三维CAD中几何公差自动判别技术研究

在目前的三维计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）系统中，对于几何公差的标注仅仅是图形符号，不具有工程语义，公差信息无法在后续工作中共享，不符合数字化生产的趋势。随着三维CAD系统在几何产品设计中的广泛运用，在产品的设计、制造过程中，需要一种能从现行几何要素的定义出发，对于几何公差能够进行正确标注的方法。

在现行主流的三维CAD系统中对于几何公差的标注，主要存在以下几个方面的问题。

1)几何公差标注随意，未按照几何公差定义标注。比如在SolidWorks软件中，在零件实体平面上可以标注圆度、圆柱度等几何公差，明显不符合几何公差定叉，属于错误标注，从而导致图样示意不明，引起误解，造成无法加工的情况，影响生产效率。

2)几何公差标注需人工判别，并非由三维CAD系统自动判别，存在误标的可能。比如在AutoCAD、SolidWorks和Catia等软件中，对于几何公差标注需要手动选择，存在依赖产品设计人员的设计经验进行公差标注的情况，对于设计人员的要求较高，也存在几何公差错标、误标的可能，使得几何公差标注有一定的随意性，造成图样设计返工，延长设计时间。

3)几何公差标注未从几何要素出发，未从待加工几何面的功能要求出发进行标注，不利于明确零件待加工面的功能要求。在GB/T16671-2009《产品几何技术规范(GPS)》的前言中，统一了形位公差的标准名称，即将“形状与位置公差”改为“几何公差”，表明“几何要素”是几何公差的核心。

为解决上述问题，本文探讨了三维CAD环境下的几何公差自动判别技术，以解决几何公差判别问题，防止误标注，规范几何公差的标注结果。

1 几何公差自动判别的理论背景

1.1 理论背景

产品几何量技术规范(Ceometrical Product Specification，GPS)是一套关于工件几何学的规范，它是一套覆盖了工件尺寸、几何公差和表面几何性能的标准。从以几何学为基础的第一代GPS，发展到以计量学为基础的新一代GPS，标志着几何量技术标准和计量体系进入了一个新的阶段。新一代GPS将成为信息时代集产品几何量技术规范和计量认证为一体的新型国际标准体系。

几何要素是构成工件几何特征的点、线和面。在产品的设计、制造和检验过程中，根据不同的目的和要求，派生出许多不同类型的几何要素，其中一些在第一代GPS中已经进行了定义。几何公差自动判别技术就是基于几何要素对公差进行合理判别，为产品设计及制造提供一个无歧义的信息传递方法。

1.2 几何公差的自动判别

对于几何公差的自动判别，要寻求一种途径，根据有限的条件，得出目标公差。例如，在三维CAD中平面度是标注在平面几何要素上的，然而在平面几何要素上，能够标注的合法几何公差是有限的，可以从几何公差的定义中归纳出，在平面上能够标注的合法几何公差如表1所示。

表1 平面几何要素上的几何公差

在表1中，需标注的几何要素为平面，图标“//11”表示标注在平面上以另一个平面为基准的平行度，序号为“11”。从国家标准中可以总结出，对于几何公差的标注，其基准最多为3个，而需标注几何要素可以归纳为：轴线、平面、柱面、锥面和球面等有限要素，各需标注几何要素对应的几何公差类型如表2所示。

表2 各要素对应的几何公差类型

根据表2对应规则，可以制定出一种几何公差自动判别路径即“几何公差树”，基于实体的几何特征来完成几何公差的自动判别，几何公差树如图1所示。在图1中，09号、14号几何公差表示以平面为基准、圆柱面为需标注几何要素，得出可供标注公差平行度和垂直度。

2 几何公差自动判别的解决方案

2.1 用VB软件开发自动判别程序

本文应用Visual Basic6.0软件，通过SolidWorks2007版本的API接口，实现在三维CAD环境下的几何公差自动判别。用户可以用Visual Basic进行SolidWorks的二次开发，并在设计器中添加所需控件。

2.2 API关键技术

只要运用SolidWorks API函数库中合适的语句进行零件几何要索的识别，配合“几何公差树”进行判别，就能完成判别动作。SolidWorks API几何要素关键语句如表3所示。例如：假设选定了零件几何要素（圆柱面），则语句“swSurf.IsCylinder”的返回值为1，其余语句的返回值均为0，从而可以判别出所选的几何要素为圆柱面，以此类推。

表3 SolidWorks API几何要素关键语句

2.3 程序界面说明

程序界面分为3个区域：几何要素选择区、几何要素识别区和公差判别结果区。在几何要素选择区中，可以在SolidWorks中选择几何实体特征，通过表3的API关键语句进行对应几何要素类型的判断；在几何要素识别区中，主要功能为显示判别出的几何要素；在公差判别结果区，程序通过图1的几何公差判别路径，进行几何公差的自动判别，并进行了显示。

3 应用实例

3.1 几何公差的判别操作

在三维CAD环境下要实现几何公差的自动判别，需要经过4个步骤，具体过程如下。

1)选择几何要素。

2)决定该几何要素是否需标注或作为基准。

3)如作为基准，则继续选择几何要素，直至选择至需标注几何要素。

4)根据几何公差自动判别路径进行几何公差的自动判别，其流程如图2所示。

图2 几何公差自动判别流程

3.2 根据几何公差约束理论判别几何公差值

为了满足功能要求，往往在同一功能面上有不同的几何公差要求，其几何公差值的确立需要根据几何公差约束理论进行约束。标注时有以下一些情况包含在判别程序中。

1)在同一功能面上，圆度不得大于圆柱度。

2)在同一功能面上，直线度不得大于平面度。

3)在同一功能面上，线轮廓度不得大于面轮廓度。

4)在有平行度要求的两功能面上，其直线度或平面度不得大于平行度。

5)在有垂直度要求的两功能面上，直线度或平面度不得大于垂直度。

6)在有圆跳动要求的两功能面上，圆度或圆柱度不得大于圆跳动。

3.3 实例说明

这里以轴承座中平行度的标注为例进行具体说明。

在SolidWorks 2007中打开图样文档，采用自动几何公差判别程序进行判别：

1）选择几何要素：轴承座的后端面；

2）决定该几何要素是否需标注或作为基准：作为基准；

3）继续选择几何要素，直到选择至需标注几何要素：轴承座的前端面；

4）是否作为基准：否；

5)根据几何公差自动判别路径进行几何公差的自动判别。成功判定出的几何公差有：平行度、垂直度和倾斜度，即以平面为基准，另一平面为需标注几何要素，所能推导出的所有可能的合法几何公差。点击“平行度”单选框后，便可输入具体公差数值，并且标注到SolidWorks中，至此标注完毕。在SolidWorks中轴承座公差自动判别实例界面如图3所示。

图3 在SolidWorks中轴承座公差自动判别实例界面

4 结语

本文所研究的在三维环境下的自动几何公差判别方法具有如下特点。

1)建立了基于几何要素的几何公差判别思路，即“几何公差树”，并在此基础上制定了几何公差类型的生成规则。

2)从几何公差定义出发，限制了不相关的几何公差，规范了在三维环境下几何公差的标注。

通过在SolidWorks中实现公差的自动判别，证明基于几何要素的几何公差自动判别方法是成功的，本方法的不足在于没有考虑几个几何要素之间的位置关系，下一步研究的重点将是几何要素之间的位置关系的判定，以避免出现产生歧义的几何公差标注。