基于MBD的飛機數字化定義技術

摘 要:飛機數字化定義技術伴隨著時代發展，逐漸完善和發展起來。如何簡潔、高效、合理地表達產品特征;滿足產品數字化定義在數字化信息系統中的傳遞與應用要求;實現數字化設計與數字化制造的無縫集成，是飛機數字化定義技術需要解決的核心問題。MBD(Model Based Definition)技術是以三維產品模型為基礎，集成了三維空間尺寸公差標注、制造要求標注在內的特征信息，實現對產品特征描述、共享、滿足信息系統的直接傳遞要求，并實現對產品信息的分類管理。本文從MBD技術的具體應用方面，結合飛機數字化定義、三維設計與制造等方面進行論述和介紹。

關鍵詞:數字化定義全三維MBD

中圖分類號:TH166文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)09(c)-0048-02

1 MBD技術發展概況

隨著計算機技術的發展和三維CAD技術的成熟和普及，數字化產品定義經歷了二維到三維模型發展的三個階段，如圖1。目前國內航空業正在慢慢向全三維數字化定義轉變。

1997年1月，美國機械工程師協會發起關于三維模型標注標準的起草工作，以解決圖紙與信息系統傳輸之間的矛盾[1]。最終于2003年7月被美國機械工程師協會接納為新標準。ISO組織借鑒ASME Y14.41標準制定了ISO16792標準，為歐洲以及亞洲等國家的用戶提供了支持。在日本，汽車工業協會也將以ASME Y14.41標準以及ISO16792標準為藍本，2006年底出臺日本汽車工業的相關行業標準。與這些標準相比，2003年頒布的相關國家標準以及2006年的英國軍用標準，在數字化定義的內容上仍處在三維模型與工程圖共存的狀態。作為該項技術的發起者之一，波音公司的787項目推廣使用該項技術[2]，從設計開始，波音公司作為上游企業，全面在合作伙伴中推行基于模型的數字化定義技術MBD。

2 MBD產品數字化定義內容概述

采用MBD技術對產品數據進行表達后，MBD產品數據模型是對產品零部件信息完整描述的數據集，該數據集不僅包含了產品結構幾何形狀信息，還包括原來定義在二維工程圖中的尺寸、公差、一些必要的工藝信息及關于產品定義模型的說明等非幾何信息，從而使MBD模型可以作為加工、檢驗的依據。對MBD信息內容的說明如圖2所示：它分為MBD裝配模型與MBD零件模型兩部分。MBD零件模型信息可總結為三類：(1)零件模型幾何形狀信息;(2)零件屬性信息;(3)零件標注信息[3]。零件模型幾何信息描述了產品形狀、尺寸信息；屬性數據表達了產品的原材料規范、分析數據、測試需求等產品輔助信息；而標注數據包含了產品尺寸與公差范圍、制造工藝和精度要求等生產必須的工藝約束條件。MBD裝配模型則由一系列MBD零件模型組成的裝配零件列表加上以文字符號方式表達的標注和屬性數據組成。

3MBD零件模型信息的管理

MBD模型除了幾何形狀信息，還包括尺寸、公差、一些必要的工藝信息及關于產品定義模型的說明等非幾何信息，而這些非幾何信息需要在三維模型中的描述與管理作出詳細的規定，并通過合理的方式表達出設計意圖，供下游人員完全理解。

3.1 一般工程信息的表達形式

在飛機數字化定義中面向產品特征的工程數據（如，公差、表面處理等）將直接通過CAD軟件的零部件注釋或公差和注釋功能定義在產品模型的特征上。所有的公差注釋內容要在模型中保持唯一。零部件的關鍵特征將由尺寸和公差來表述，所有的尺寸公差將要滿足相應的企業規范。在CAD設計軟件中需要對尺寸、公差、注解、文本或符號均由標注的形式來表示，并通過與模型里的一個或多個特征表面垂直交叉或對齊延長的標注平面表達出來。

3.2 特殊標注（屬性）信息的表達

對于不能用幾何或標注來表示與顯示的附加信息，可根據需要用屬性的形式來表達。工程圖設計時，都是遵循一定的標準進行，如在工程圖恰當的位置上必須標注財產所有權單位、圖形建模比例等信息。與之對應，每個MBD模型也必須包含類似特殊信息，一般有如下設計信息說明要求：

(1)設計模型應按1∶1的比例建模，并在合適的標注中說明；

(2)設計模型采用的尺寸單位應在模型中注明；

(3)設計模型的設計精度要求與整個模型的默認公差值應在模型中注明；

(4)完整的模型應包括幾何模型、標注與屬性信息;

(5)其它需要通過標注平面中表達的管理數據有：建模標準引用注解；設計活動標識;財產所有權與版權說明；保密性說明等。

3.3 非幾何信息在CATIA中的表達

構建一個完整的MBD模型將包括的數據元素有：關聯設計數據；實體模型；零件坐標系統；尺寸、公差和標注；工程說明；材料需求；其它定義數據。其中，工程說明為非幾何信息，其由標準說明、零件說明、標注說明組成。

標準說明是對知識產權和有關管理信息的說明，如財產說明和MBD說明。因此，標準說明必須包含在所有的MBD數據集中。標準說明定義的具體內容由設計公司決定。通常，標準說明的內容有工程內容概述、裝配說明、安裝要求、版權說明、企業名稱、完整性要求、尺寸公差標注遵循的標準、通用最終處理說明、尺寸單位、數據集遵循的數字化定義標準以及數據集模型尺寸比例等。

零件說明是針對整個零件的制造工藝要求，包括如熱處理、零件最終處理和零件說明等信息。所有的零件說明放置在以“Part Notes”命名的特征集中，并在結構特征樹的主分枝上。所有文本字符串可從企業信息管理系統中獲得或由設計者輸入。

對于零件特定結構特征的加工工藝需求，用標注說明定義。標注說明采用旗注標識和包含一個參數的旗注定義聯合說明。旗注是與特征相關的，被放在適當的標注平面中，并用一根導引線指向被描述的相關聯特征上，是用于描述所有完成零件特征的特殊工程文本。旗注定義則是對旗注所關聯特征的加工工藝要求說明，它放在結構特征樹上的標注說明（Annotation Notes）結點中。旗注名字在MBD模型中是唯一的號，放在旗注符號中。

4 MBD裝配安裝模型定義

對于裝配件中小組件、組件中有關零件之間的連接幾何及安裝工藝在裝配需求模型中詳細描述。其中，連接幾何信息主要包括鉚接點、密封區域、墊片區域空間位置幾何模型；而各類安裝工藝要求信息則通過標注定義與結點參數說明的方式實現。MBD安裝模型結構特征樹也以分類方式對結點進行組織與管理，典型的結點包括外部基準信息結點、構建幾何信息結點、工程幾何信息結點、引用幾何信息結點、標準說明結點、零件說明結點、標注說明結點、連接點定義信息結點、密封定義信息結點、墊片定義信息結點、管理屬性信息結點及標注集合結點等。

在MBD安裝模型數據集中的幾何模型定義了連接孔位、孔的法矢、墊片模型和密封模型。墊片的厚度根據實際生產需要進行調整。密封的幾何模型是采用沒有厚度的曲面片模型進行定義。MBD安裝模型數據集中非幾何部分內容包含了對連接工藝、墊片、密封工藝以及管理狀態的說明，它們分別被定義在結構特征樹的相關結點中。連接定義集中包含了對連接的說明，包括零件的疊加順序說明，孔的加工工藝要求，連接件安裝工藝說明以及連接孔的數量說明等內容。飛機上緊固件在MBD模型中表達時可按如下方法進行：鉚釘類單獨安裝的緊固件采用直線表示，直線的粗細反應不同的緊固件直徑，直線長度等于連接夾層的厚度；配合安裝形式的軸類緊固件（高鎖螺栓、環槽釘、螺栓、螺釘）用直線表達，直線的粗細線型反應不同的緊固件直徑，直線長度為螺栓長度減去螺栓頭的厚度，螺母一側為真實凸出長度；配合安裝形式的環形類緊固件（高鎖螺母、釘套、螺母、墊圈）采用圓圈來表達，圓的直徑為真實配合尺寸；托板螺母類帶方向的緊固件采用帶兩段線段的圓圈表達，線段的方向代表托板螺母安裝鉚釘的位置，以方便顯示托板螺母安裝方向和能夠進行干涉檢查；開口銷類緊固件采用短線段表達，并與軸類緊固件特征線相交，長度為銷軸的真實長度。

5 結語

全三維數字化定義方法主導思想不能只是簡單地將二維圖紙的信息反映到三維數據中，而要充分利用三維模型所具備的表現力，提供便于用戶理解、且更具效率的設計信息表達方式。其中最為艱難的是“要從二維圖紙文化這種現有概念中跳出來，從零開始研究新的信息表達方式”。為此，首先應針對飛機概念設計、初步設計、詳細設計、生產準備、評估與檢驗等每個階段，弄清楚“哪些是產品制造中所必須的信息”。所以飛機在設計階段如何定義MBD信息將對下游產生重大影響。同時企業制定適用于本企業發展的MBD規范也是當前工作的重中之重。

參考文獻

[1]飛機數字化裝配技術綜述[J].范玉青.航空制造技術，2006.

[2]基于MBD的飛機數字化裝配技術.先進制造技術，2010.

[3]GB/Z 1998-2003.機械產品數字化定義的數據內容及其組織[S].