基于MBD技術機械零件設計的研究與應用

黃淑芳，楊家鵬

（廣西水利電力職業技術學院，廣西 南寧530023）

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基于MBD技術機械零件設計的研究與應用

黃淑芳，楊家鵬

（廣西水利電力職業技術學院，廣西 南寧530023）

摘 要：詳細分析了基于MBD技術的機械零件設計方法，以不違背機械設計的基本原則為前提，創建MBD設計環境，整個設計過程面向制造裝配、面向產品的全生命周期、面向協同仿真與虛擬以及面向綠色檢驗體系，實現了全程綠色設計。關鍵詞：MBD技術；機械零件；綠色設計

在制造業迅猛發展的時代，基于數字模型定義MBD（Model-Based Definition）是一種運用集成化的三維數字化實體模型表達完整的產品定義信息的手段，已逐漸成為產品制造過程中的重要依據。

機械零件是機械裝備的構成單元，各個零件根據機械裝備的工作要求，有序的組合，實現各種運動。隨著機械裝備類型的多樣化，零件的專屬性特征愈加突出，進而加大了設計難度。

1　零件設計的傳統思路

盡管機械裝備在功能、原理、類型等諸多方面需滿足不同要求，但是在進行機械零件設計時，依然存在共性，傳統的設計過程如下：

（1）設計前期準備，明確零件的工作要求、工作內容和步驟、工況條件等因素，初步擬定設計計劃。

（2）設計傳動裝置，包括根據上述計劃，分析選擇制定傳動裝置總體方案、明確傳動裝置方案。

（3）計算及設計各零件尺寸，根據上述方案，結合常用機械設計參數和手冊，設計各個零件結構和尺寸。

（4）繪制裝配圖和零件圖，根據前期設計數據，繪制機器工作狀態的裝配圖和各個零件的工作圖，完整表達機器的工作狀態和結構特征。

（5）編寫機器工作說明書以及注意事項，交付制造部門進行生產。

不難看出，傳統的設計過程雖然環環相扣，緊密聯系，但是工作內容比較繁瑣，在完成每一步工作過程中，都有可能出現數據不符合要求或者數據出現矛盾等各種設計中常出現的問題，處理這些問題往往需要從頭開始進行修改和檢驗，到設計后期，若出現數據異常的現象，工作量就更巨大了。當設計完成后，將設計數據轉交給生產部門制定工藝規程，工藝部門會根據工藝要求，對設計數據提出修改意見，設計部門繼續根據工藝意見調整設計數據；當樣機生產出來后，用戶在驗收過程中，亦會對設計數據提出修改意見，設計工作周而復始。顯然，傳統的零件設計工作過程需要繁重的工作量支撐，設計的效率并不高。

以不違背機械零件設計基本原則的為前提，從零件的結構、工作特點對零件設計工作進行重新認識，引入一種基于數字化模型全三維可視相關聯設計技術，對零件設計過程進行重新整合。

2　基于MBD技術的綠色設計

以節約資源和保護環境為宗旨的綠色設計理念已經受到越來越多制造企業和行業的重視，更多的企業已開始把綠色設計技術應用作為其戰略發展的目標。在倡導制造業綠色可持續發展的今天，在零件設計之初就應從根本上杜絕污染、節約資源和能源，充分考慮零件設計及其生產工藝對環境產生的副作用，并將其有效控制，以達到節約工業資源和社會資源的目的。同時，還要滿足勞動保護性能要求，零件設計需要全方位考慮“人-機-環境”的可持續和諧發展，注重設備終端使用者的操作環境，體現產品的個性化操作。

基于數字模型定義MBD（Model-Based Defini－tion）技術，是利用全三維設計技術，將零件的設計概念、工藝參數、性能屬性和功能管理等信息全面附著于零件的三維模型中進行數字化定義和參數管理，同時，利用物聯網，逐步實現制造技術的定制化、個性化和綠色化，如圖1所示。應用MBD技術的設計方法可以滿足零件的多品種多批量、高質量低成本、柔性制造快速響應、節能減排綠色環保等多項指標的要求。

圖1　基于MBD技術的綠色設計

2.1創建MBD設計環境

構建合理高效的設計環境是零件設計的重要前提，在制造業數字化、信息化高速發展的今天，對零件設計的數字環境提出了較高規格的要求。合理的設計環境可以對各個設計特征進行有效采集和管理。按照客戶的要求，根據不同條件使用市場上主流的三維全數字智能化設計集成軟件，如CATIA、SIEMENS NX（UG）、Pro/Engineering、I-DEAS、Topsolid等，構建零件綠色并行設計的數字環境，可以對零件各個參數特征進行數據的創建、存儲、查詢、指派、關聯等各類操作，在數字設計環境中，可以實現MBD數字化定義產品的所有數據，并實現設計、生產、用戶體驗等多部門的共享控制與修改，實現關聯化數據管理［1-2］。基于MBD的設計環境，可以根據企業的實際設計情況對基礎的設計環境進行二次開發，將企業獨有的設計模式、設計理念、環境監測與響應、管理方式等企業品牌元素融入設計環境。同時，借助云共享的大數據平臺，啟用“創客”設計模式，用戶的參與體驗可以及時對零件性能進行反饋，供設計、生產等部門進行產品優化，實現個性化專屬設計生產。構建一個合理“人-機”智能交互的設計環境是基于MBD零件設計方法的重要前提。

2.2設計面向制造裝配

基于MBD技術，零件的設計數據可以實現一次創建多次修改或使用，設計的模型是制造裝配過程的權威數據，在滿足客戶的需求基礎上，必須全力保證設計數據的“根源唯一準確性”，即，設計數據是產品頂層根源且唯一可靠準確的數據，后續的制造、裝配和使用指標等的修改都必須尊重設計時的頂層數據。MBD模型可以在生產中直接使用并進行數控智能編程，作為裝配的精度基準。因此，制造部門需共同參與設計工作，制作部門可以即時對MBD模型制定加工工藝規程，將制造需求轉化為設計要求，編入本企業技術規范手冊，在實際的生產階段，設計部門應該保持與制造部門的協調溝通，最終順利實現零件的生產。

普通的數字模型，基于零件的現實使用特征，通過設計環境中某種特殊的數學描述，經過計算，借助計算機語言，將模型躍然屏幕上［3］。而要面向制造裝配的設計要求，在普通設計模型的基礎上融入“減材”建模理念，因為作為一個具有可加工意義的MBD模型，除了要表達外觀特性外，還需要滿足加工制造的可靠性。在設計過程中，設計理念和工藝要求并駕齊驅，設計工作需充分添加毛坯尺寸、對刀精度、走刀路線、刀補半徑、加工順序等制造要素。對每一個零件的設計參數進行規范管理，應根據制造過程的順序排列布置設計參數。同時，對所有零件進行內部標定，應該根據裝配的順序進行各個零件的布置與設計。各個零件的裝配節點應該在設計過程中進行標定，以便提高后續裝配精度的可靠性。在零件設計階段，通過MBD技術建立的模型在虛擬環境下對設計和工藝方案進行仿真驗證和優化，實現在實際裝配之前的虛擬裝配，在零件設計階段就能消除潛在的裝配缺陷，是零件綠色并行設計的關鍵工作。基于MBD技術的零件設計應該是面向后續制造與裝配，各個零件設計參數都能作為后期工作的重要參數依據。詳細的設計階段必須完成各個零部件的全數字三維設計工作，同時生成可以制造的MBD數據庫。

2.3設計面向全生命周期

基于MBD技術的零件設計過程除了根據客戶對產品的要求，在傳統設計的基礎上并行優化設計結構外，更融入綠色設計理念，面向零件的全生命周期做出合理設計。設計人員在產品規劃階段，就要把零部件拆卸與維修、零件再回收利用以及保證零件的性能、質量、成本、壽命等要求列為設計的目標，并保證在產品制造、運輸、交付客戶使用過程中能夠順利實施。

基于MBD技術的設計參數可以是復雜多變，盡管如此，設計人員在面向全生命周期的設計過程中應當對一些條件做出限制和規定。傳統設計理念，忽略了對零件失效后的處理，基于MBD技術的零件設計，必須重視回收處理失效報廢的零件，對零件的使用進行全程跟蹤，當出現緊急情況時，系統可以做出預警，防止產品出現安全隱患，對于超出使用壽命的零件，進行回收再生，零件可以循環利用，廢棄物進行合理有效處理。

2.4設計面向協同仿真與虛擬

基于MBD技術的零件設計需要面向虛擬樣機制作和各機構協同仿真設計開發，以零件MBD數字模型為基礎，以運動學、動力學和電子控制技術為支撐，將零件的設計開發和機構運動分析集成化，使設計者、制造者和使用者能在產品的設計構思階段，直觀形象的對零件進行參數設計、仿真制造、仿真使用、性能測試、故障檢測、失效預測等，為產品的全面研發提供全面可靠的數字化設計管理。同時，有效進行零件強度分析，確定設計機構和參數值，力爭獲取零件最佳綜合機械性能；根據需要，通過熱力學、流體力學等分析，仿真虛擬各個機械系統的潤滑、供油、冷卻、進排氣等工作狀態，針對虛擬試驗結果調整各個零部件子系統的參數，獲取最佳整體工作狀態；通過零件虛擬仿真運動分析，進行運動干涉排查，間隙動靜態變化，磨損的變化趨勢，直觀形象對零件的工作作出正確的失效預測。仿真裝配工作，可以即時動態監測零件的尺寸公差，各零件在裝配過程中是否發生干涉，原有設計參數制造工藝參數能否滿足既定裝配精度，同時也可以檢驗裝配工藝的準確可靠性。

機械裝備的運轉是一項動態、復雜、多零件協調相互作用的綜合性工作，前期每一個零件中的每一組參數的獲得都是針對單一零件的極限狀態或者許用條件獲得，零件之間的關聯性尚未得到驗證，通過協調仿真與虛擬，從材料屬性、設計參數、制造工藝、動力場、溫度場、受力狀態、性能變化、失效極限等各個條件進行綜合或者單一分析，對設計進行優化處理，獲得良好的集成綜合數據。

2.5設計面向綠色檢驗體系

長久以來，零件設計注重性能的表現，缺乏對檢驗體系的關注，基于MBD技術，零件設計不僅關注各個的設計參數、制造、組裝及性能測試，還面向綠色設計建立綠色檢驗體系。基于MBD技術的零件設計綠色檢驗體系應該包括環境指標、能源指標、經濟指標、宜人指標等指標。例如，不選擇短缺稀有材料，在產品中減少材料類型，拒絕使用含毒材料，優先選擇可再收循環利用型材料；零件設計的結構盡量采用模塊化，易拆卸清潔，產品進行系列化，精簡產品的包裝，便于運輸，包裝的材料可以就地降解腐化；在制造過程減少污染物的排放；在使用過程不產生有毒污染物；還要注重考慮機電裝備的人機交互性，各個零件相互位置的合理性、運轉的高效性等，同時讓使用者感到安全和穩定。

3　基于MBD技術的零件設計實例

廣西南寧沃源重工機械設備有限公司研發部基于MBD技術，成功的研發了具有國內先進水平的WYZ225-8型號的鑿巖機并投入市場，獲得客戶的高度認可。為了實現高效綠色的零件設計工作，研發部門創建了具有本企業品牌元素特征的MBD設計環境，實現所有設計參數的共享控制和數據管理，同時，將生產部門進行在線聯網，生產部門可以即可就工藝對設計提出意見，即時做出數據調整。所有數據最終將被記錄，匯總成為本企業的設計手冊和工藝文件，為后續的產品升級開發奠定依據。鑿巖機的工作條件決定了零件結構復雜、數量眾多等特點，倘若按照傳統設計過程，直接制作樣機的話，將消耗大量的能源，基于MBD技術的綠色設計，根據現有條件設置比例參數，通過3D打印，制作出可靠參考的模型，為后期制作的虛擬樣機提供有效實物參考。

對于鑿巖機來說，由于其工作空間的限制，需要考慮其各個組成部件的運輸、拆卸和維修的便捷性與可靠性，同時，鑿巖機內的關鍵零件需要具備良好的減震性，以及鑿巖機整體需要擁有較好的除塵效果。設計師難以去工作現場進行實時數據采集，因此，在對零件進行面向產品的全生命周期的設計，進行關鍵傳動零件的截面分析和測量空間分析，找出存在問題進行優化修正，還要充分考慮人機工程等因素。考慮到零件的工作環境復雜多變，難以預測，設計時可以適當放大設計參數，擴大使用范圍，可以隨時或者及時根據工況條件更換主體部件。而這就加大了對產品靈活性的開發，需要進行各個零件的有效協同仿真與虛擬。鑿巖機型號的系列化，根據工況需要搭載不同的零件，對同一類型的零件不應造成設計資源的浪費。隨著用戶群的多樣性和復雜化，對每一臺鑿巖機，尤其關鍵部件實行跟蹤管理，若有不符合當前工況的情況，即時進行回收與更換，實現了資源的優化重組。

有別于傳統的設計方法，沃源公司將零件設計工作建立在數字模型定義的基礎上，設計環境簡潔統一，把設計與制造裝配、產品的全生命周期、協同仿真虛擬、綠色檢驗體系高度結合，各個工作看似獨立，但卻是基于準確的MBD原始模型數據，解決了傳統設計的單一、效率低、各部門品質指標不一致、后期產品開發滯后等不足。沃源公司將基于MBD技術的零件設計方法在企業內部進行全面推廣，逐步建立與完善企業的產品技術參數數據庫，為產品類型的多樣化奠定有效的技術基礎。

4　結束語

在數字智造的時代，基于MBD技術，有效的提高了零件設計的效率，在不違背零件設計思路并結合并行設計的基礎上，進一步注重“人-機-環境”友好和諧發展的綠色設計理念，該方法同時也是裝備制造業優化創新設計的重要技術手段，有效地縮短了機電裝備的研發周期，保障設計的準確率和精確度。在每一項設計決策中都充分考慮各項指標進行全方位多角度設計，將零件的全生命周期中所有可能產生的都在設計階段進行盡早有效處理控制與優化，為下游的制造、使用提供了可靠數據來源，提升機械裝備質量和市場競爭力。

參考文獻：

［1］李平平.航空發動機典型結構件參數化設計研究與應用［D］.北京：北京航空航天大學，2012.

［2］劉俊堂.關聯設計技術在飛機研制中的應用［J］.航空制造技術，2008，14:45-48.

［3］呂國林，褚學寧.自頂向下設計的多骨架建模方法［J］.計算機輔助設計與圖形學報，2015，27（3）：548-558.

The Research and Application of Mechanical Parts based on MBD Technology Design

HUANG Shu-fang，YANG Jia-peng
（Guangxi Hydraulic and Electric Polytechnic，Nanning 530023，China）

Abstract：This paper analyzes the mechanical component design method based on MBD technology，on the premise of not violate the basic principles of mechanical design，create MBD design environment，the entire process of design for manufacturing assembly，the whole life cycle of product oriented，for green and collaborative simulation and virtual testing system，all the green design is realized.

Key words：MBD technology；mechanical parts；green design

中圖分類號：TH122

文獻標識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）03-0063-03

收稿日期：2015-12-20

基金項目：廣西教育廳科研項目，機電產品綠色設計技術的應用研究（項目編號：桂教科研［2012］10號）

作者簡介：黃淑芳（1984-），女，碩士研究生，講師，研究方向：機械制造技術。