MBD技術(shù)實施研究

姜紅明，張豐華，吳慧杰，任 召，楊 林

（西安航空計算技術(shù)研究所，西安 710119）

0 引言

在復(fù)雜零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，目前大部分企業(yè)實現(xiàn)了以三維建模為主要設(shè)計手段，但在向生產(chǎn)車間傳遞制造信息過程中，還依賴于二維與三維結(jié)合的圖紙表達方式，圖紙的空間局限性限制了圖紙的表達能力，也因此限制了復(fù)雜模型從設(shè)計向生產(chǎn)的順利轉(zhuǎn)化，制約著設(shè)計和生產(chǎn)能力的進一步發(fā)展。

1 傳統(tǒng)設(shè)計面臨的主要問題

傳統(tǒng)的設(shè)計生產(chǎn)流程如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)設(shè)計流程

圖2 復(fù)雜零件局部尺寸標(biāo)注

在傳統(tǒng)設(shè)計生產(chǎn)流程中，由于所有設(shè)計內(nèi)容及工藝內(nèi)容全部以二維圖紙的形式傳遞，導(dǎo)致產(chǎn)品的實際構(gòu)型需要在設(shè)計、工藝和生產(chǎn)等環(huán)節(jié)中不斷進行三維、二維投影轉(zhuǎn)換，各環(huán)節(jié)中容易出現(xiàn)理解偏差等問題，并且對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，從設(shè)計人員開始就面臨繪制設(shè)計圖紙的難題，對于一個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，由于內(nèi)腔的多凸臺和多銜接面特性，設(shè)計圖紙內(nèi)往往需要包括大量的標(biāo)注信息，在圖紙設(shè)計過程中，隨著所需標(biāo)注數(shù)量的增加，遺漏或過約束的可能性隨之提高，在有限的圖紙空間內(nèi)，如何有效的布置尺寸標(biāo)注，方便審簽人員、工藝人員和加工車間準(zhǔn)確快速地理解設(shè)計意圖，已成為設(shè)計人員在繪制圖紙時面臨的主要難題，對于圖紙中特別復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如圖2所示，為了完成該圖紙的標(biāo)注，設(shè)計人員花費幾倍于方案設(shè)計過程的時間，而得到的圖紙在隨后的審簽、工藝編制和加工過程中還是容易發(fā)現(xiàn)遺漏尺寸等問題，并且由于圖紙篇幅有限，尺寸過于密集，圖紙在曬藍后線條難以分辨，容易導(dǎo)致圖紙理解錯誤，以致產(chǎn)品需要維修或報廢，因此復(fù)雜零件的二維設(shè)計方法已經(jīng)難以滿足越來越多的復(fù)雜零部件設(shè)計需求。

2 MBD技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢

近年來MBD技術(shù)在多行業(yè)得到了較為迅速的推廣，MBD（基于模型的數(shù)字化定義）可以理解為把一個零部件進行完整定義的技術(shù)，包括構(gòu)造、注釋、基本屬性、材料、審批和更改等信息，還可以包括工藝過程、加工仿真等內(nèi)容，完整的基于MBD技術(shù)的零部件模型定義應(yīng)能夠滿足所有模型使用者的要求，提供各類必須的信息。

對于設(shè)計研發(fā)部門來說，上述二維圖紙所要表達的信息都可以通過MBD技術(shù)來實現(xiàn)，基于MBD技術(shù)的主要設(shè)計生產(chǎn)流程如圖3所示。

圖3 基于MBD技術(shù)主要設(shè)計生產(chǎn)流程

在基于MBD技術(shù)的設(shè)計生產(chǎn)流程中，產(chǎn)品從設(shè)計到生產(chǎn)全部是在三維模型的基礎(chǔ)上進行，模型中同時集成了工藝、生產(chǎn)和檢驗等環(huán)節(jié)中必須的信息，保證了產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)在任何環(huán)節(jié)的一致性，能夠有效解決基于圖紙進行設(shè)計生產(chǎn)面臨的問題；同時，基于模型數(shù)據(jù)唯一性的優(yōu)勢，產(chǎn)品的技術(shù)狀態(tài)管理過程更為簡單準(zhǔn)確。

3 MBD模型實例

在三維建模軟件（如CATIA等）環(huán)境下，建立MBD模型如圖4所示。

圖4 MBD模型實例

模型中各種基本特性定義包含于特征樹上，如圖5所示。

圖5 MBD模型特征樹實例

圖6 MBD模型標(biāo)注實例

對于各類尺寸標(biāo)注，由于模型是可測量的，一般認(rèn)為無特殊要求的尺寸不再特別標(biāo)注，對于外形尺寸、基準(zhǔn)面、配合安裝孔和特殊精度要求尺寸等，則需要分類標(biāo)注，具體標(biāo)注方法根據(jù)所遵循的標(biāo)準(zhǔn)（規(guī)范）不同而存在較大區(qū)別，但相比于二維圖紙而言，MBD模型空間中的標(biāo)注等信息通常由于非常簡潔，可以分類查看，并且具有關(guān)聯(lián)特性，因此其易于理解的特性是顯而易見的，如圖6所示。

通過選擇其中任意標(biāo)注尺寸，其關(guān)聯(lián)特征即被高亮顯示（CATIA中默認(rèn)高亮顯示為橘黃色），如圖7中選擇“3-Φ10 通”尺寸所示，關(guān)聯(lián)孔及基準(zhǔn)面均已高亮顯示。

圖7 特征與標(biāo)注尺寸的關(guān)聯(lián)效果

對于未在模型中標(biāo)注的尺寸，可以通過模型查閱工具或者CATIA內(nèi)部的測量工具獲得相應(yīng)尺寸，尺寸的公差等按照特征樹上技術(shù)要求中所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)確定，如圖8所示，通過查詢，得到板厚為9mm。

圖8 通過查詢獲得所需尺寸

4 MBD技術(shù)實施面臨的問題

MBD技術(shù)能夠很好地解決基于二維圖紙進行復(fù)雜零件結(jié)構(gòu)設(shè)計面臨的難題，但是從設(shè)計人員的角度考慮，MBD建模的過程需要非常熟練地掌握相應(yīng)的設(shè)計工具，并依據(jù)全新的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范來建立模型，建模過程中的每一處細(xì)節(jié)都必須按照全新的基于MBD模型定義技術(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范執(zhí)行，其理解與運用的過程也是一個較為漫長的過程，因此往往受到較大的實施阻力。此外，從設(shè)計人員的工作量角度考慮，其所需的建模時間與設(shè)計二維圖紙相比，可能還需要更多的時間。這是因為，MBD模型在建模過程中通常是在二維草圖的基礎(chǔ)上變換而來的，二維草圖的繪制效率通常比傳統(tǒng)的AUTOCAD軟件效率要低，如圖9所示，模型通常含有多個草圖，每個草圖都需要有相應(yīng)的尺寸約束，多個草圖中的約束總數(shù)比傳統(tǒng)二維圖紙的尺寸標(biāo)注數(shù)量可能還要多。MBD模型的最大優(yōu)勢體現(xiàn)在建模完成后為之后的仿真、審簽、工藝編制及加工等后續(xù)環(huán)節(jié)提供了準(zhǔn)確、直觀和易于被電腦識別的數(shù)據(jù)源，是后續(xù)開展基于MBD技術(shù)工藝編制、加工等工作的前提條件。

圖9 建模過程草圖

當(dāng)然，對于設(shè)計人員來說，MBD建模技術(shù)最大的優(yōu)點在于可以進行協(xié)同設(shè)計，以及和辦公系統(tǒng)集成后的基于生命周期的技術(shù)狀態(tài)管理方式，發(fā)揮MBD技術(shù)的這兩方面優(yōu)勢將能有效提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量和質(zhì)量管理水平。

5 MBD技術(shù)實施主要內(nèi)容

MBD技術(shù)建模過程中，相對二維AUTOCAD軟件來說，三維建模過程更為復(fù)雜和靈活，其模型信息的承載可以通過圖層、模型視圖、特征樹等形式和模型的創(chuàng)建可以通過草圖、特征和自由形狀建模等方法，因此在模型的創(chuàng)建和信息組織方式上更加復(fù)雜多樣，為了使設(shè)計人員方便地使用三維軟件開展MBD相關(guān)工作，或者對MBD模型實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的計算機輔助檢查，需要對MBD設(shè)計制造軟件進行一些符合企業(yè)使用要求的二次開發(fā)工作。二次開發(fā)的內(nèi)容一般包括：三維標(biāo)注輔助工具、材料庫、制造工藝庫、工程圖紙或工藝卡片的標(biāo)準(zhǔn)模板、模型檢查工具、標(biāo)準(zhǔn)件庫、知識庫和快速設(shè)計系統(tǒng)等等。

MBD技術(shù)是一個系統(tǒng)的技術(shù)，需要從軟件基礎(chǔ)環(huán)境、數(shù)據(jù)庫支撐平臺、網(wǎng)絡(luò)信息環(huán)境、信息安全體系等基礎(chǔ)方面進行較大投入和建設(shè)，特別是軟件基礎(chǔ)環(huán)境的建設(shè)，其中支撐軟件包括CAD、CAPP、PDM等軟件；數(shù)字化仿真軟件，如CAE、CFD等等，以及數(shù)字化制造軟件、數(shù)字化管理軟件等等，MBD技術(shù)的實施是對傳統(tǒng)設(shè)計方法的根本變革。

6 結(jié)論

MBD技術(shù)作為設(shè)計制造業(yè)未來發(fā)展的趨勢，將為企業(yè)帶來管理和效率上的飛躍。從傳統(tǒng)基于圖紙的設(shè)計制造體系向MBD技術(shù)體系發(fā)展將是企業(yè)提高競爭力的必要過程，當(dāng)前許多航空企業(yè)已開始推行MBD技術(shù)，在現(xiàn)有大量圖紙數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上向MBD技術(shù)體系過渡都會遇到許多困難，如何平穩(wěn)過渡是MBD技術(shù)實施過程中的最大難題，解決好各環(huán)節(jié)中的思維慣性帶來的阻力將會取得事半功倍的效果。

[1] 梅中義. 基于MBD的飛機數(shù)字化裝配技術(shù)[J]. 航空制造技術(shù).

[2] HB 7756.1-2005. 基于CATIA建模要求[S]. 第1部分:通用要求.

[3] HB 7796-2005. 航空產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理通用要求[S].

[4] HB 7757-2005.飛機數(shù)字樣機通用要求[S].

[5] QAVIC 01800-2011基于模型的定義 通用要求[Z].

[6] 基于MBD的三維數(shù)字化工藝方案介紹[Z]. 安托公司.