隨著航空、航天及兵器等復(fù)雜產(chǎn)品朝著小型化、輕量化、精密化和光機(jī)電一體化方向發(fā)展，裝配精度和可靠性的要求越來越高。現(xiàn)有虛擬裝配系統(tǒng)的研究都是將CAD系統(tǒng)的幾何模型和裝配模型輸入到虛擬裝配系統(tǒng)，其研究對(duì)象大都是基于公稱尺寸和理想形狀的零部件模型，并沒有包含重要的公差信息，而產(chǎn)品的總功能、性能是經(jīng)過各層次裝配后形成的。這種理想的情況導(dǎo)致人們?cè)诶糜?jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、裝配等工作時(shí)，不能較好地預(yù)測(cè)產(chǎn)品可能的精度，從而導(dǎo)致在實(shí)際裝配時(shí)出現(xiàn)裝配誤差過大甚至無法裝配的問題。所以，裝配精度的預(yù)測(cè)和控制儼然成為產(chǎn)品制造過程的“瓶頸”。

　　因此，近年來人們借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)的發(fā)展和支持，在CAD/CAM/CAE等工具的支撐下，開始了產(chǎn)品裝配精度分析領(lǐng)域的研究和探索，力求在設(shè)計(jì)階段考慮實(shí)際的公差，盡早地預(yù)測(cè)產(chǎn)品可能的裝配精度，并指導(dǎo)相關(guān)的精度設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品裝配精度預(yù)分析，進(jìn)行三維公差建模技術(shù)研究，通過公差帶來表現(xiàn)公差的語義信息。本文以Pro/ENGINEER為平臺(tái)，在設(shè)計(jì)階段對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行公差建模，最終實(shí)現(xiàn)公差信息的可視化，直觀地反映公差對(duì)裝配、工藝以及產(chǎn)品質(zhì)量的影響。

　　一、Pro/ENGINEER在構(gòu)建公差模型方面存在的問題

　　Pro/ENGINEER是先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、制造(CAM)和分析(CAE)軟件，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、建筑及航空等工業(yè)領(lǐng)域，利用Pro/ENGINEER的強(qiáng)大功能可以輕松完成絕大多數(shù)機(jī)械類設(shè)計(jì)、制造和分析任務(wù)。但是目前Pro/ENGINEER在構(gòu)建三維公差模型方面還存在以下不足。

　　公差模型僅具有公差數(shù)值的標(biāo)注功能，對(duì)其所表示的公差信息未做出任何語義的解釋，公差僅為一種符號(hào)。

　　從零件建模到裝配建模，以及后續(xù)的產(chǎn)品性能分析等均使用具有公稱尺寸的理想模型，這種情況不符合實(shí)際，誤差較大。

　　公差信息是不可見、不可感知的。缺乏將公差建模技術(shù)同公差語義信息集成顯示在三維模型上。

　　因此，如何在計(jì)算機(jī)環(huán)境中模擬帶公差的產(chǎn)品模型，如何利用這些真實(shí)零件的“模擬模型”來進(jìn)行產(chǎn)品的裝配、加工仿真，還需要深入研究。基于上述分析，從公差語義的角度出發(fā)，研究三維公差信息建模技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)在三維計(jì)算機(jī)環(huán)境中，模擬帶公差的產(chǎn)品模型進(jìn)行產(chǎn)品的裝配、加工仿真，以實(shí)現(xiàn)裝配精度和質(zhì)量預(yù)分析。

　　二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　要解決目前三維軟件僅具有公差標(biāo)注的局限性，較好地表達(dá)公差的語義信息，本文在Pro/ENGINEER環(huán)境下實(shí)現(xiàn)三維公差建模，開發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

　　為了實(shí)現(xiàn)尺寸公差標(biāo)準(zhǔn)與要求的查詢及獲取，需將國(guó)家公差的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。采用Oracle數(shù)據(jù)庫作為底層數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行各種公差標(biāo)準(zhǔn)信息的存儲(chǔ)。

　　對(duì)于有標(biāo)準(zhǔn)要求的尺寸公差，尺寸公差數(shù)據(jù)庫單獨(dú)設(shè)計(jì)為三個(gè)基本表：標(biāo)準(zhǔn)公差表bz、基本偏差值表pc和偏差修正表xz。其中標(biāo)準(zhǔn)公差只要確定基本尺寸和公差等級(jí)就,可以查找出對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)公差;基本偏差查詢時(shí)，通過基本尺寸、公差等級(jí)和基本偏差進(jìn)行數(shù)據(jù)庫指針定位，判斷補(bǔ)充字段的值，決定偏差值是否需要修正并獲得基本數(shù)值偏差;偏差修正由基本尺寸、公差等級(jí)來確定對(duì)應(yīng)偏差修正值。

　　在Pro/ENGINEER中，通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫中公差標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)信息，完成用戶界面操作和公差建模，最終實(shí)現(xiàn)公差帶的加載，顯示公差語義信息。

　　三、基于語義的三維公差建模

　　1.公差信息的表示

　　公差信息的表示是指在計(jì)算機(jī)中對(duì)某一實(shí)體模型或特征模型進(jìn)行準(zhǔn)確無誤的公差表述。公差的表示模型不僅要能夠支持公差數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，而且更要對(duì)公差的語義進(jìn)行支持。通過建模，公差信息能夠在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期中被使用，其相應(yīng)的操作也能順利進(jìn)行。

　　公差表示是公差分析、綜合等后繼工作的基礎(chǔ)，也是整個(gè)產(chǎn)品信息建模的基礎(chǔ)。然而現(xiàn)在的CAD系統(tǒng)普遍缺少公差信息表示的處理模塊，或不能完善地表達(dá)公差信息。隨著CAD/CAM集成以及并行工程的發(fā)展，要求產(chǎn)品與制造過程的設(shè)計(jì)必須同步進(jìn)行，而公差信息對(duì)產(chǎn)品的加工工藝編排、優(yōu)化組合及質(zhì)量保證起著至關(guān)重要的作用。因此，在產(chǎn)品的信息系統(tǒng)中必須要有公差信息，以尋求一種合適的公差信息表示模型，使之能與產(chǎn)品信息系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來。

　　2.UDF方式的三維公差建模

　　公差信息的建模是指在計(jì)算機(jī)中對(duì)某一實(shí)體模型或特征模型進(jìn)行準(zhǔn)確無誤的公差表述，并對(duì)其語義作出正確合理的解釋。通過建模，公差信息能夠在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期中被使用，其相應(yīng)的操作也能順利進(jìn)行，這就為CAD/CAM的集成提供了更好的基礎(chǔ)。

　　Pro/ENGINEER提供的二次開發(fā)工具有：族表、Pro/Toolkit、UDF(User-Defined Feature)以及用戶自定義特征等方式。本文主要利用UDF創(chuàng)建公差的帶模型，通過Pro/toolkit和VC++相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)公差語義信息的顯示。

　　UDF是Pro/ENGINEER中的一類特征，利用它用戶可將常用的幾何特征創(chuàng)建成一類可重復(fù)使用的特征。通過調(diào)用修改可變參數(shù)的數(shù)值，即可獲得所需要的特征衍生件。Pro/Toolkit是專供Pro/ENGINEER二次開發(fā)的工具，向用戶提供了大型的C語言函數(shù)庫。通過調(diào)用這些底層函數(shù)，能方便、安全地訪問Pro/ENGINEER的內(nèi)部應(yīng)用程序，擴(kuò)展一些特定的功能。

　　(1)UDF的建立

　　UDF的定義過程包括幾何定義、屬性定義和約束定義三步。幾何定義就是使用特征造型系統(tǒng)進(jìn)行造型的過程，幾何定義的過程則表現(xiàn)為用戶從特征歷史樹上選取子特征的過程，被選取的子特征構(gòu)成UDF所包含的內(nèi)部特征集合。屬性定義的過程是定義UDF所包含的描述信息的過程。約束定義分為兩步，首先用戶選擇具有工程意義的尺寸和參數(shù)，而后用戶建立參數(shù)之間的約束方程。

　　UDF的建立，即手工構(gòu)建模型，將要?jiǎng)?chuàng)建的特征附著在模型上面，然后選擇菜單項(xiàng)“UDF”→“Creat”進(jìn)行幾何特征的創(chuàng)建。在一個(gè)UDF的定義中要包括參考基準(zhǔn)、可變尺寸及可變尺寸的信息，最后將所有的UDF以相同的格式存放在同一個(gè)目錄下，形成特征庫(UDF Library)。

　　以位置公差的垂直度為例，對(duì)于公差帶的UDF，根據(jù)垂直度公差帶的被測(cè)要素和基準(zhǔn)要素的不同分為五類：面對(duì)面、線對(duì)面、面對(duì)線、線對(duì)線和任意方向的線對(duì)線。前者指被測(cè)要

　　素，后者指基準(zhǔn)要素。通過選擇垂直度公差帶的被測(cè)要素和基準(zhǔn)要素，確定UDF的幾何參數(shù)和尺寸參數(shù)，從而創(chuàng)建各自不同的公差帶。

　　(2)程序?qū)崿F(xiàn)UDF的插入

　　1)單一要素

　　在Pro/ENGINEER中加載相應(yīng)的菜單和對(duì)話框，位置公差的對(duì)話框如圖2所示。

　　通過對(duì)話框的交互選擇，在Pro/ENGINEER界面的消息框中顯示相應(yīng)的提示信息，提示用戶選擇被測(cè)要素和與基準(zhǔn)要素相關(guān)的定位要素(如圖3所示)，從而加載該種公差的公差帶，實(shí)現(xiàn)不同類型公差帶在三維環(huán)境中的顯示。

　　以垂直度面對(duì)面的情況為例，在對(duì)話框中選擇“垂直度”這個(gè)公差類型，并輸入公差值0.01，選擇“面對(duì)面”的情況并單擊“確定”，Pro/ENGINEER的消息欄提示“請(qǐng)選擇一個(gè)被測(cè)平面”。點(diǎn)選被測(cè)的平面后，消息欄提示“請(qǐng)選擇一個(gè)與被測(cè)要素平行的基準(zhǔn)平面”，選擇相應(yīng)的平面后，在模型中就加載了平面度被測(cè)要素和基準(zhǔn)都是平面的公差帶。

　　//調(diào)用創(chuàng)建好的UDF

　　ProName udfName;

　　ProStringToWstring(udfName, "plane_by_plane.gph");

　　ProUdfdata data;

　　ProUdfreference udf_ref;

　　ProUdfvardim vardim;

　　ProGroup udf;

　　status = ProUdfdataAlloc(&data);

　　status = ProUdfdataDependenc

　　ySet(data,PROUDFDEPENDENCY_INDEPENDENT);

　　status = ProUdfdataNameSet(data, udfName,NULL);

　　//設(shè)置創(chuàng)建UDF時(shí)規(guī)定的參考要素

　　status = ProUdfreferenceAlloc(L"plane_sel", surfaceSel[0], PRO_B_FALSE, &udf_ref);

　　status = ProUdfdataReferenceAdd(data, udf_ ref);

　　//設(shè)置創(chuàng)建UDF時(shí)設(shè)定的可變尺寸

　　status = ProUdfvardimAlloc(L"t",

　　locationValue, PROUDFVARTYPE_DIM, &vardim);

　　status = ProUdfdataUdfvardimAdd(data, vardim);

　　ProUdfCreateOption opt[1];

　　opt[0] = PROUDFOPT_FIX_MODEL_UI_OFF;

　　status = ProUdfCreate((ProSolid)

　　mdl, data, NULL, NULL, 0, &udf);

　　status = ProDirectoryChange(currentPath);

　　在程序中，調(diào)用已經(jīng)建好的符合該公差類型條件的UDF，通過在Pro/ENGINEER中選擇參考和對(duì)話框中的公差值來驅(qū)動(dòng)UDF，最終生成用戶需要的公差帶形狀。圖4a和圖4b所示的垂直度面對(duì)面1、垂直度面對(duì)面2，兩平面間的區(qū)域就是垂直度面對(duì)面情況的公差帶，中間選中平面是被測(cè)要素，可以直觀地顯示該公差區(qū)域。由于公差值微小，如圖4所示的公差帶是將公差值放大100后的效果。

　　類似作一個(gè)同軸度的公差帶顯示，加載完同軸度的UDF后，Pro/ENGINEER的提示框和左邊的模型樹會(huì)顯示創(chuàng)建的組，如圖5和圖6所示，模型中的同軸度公差帶如圖7所示。

　　2)關(guān)聯(lián)公差

　　因?yàn)榱悴考鞣N幾何特性誤差的產(chǎn)生原因是相互關(guān)聯(lián)的、對(duì)使用功能的影響也往往是綜合的，這就導(dǎo)致各種幾何精度要求之間客觀存在著相互制約、相互補(bǔ)償?shù)年P(guān)系，且通過后續(xù)

　　的裝配，產(chǎn)品的性能也是多種公差相互作用的結(jié)果。所以當(dāng)要素的各項(xiàng)精度要求或若干要素的精度對(duì)產(chǎn)品功能產(chǎn)生綜合作用時(shí)，應(yīng)該在設(shè)計(jì)時(shí)規(guī)定相關(guān)要求，從而綜合控制要素的各項(xiàng)幾何誤差或若干相關(guān)要素的誤差。

　　當(dāng)同一個(gè)特征或要素處于多個(gè)公差共同作用下，即形位公差與尺寸公差并存考慮時(shí)，處理這類相關(guān)公差有四個(gè)主要原則：最大實(shí)體要求、最小實(shí)體要求、包容要求和可逆要求。在

　　形位公差的添加過程中，要考慮以上四個(gè)要求。

　　如圖8所示為最大實(shí)體要求應(yīng)用于單一要素軸的情況，￠2000-0.021mm軸的軸線直線度公差與尺寸公差的關(guān)系采用最大實(shí)體要求。軸線直線度誤差允許范圍：0.01～0.031。當(dāng)軸處于最大實(shí)體狀態(tài)，即軸的實(shí)際尺寸處處皆為最大實(shí)體尺寸20mm時(shí)，軸線直線度誤差允許值為0.01mm;當(dāng)軸處于最小實(shí)體狀態(tài)即軸的實(shí)際尺寸處處皆為最小實(shí)體尺寸19.979mm時(shí)，軸線直線度誤差允許增大到0.031mm。將直線度公差帶變動(dòng)范圍的數(shù)值擴(kuò)大100倍后顯示的效果，如圖9所示，分別為1.00和3.10，兩圓柱之間的區(qū)域就是直線度誤差允許的范圍。通過分析研究位置公差中的定向公差、定位公差和尺寸公差之間的關(guān)系，確定檢驗(yàn)的優(yōu)先級(jí)別為：尺寸公差最高，定位公差次之，定向公差最低。也就是說，當(dāng)同時(shí)加載多種公差，隨機(jī)生成帶公差尺寸值時(shí)，必須再次檢驗(yàn)高級(jí)別的公差是否滿足。

　　在實(shí)際中，僅僅考慮尺寸公差的影響并不能滿足精度的要求。在實(shí)際生產(chǎn)中，形位公差對(duì)最終整體精度的影響十分復(fù)雜，不同的形位公差在不同的情況下所產(chǎn)生的影響不同。而且

　　經(jīng)常有多個(gè)形位公差共同影響最終整體精度的情況，所以需要具體問題具體分析。

　　四、結(jié)束語

　　目前公差信息是不可見、不可感知的，絕大多數(shù)三維CAD軟件平臺(tái)僅具有公差的標(biāo)注功能，基本上是僅將傳統(tǒng)圖樣上的公差標(biāo)注轉(zhuǎn)移到了三維環(huán)境中進(jìn)行顯示而已，對(duì)公差的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和分析所起的幫助作用較為有限。

　　這使CAT技術(shù)乃至計(jì)算機(jī)輔助精度預(yù)分析技術(shù)距離實(shí)際應(yīng)用還有較大距離，對(duì)后續(xù)裝配質(zhì)量有深遠(yuǎn)的影響。本文利用基于語義三維公差建模技術(shù)，將產(chǎn)品公差信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫

　　中，通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)公差標(biāo)準(zhǔn)信息，在三維模型中顯示公差語義信息，模擬帶公差的產(chǎn)品模型，使設(shè)計(jì)者在虛擬的環(huán)境中對(duì)公差和精度有所感知，最終指導(dǎo)產(chǎn)品和零件的公差設(shè)計(jì)。這為后續(xù)實(shí)現(xiàn)裝配精度預(yù)分析提供了有效的方法和手段，并對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的提高具有重大意義。