CN108710760A - 一种船舶mbd完整性定义方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向船舶行业的MBD完整性定义方法。通过构建数据集与定义规范，包括设计基准、坐标系、几何模型、注释、标注及辅助类的特殊定义要求，建立了面向船体专业数据与管系专业数据的详细定义方法。基于关联数据挖掘算法，获取工程注释项间、模型特征与工程注释间的关联关系，实现MBD创建过程中相关工程注释项的推荐，进而提高MBD数据集创建效率。对船舶数据集内容的定义形式、存储形式、面向应用场景的交付物形式、信息提取与传递技术等问题提出了具体实施方法。本发明旨在以MBD模型作为唯一数据源，对二维图纸与三模型进行有效集成，并提出了设计信息定义与传递的方法，因此具有重要的理论研究意义和广泛的应用前景。

Description

一种船舶MBD完整性定义方法

技术领域

本发明将基于模型的定义技术运用于船舶制造行业中，建立了一种船舶设计与生产数据的完整定义方法，将产品的所有相关工艺描述、属性、管理等信息都附着在产品三维模型中，对设计、生产数据集的各类内容提出了详尽的定义方法，并提出了数据的传递与表达方法，属于基于模型的数字化定义领域。

背景技术

船舶制造是典型的大型装备制造行业，随着我国船舶制造业的迅速发展，传统的以二维图纸为主的设计、制造模式已无法适应技术发展的要求。目前船舶行业采用以二维图纸为主，三维模型为辅的生产设计信息表达与传递方式，二维图纸的不直观性以及二维三维双数据源带来的数据二义性，使得数据的表达与传递准确性存在着明显不足。基于模型的数字化定义 (Model Based Definition，MBD)技术是将产品的所有相关工艺描述、属性、管理等信息都定义在三维模型中的先进的数字化定义方法，以三维建模技术为基础的数字化定义技术将成为未来船舶业制造发展的一个重要方向。

三维建模技术的应用提高了设计的效率与设计信息表达的准确性，在复杂零部件的结构设计过程中，目前大部分企业实现了以三维建模为主的设计手段，但在向生产车间传递制造信息的过程中，还依赖于二维与三维结合的图纸表达方式，图纸的空间局限性限制了图纸的表达能力，也因此限制了复杂模型从设计向生产的顺利转化，制约着设计和生产能力的进一步发展。将MBD技术运用于船舶制造中，旨在使用集成化的三维几何模型完成船舶产品信息的表达，实现单一产品数据源下的数字化制造与装配。

文献“面向船舶制造的MBD数据构建与数据管理”将MBD三维模型建模方法作为产品模型设计与制造中的唯一产品数据来源，构建面向船舶制造的MBD数据结构及数据管理方法(李明宇，徐巍，张文俊，何景异.舰船科学技术，2015,37(3)：86-87)；文献“机械产品数字化定义的数据内容及其组织”对数字化定义的数据结构及组织提出了详细论述，包括工程数据集的数据结构、层表管理、零件表的生成、维护等过程(范玉青,企业信息化.2002,12(3):41-43)。在上述文献中，对MBD数据集的内容及结构进行了研究，本发明提出了针对船舶行业应用MBD技术的数据完整性定义方法。

附图说明

图1零部件MBD数据集结构

图2结构规范树信息的组织

图3属性查询界面

图4坡口标注

图5坡口数据定义界面

发明内容

本方法构建了面向船舶设计与制造数据的完整性定义方法，构建设计与制造数据集及定义形式的说明，包括设计基准、坐标系、几何模型、注释、标注及辅助类的定义形式，建立各类数据的详细定义方法，并提出面向设计端的模型数据快速定义方法及面向模型应用过程的数据传递方法。基于数据关联规则挖掘算法实现模型数据的快速定义，获取工程注释项、模型特征与工程注释间的关联关系，并以数据关联挖掘规则理论作为基础，实现MBD创建过程中相关工程注释项的推荐，实现数据集内容的快速定义以及查询等功能。对船舶数据集内容的定义形式、存储形式、面向应用场景的交付物形式、信息提取与传递技术等问题提出了具体实施方法。包括以下主要内容：

1、构建各类数据集并对数据集内容进行规范性要求

将船舶MBD数据集分为壳体数据集和舾装数据集，如图1所示。对于壳体数据集而言，面向生产环节分为切割数据集、加工数据集、装配数据集、焊接数据集、检验数据集；对于舾装数据集分为加工数据集和检验数据集。并提出以下数据集定义要求：

●数据集集成了以往存在于图纸中的各类加工要求如公差、文本等信息，数据集可以分为多层次数据集，如船舶总设计数据集、具体的各专业的数据集等，数据集定义在三维模型及其结构规范树中，数据集必须完整表达该产品的设计及制造信息；

●数据集保留在发布过程产生的模型间关联关系；

●在数据集更改过程中，必须保持外部关联模型与父产品模型的同步；

●每个工程零部件(包括标准零件)都存储在数据管理系统中以便查询和调用。

2、对各类设计与生产数据规定不同的定义形式

提出针对船舶零部件的定义形式，包括设计基准、坐标系、几何模型、标注、注释、辅助类特殊定义、数据集更改等数据要素的定义要求；建立了针对装配件的数字化定义要求；针对船体专业，对具体的数据集内容提出了详细的定义方法，包括定义内容、数据存储位置、数据传递方式、数据载体等。

MBD数据集是完整产品信息的集合，集成了以往分散在三维模型与二维图纸中的设计与制造信息，包括传统图样上的公差、旗注和文本类信息。按照定义方式不同，将数据类型分为：设计基准、坐标系、几何模型、标注、注释、辅助类特殊定义要求、数据集更改管理。

3、设计基准与坐标系的定义

零件处在特定的位置和环境中，它的设计工作是与其他零件有关联关系的，这种关联关系体现在对形状和位置的依据，这种依据是建模的基准数据。MBD中的基准数据定义了零件研制从方案设计阶段到产品的工程设计阶段所需要的基准。在船体模型设计过程中，是以SRS (Structure System Design)作为支持面与边界的基准，是设计肋板等的位置与形状的基准。在管路的零部件定义中，需要定义该零件在全局坐标系中的位置和姿态，一般以最近肋板为位置基准。例如，管件A的建模过程，以“肋板B”作为基准进行，上游零件“肋板B”模型的相关几何特征“如面、线、实体”需要进行发布，并作为管件A的外部参考。管件A的三维模型应与肋板B有关联关系，这种关联关系体现在几何特征的相对位置和尺寸上(如管件和肋板某端的距离)，该信息在MBD模型中应直接以尺寸标注的形式加以说明。

在船舶产品数字化定义过程中，建立一套完整的坐标系统，包括船体坐标系、辅助坐标系和局部坐标系。三维模型可基于船体坐标系建模，也可以基于局部坐标系建模，坐标系用于表征该零件的位置和姿态。关于坐标系的说明应在注释中加以说明。对于在整个船舶产品中被多处使用的非环境相关零部件，它在产品中有多个实例，每个实例将拥有确定的位置约束关系。对于此类零件而言，不能在一个零件的定义时确定出所有的位置关系，因此需要其他辅助的信息(如建立新的坐标系统、建立辅助基准平面)来描述其装配位置关系。以管件三维模型为例，该零部件的位置和姿态是确定的，是以全局坐标系(船体坐标系)作为基础进行建模的。坐标系信息存储于模型在绝对坐标系下的位置姿态中，在自动创建数字样机的时候就以坐标系信息为基础。

4、非几何信息的定义方法

在MBD模型中，MBD模型是产品尺寸与公差定义的唯一介质。每个零件的非几何信息 (如公差、表面粗糙度)应该通过零件注释或通过功能尺寸和标注直接在几何模型特征上定义，所有的尺寸、公差应该与确定的模型元素相关联。每个标注信息都不是单独存在的，而是与一个或多个几何模型特征相关联，被关联的模型特征被称作标注几何，标注信息与几何模型的关联关系通过指引线表达。零部件的非几何信息以表1进行规范化定义。

表1

根据内容不同，将MBD模型中的三维注释分为标准说明、工艺注释、标注说明、标准件及材料描述。以属性集的形式将零件属性信息存储在MBD模型的结构规范树中，并对属性类型的分类方法进行统一规范，规范内容包括属性类型和项目名称，对船体零件中的属性信息进行归纳，如表2。

表2

5、MBD模型信息以多视图的形式在三维软件中进行展示

MBD的几何模型用于定义几何信息，同时也是定义非几何信息的基础。几何模型的建模过程如果以外部基准为基础进行，在修改模型之后，所有外部基准需要与关联部件同步以保持最新状态。为清晰、完整的表达模型的结构，利用“命名视图”的方式建立模型的多角度视图，利用CATIA中的“命名视图”和“捕获功能”，可以对模型的视图和标注信息进行管理和选择性展示，该表达方法类似于二维图纸中的视图。各视图可结合三维软件的“捕获”功能对标注的可视化进行管理，实现在每个视图中显示需要的标注，隐藏不需要的标注。同时添加标注需要以定义的视图为基础，进行标注平面的选取，方便在特定视图中进行显示。

6、MBD模型信息的快速查询

通过开发快速添加属性信息的功能，实现相应信息的添加与查询功能。属性查询界面如图3所示，通过选定需要查询的内容，可以从规范树中提取相应的属性信息，并进行展示，如果管理了几何模型的特征，可以在视图中进行展示。

7、MBD模型信息的更改与同步

建模过程定义的信息，如CATIA V6中在船体零件的建模过程中定义了“材质”，这一信息存在于几何特征的右键属性中，但同时也需要定义在结构规范树中，结构规范树是信息查询的数据源，同时应该与属性建立关联关系，即修改一项，另一项也同步修改。属性集的内容应与信息管理系统同步，每一条属性在管理系统中有独有的编号，如“A0017-401-003-P5-Revise-Type-G”，其表示信息为：“A0017-401-003-P5”为该零件的零件号，“Revise-Type”为更改类型，对应结构规范树中的“修订版本”节点，“G”为属性值。

8、在不同阶段使用不同类型的MBD模型及其数据传递

船体专业的MBD模型包括由CATIA不同模块设计而来的SFD、SDD、STG、SR1等类型的模型。因船体专业的特殊性，零件的加工有多个中间状态，各阶段的零件又有着不同的检测要求。STG模型描述了零件在理论模型的基础上附加余量补偿量等加放尺寸之后的状态。可以指导切割和对零件的加工(成型、开坡口)。面向船体板类零件的切割过程，使用STG 模型对切割要求进行描述，在STG模型中对切割尺寸(在理论尺寸的基础上进行加放量得到的尺寸，加放量包括补偿量、收缩量、余量等)、坡口信息(坡口类型、坡口尺寸)进行定义。当前的船体板类零件采用二维图纸指导切割生产过程，将平板进行切割，切割完成的零件通过相应的加工过程成为需要的形状(曲板)，在对切割过程的数字化定义过程中，以STG模型作为该环节的数据源，通过CATIA二次开发技术实现数据的有效传递，包括材质、材料规格、切割尺寸、坡口信息等。二维图纸可以作为STG模型的衍生物，通过提取相应的数据生成指导现场的切割图纸。

表3

切割过程需要定义的材料相关的数据包括：材料规格和材质。通过将材料相关的数据定义在MBD模型的结构规范树中，实现数据的存储与传递。所有的材料信息放在“材料描述”命名的节点中，该节点驻留在结构规范树的主分支上。

MBD模型的结构规范树定义了零件的材料信息，几何模型定义了零件的三维尺寸信息，通过对相应信息的提取，实现从MBD模型生成套料图的过程，为生产准备部门下料及采购部门组织原料提供技术依据，并指导现场切割过程。

坡口信息的定义包括坡口形状和坡口尺寸，坡口需要在零件上进行标注，定义的方法为手工标注(也可通过相应的开发实现快速标注或者自动生产标注)，坡口的展示形式为三维标注。三维标注的显示通过捕获视图进行管理，当需要查看某一坡口信息时，可点击特定的捕获视图进行查看。

通过CATIA二次开发实现坡口标注的自动定义，功能界面如图5所示。坡口的定义过程与该零件的材质与板厚密切相关，通过手动点选模型中需要开剖口的边线，系统自动关联得到该零件的材质与板厚信息(通过索引结构树中的材料描述节点下的信息)，并自动生成该情况下需要开坡口的信息并进行标注，同时可在窗口中生成坡口视图的预览。

焊接数据在装配阶段(组立)的MBD模型中进行定义。定义内容包括：焊接方法、焊脚高度、注意事项等，定义格式为三维标注，关联几何为与焊接处相关的边线(表征焊缝)。焊接数据通过捕获视图进行统一管理。

焊接信息通过三维标注进行展示，同时应在模型规范树的“标注说明”节点中进行相关信息的定义，如焊接长度、焊接物料等，并且定义应遵循约定的格式，以便后续进行相应信息的提取与统计，用于指导采购。

SDD模型描述了零件之间的装配关系和相对位置关系，是产品装配、焊接后的完工状态，但无法表达零件加工的中间状态及面向中间状态的检测需求。使用SDD指导装配和焊接过程，同时应从STG模型中导入必要的工艺信息，如加放尺寸、坡口信息等。使用SDD模型作为装配过程的数据源。该阶段的MBD模型需要定义如下表所示的信息：

(1)部件名

用于区分不同零部件，通过三维文本注释的形式，对每个零件的零件名进行提取，并以悬浮标注的形式标注在零部件上，三维注释应进行布局优化，以适应零件密集分布与零散分布两种情况下的查看效果。

(2)板厚朝向

用于区分板类零件的正反面，可在零件的线、面上标记“TOP”及“CL”等符号来表征艏艉端，或者以不同颜色进行区分。

(3)零部件定位尺寸

用于指导划线以及零件的装配，以三维尺寸标注的形式将需要的尺寸信息进行标注，通过捕获视图管理相关的尺寸标注与关联特征的显示。

(4)装配顺序

装配顺序可以采用捕获视图进行管理，通过控制几何模型的显示顺序，来模拟零件的装配顺序。每一个捕获视图代表一个装配阶段，装配人员通过选择特定阶段的捕获视图，来确定需要装配的零件与定位尺寸。也可以通过节点树对装配顺序进行定义。

(5)检验数据

对模型进行检测需求的定义，检测需求可以包括尺寸精度的检测与形位公差的检测，在船体专业中，主要针对零部件的长度尺寸进行检测，包括零件几何尺寸的检测与装配定位尺寸的检测，通过在MBD模型中添加相应的检测需求，来定义检测信息，定义形式为三维标注。

9、基于关联规则挖掘的MBD定义信息的快速推荐

在MBD定义过程中，MBD模型作为唯一的指导制造、检测等过程的数据源，是大量设计与生产数据的载体，需要一种自动推荐的方法来辅助MBD定义过程，提高工作效率。MBD数据集中的数据有以下特点：数据量大、数据种类多、大部分数据彼此之间存在关联关系，可以由一种或多种数据关联出更多可能需要的信息、大部分数据可以通过编码等形式在计算机中存储与调用。以上特点使得关联规则挖掘算法在MBD定义中的应用成为可能。本方法基于数据间的关联关系，开发MBD模型数据快速添加系统。系统依据已经添加的信息或设计人员点选的某些信息而自动推荐出后续可能需要添加的信息，实现设计效率的提高。具体实现流程为：建立数据关联关系，第一步是根据应用场景将数据进行分类：包括模型中特征类型(点、线、面、体)；结构规范树中的参数(注释类型，如标准说明、工艺注释等)；三维标注(符号、三维文本注释等)；模型属性等内容，第二步是对每一条数据制定独有的编码，一条编码应能体现相应的从属关系，包括该数据从属于数据集、几何特征与不同种类零件的从属关系、特征属性与特征的从属关系等。第三步是对以上数据进行关联规则挖掘，并可根据设计人员的习惯自定义推荐规则。

Claims (6)

1.船舶MBD完整性定义方法，其特征在于，将数字化定义方法运用于船舶制造行业的壳体与舾装专业中，将产品的所有相关工艺描述、属性、管理等信息都附着在产品三维模型中，针对船体的切割、加工、装配、焊接、检验环节制定完整的数字化定义规范，来实现船舶数据集的完整定义。

2.如权利要求1所述的数字化定义规范，其特征在于，针对船舶壳体和舾装建立相应的数据集，将数据集内容划分为设计基准、坐标系、几何模型、标注、注释、辅助定义、数据更改与管理，对以上数据建立详细定义规则与要求，包括具体定义内容、数据存储位置、数据传递方式、数据载体等，并通过数据定义过程的快速挖掘与推荐，实现MBD数据集的有效传递。

3.如权利要求2所述的数据传递方式，其特征在于，针对船体专业MBD模型在不同生产阶段以不同形态的模型作为数据源，使用STG模型描述零件在理论模型的基础上附加余量补偿量等加放尺寸之后的状态，材质、材料规格、切割尺寸、坡口信息等组成切割与加工数据集，使用SDD模型描述零件的理想装配状态，定位尺寸、流向信息、零件表、主尺度等组成组成装配与焊接数据集。

4.如权利要求2所述的数据传递方式，其特征在于，针对船体板材切割的特点，采用MBD模型与二维图纸相结合共同作为指导生产的数据载体，二维工程图样全部由MBD数据集衍生而来，数据全部源自于MBD数据集，通过特定的接口和信息提取方法，将信息从MBD模型传递到二维图样，进行指导生产。

5.如权利要求2所述的数据集内容快速挖掘与推荐，其特征在于，以数据管理系统中的工程注释项作为数据源，将产品研制过程中MBD数据集创建的所有历史记录进行编码，构成事物数据库，基于数据挖掘算法，设置支持度阈值，对事物数据库进行多次扫描得到频繁项集，找出所有频繁项集后，可通过最小置信度过滤出强关联规则，根据规则包含工程注释项的数目，对于关联规则可以是一对一、多对一、一对多的关系，设计人员在对MBD模型进行定义过程中，基于以上关联规则过程，获取定义信息快速挖掘与推荐，实现数据集的快速定义。

6.如权利要求2所述的数字化定义规范，其特征在于，将属性类型分为“工艺注释”、“材料说明”、“标准件”、“材料描述”等类型，并建立属性的统一编码格式供信息管理系统统一管理，包括属性信息的添加、修改、查询。