发动机数字化设计三维标注的几个关键技术

    为了满足“快速设计、快速生产”的市场要求，运用三维标注方法，将几何信息和非几何信息通过产品三维模型由设计过程传递至生产加工过程，打通设计、工艺和制造的三维数据链，是各个企业迫切的技术需求。波音公司和空客公司一直是数字化技术的推动者和领跑者。2005年，波音787首次应用基于模型的定义（Model Based Definition，MBD）技术，建立基于MBD的产品设计、工艺、制造、维护和交付的一体化工作模式，采用了准确、直观且经过定义的三维模型作为传递设计思想和生产依据的全数字化表达手段，实现飞机研制中的单一数据源、三维数据共享和真正的并行协同。在国内，ARJ21、C919等飞机研制也已普遍采用MBD技术，提升了航空行业的快速设计、精益制造及设计制造协同研制的整体能力和水平。车用动力数字化工程是兵器数字化工程的主要组成部分，我们以型号产品研制过程中的MBD模型为核心产品数据，实现基于MBD的发动机数字化定义、数字化设计、数字化仿真、数字化工艺和数字化制造，形成基于MBD的发动机设计制造一体化集成应用，不断地提升数字化设计制造能力。

    一、基于模型定义技术

    基于模型定义（MBD）是用一个集成的三维数字化实体模型主要元素来完整表达产品定义信息，详细规定了三维实体模型中产品定义尺寸、公差的标注规则和工艺信息的表达方法。

    MBD数据集是对一个产品对象的定义描述集合，能从几何形状、文字等多方面来完整地描述一个产品的特征和功能。在MBD中，数据集以三维模型为核心集成了完整的产品数字化定义信息，内容包含设计、工艺、制造和检验等各部门的信息，形成单一数据源。产品定义数据集的组成如图1所示。

    MBD模型包含为提供完整的产品定义所需的全部几何、属性和标注信息。其中设计模型就是具有尺寸标注的产品三维实体模型；标注是无需手工或外部处理即可见的尺寸、公差、注释、文本或符号；属性表达产品定义或产品模型特征所需的不可见的尺寸、公差、注释、文本或符号，但这些信息可查询得到。

    图1

    二、三维模型标注的基本原则

    三维标注是Pro/ENGINEER的一种尺寸、公差、粗糙度及文字注释等标注功能。它是在三维模型表面或剖面上直接进行尺寸标注，可以使所标注的尺寸值随三维模型尺寸实体的改变而自动更新，更加直观地表达设计意图，满足数字化设计的要求。三维图形尺寸标注需要参考工程CAD制图规则的轴测图标注或二维图形标注的正确完整清晰原则。

    （1）信息完整性原则。三维标注模型所包含的信息量应不少于工程图样所含信息量。三维模型包括完整的设计细节，使用尽可能少的视图、剖切、放大和标注，完整、清晰且准确地表达产品结构、各部分（构件）的形状和相互关系。

    （2）规范性原则。在Pro/ENGI NEER建模中，三维模型建立应按GB/T24734.4-2009等建模规范进行，保证三维模型尺寸完全正确。三维模型应由基本尺寸生成，三维模型的尺寸标注应为相关尺寸标注。要符合标准的规定，在三维模型标注中产生的模型视图、几何图形集和特征等要素，应具备唯一标识，并按照一致性的规则进行命名。

    （3）关联性（associativity）原则。关联性是数据元素间的关联关系。建立标注内容与几何要素、特征等的关联关系，满足定义的完整性、无歧义性。

    （4）面向用户的定义原则。提高标注模型的可读性，用户更易于理解。

    三、三维模型标注的功能及特点

    1. 信息的集成

    MBD模型的应用优势在于设计、工艺、制造属性以及管理信息的集成定义与管理。信息集成就是集成管理产品的总体方案设计、概念设计、详细设计、工艺计划工装夹模具设计与制造、零部件制造与装配质量检测等全周期的信息。MBD模型的几何信息是指为了表达设计意图，设计者采用参数化实体建模技术建立的零件模型；非几何信息是指以往分散在二维工程图中的产品制造信息。将产品三维标注信息采用同类组合、分层显示的方式，使得标注结构清晰、层次分明。

    2. 层

    层是CAD软件系统中提供的数据元素显示控制的一种功能。三维标注中层的作用是用来管理注释、修饰等显示状态。用户可根据需要屏蔽掉未定义在该层的其它数据信息，而只显示定义在本层或某个层范围的数据信息。在数字化产品定义中，可通过激活已定义的层所在的过滤器，方便地查寻所需数据信息，或在庞大的装配数据中只显示所关注的某部件的数据信息。

    在Pro/ENGINEER中，层通过具有唯一性和代表性的名称来识别层的内容。层名称使用数字加字母形式表示，以Z开头可以把层集中排在最后，方便管理及查看。

    层的定义应按照模型特征属性（包括模型的几何元素，如基准平面、轴、点、坐标系、曲线、曲面、文本注释、复制几何、符号和三维标注等）和模型类型进行分类管理。在Pro/ENGINEER中，层的特征属性定义是根据模型几何元素的类型进行分类。

    定制层是在模板中预先定义层规则的专用层，会自动放置定制的层内容，自动将相应特征添加到该层中，如放置缺省基准面的01层等；标准层是在模板中预先定义了层名称但未定制层规则的层，由设计人员根据设计需要将对应类型的特征属性手动放置到该层中，如层名称为surface的40层等。定制层和标准层用于零组件建模。应预留一定数量的预留层，设计人员可根据设计需求在模型中增加预留层。