jìn)行檢查，檢查完成后生成檢查報(bào)告。

4 業(yè)務(wù)流程標(biāo)準(zhǔn)化

企業(yè)根據(jù)自己的實(shí)際需要建立標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)傳遞和工作流程，將企業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中形成的規(guī)范以模板的形式固化在軟件內(nèi)部。TeamCenter在統(tǒng)一的服務(wù)器中通過(guò)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。建立標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)使得產(chǎn)品數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中能夠準(zhǔn)確、完整并且高效地表達(dá)和傳輸。應(yīng)用TeamCenter系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息化模式下的標(biāo)準(zhǔn)化管理，解決傳統(tǒng)模式下標(biāo)準(zhǔn)化管理存在的各種弊端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理標(biāo)準(zhǔn)化和工作流程標(biāo)準(zhǔn)化，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。圖5為產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化流程示意。

5 結(jié)束語(yǔ)

企業(yè)在推進(jìn)三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的同時(shí)還應(yīng)完善三維設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系，進(jìn)行三維數(shù)據(jù)管理和流程管理，保證產(chǎn)品數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)管理平臺(tái)傳遞和使用時(shí)的統(tǒng)一性和正確性等,指導(dǎo)規(guī)范化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，便于標(biāo)準(zhǔn)化管理和信息化管理。三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的制定使用可以提高企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化程度，更好地適應(yīng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、通用化的三化設(shè)計(jì)要求，同時(shí)保證三維數(shù)字化模型作為單一數(shù)據(jù)源傳遞產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息，可以提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率，滿足協(xié)同設(shè)計(jì)對(duì)三維模型的要求，為三維工藝設(shè)計(jì)以及基于MBD的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和智慧化工廠的實(shí)現(xiàn)奠定良好基礎(chǔ)。