基于MBD的變流器產品全三維設計技術的研究

黃超 侯濤 尚鋒亮 李竹可 李磊

摘 要：模型定義技術是將各種定義信息集成在三維實體模型中來完整表達產品信息的一種數字化技術。文中在介紹模型定義技術概念的基礎上，通過分析變流器產品的實際業務需求，提出了規范化建模、三維模型標注、模型檢查的要求，總結出變流器產品全三維設計方案，對變流器產品的三維設計具有一定的指導意義。

關鍵詞：模型定義技術；全三維設計技術；三維建模；三維標注；模型檢查

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）03-00-02

0 引 言

目前，變流器產品的開發普遍使用3D模型+2D工程圖的模式來指導生產。在研發過程中，設計人員不僅要花費大量時間進行三維圖與二維圖紙的轉化，而且由于二維工程圖紙對現場加工和組裝信息的傳遞缺乏直觀性，導致產品的數據不能準確快速地傳達到生產現場。因此將一個包含所有設計信息的完整模型準確傳遞下去是未來產品開發的必然需求。

1 MBD全三維設計概述

基于模型定義技術（Model Based Definition，MBD）的全三維設計技術在建立三維模型時，不僅要包含精確的產品幾何模型，還要包含表示產品尺寸、公差、基準、材料等非幾何信息，以滿足下游工藝設計和檢驗設計的要求，替代原二維圖樣，從而實現取消二維圖紙的功能，成為實現“模型下車間”的技術基礎。全三維設計過程中全部采用三維模型，其典型特征是利用了模型的定義技術。圖1顯示了傳統模式和MBD模式下產品設計的比對。

2 變流器產品的全三維設計技術

為了使變流器產品的三維設計模型便于后續部門進行模型共享和共用，我們提出了變流器產品的全三維設計技術。該技術需通過以下方式實現：規范創建實體模型；完成三維標注；進行模型檢查。全三維模型設計實現過程如圖2所示。

2.1 實體模型

產品的三維模型是產品信息集成系統的源頭，因此，在工程設計中，三維建模是非常重要的環節。一個好的模型會起到事半功倍的效果，不僅能提高設計效率，而且更重要的是為信息集成奠定了基礎。

2.1.1 模型的評價原則

對于同一個模型，不同的人會得到不同的結果。那么，有沒有統一的標準來評價這些三維模型呢？實際上，在工程設計中，很難找到這樣一個標準，我們不能簡單地說一個模型是對還是錯，只能相對地說一個模型是好還是壞。三維建模應遵循兩個總原則：一是三維模型一定要包含盡可能完備的產品信息；二是最終的模型一定要容易修改。

2.1.2 模型創建的基本原則

如何建模才能使模型包含盡可能完備的產品信息并且容易修改呢？按照國家標準《GB/T 26099.1-2010機械產品三維建模通用規則》中的要求，主要應遵循三個原則：第一，在建模之初考慮模型的架構及基礎信息的填寫，即材料的選擇、參數的設定、模板的選擇等；第二，在草圖繪制階段確立設計基準，創建模型的基本特征；第三，在模型構建過程中，確立不同特征的幾何約束或尺寸關系，對特征樹進行規范化命名。

2.1.3 實例說明

鈑金件是變流器產品中最常見的加工件，按照以下幾方面規范要求建立此模型：

（1）根據生產車間提取的模型需求信息，建模時采用鈑金模板通過數控加工的生產工藝進行模型構建；然后分配相應材料，根據材料設定鈑金的折彎內角，K因子系數，DEV參數等。模板及基本信息如圖3所示。材料及系數設定如圖4所示。

（2）建立特征時首先建立模型的基本特征（如框、座等）；然后建立模型的細節特征（如孔、倒角等），為了便于實施MBD一體化，變流器產品中多邊孔、長圓孔等都應先進行基準點定位，再采用草繪開孔形狀的方式來創建該特征。

（3）在模型構建過程中，確立不同特征的幾何約束或尺寸關系，并對特征樹進行規范化命名，方便在后期模型修訂優化過程中快速準確地找到相應特征。

2.2 三維標注

三維標注是將產品模型的幾何信息和非幾何信息由設計過程傳遞至生產加工過程，打通設計、工藝和制造的三維數據鏈。三維標注按照國家標準《GB/T 24734.1-2009技術產品文件 數字化產品定義數據通則》進行，在三維模型上直接進行尺寸、公差、表面結構、注釋等信息的標注，所標注的尺寸值會隨三維模型實體的改變而自動更新，從而更加直觀地表達設計意圖。

2.2.1 三維標注視圖管理開發

由于MBD標注基于三維環境進行，我們提出了分視圖、分圖層的信息表達管理方法，開發了組合視圖等功能。分視圖、分圖層如圖5所示。

首次提出并開發了組合視圖功能，應用者選定主視圖后，系統自動定義其他方向的視圖，標注時需激活相應視圖，當存在干擾標注時，可激活當前視圖標注，關閉其余視圖，解決三維標注存在的“刺猬”現象。

2.2.2 三維標注功能板塊開發

通過三維軟件提供的二次開發接口，開發構建了符合國家標準的尺寸、公差、表面結構、焊接符號、注釋等標注模塊。三維標注功能板塊如圖6所示。

2.3 模型檢查

三維模型構建和標注的準確性是影響MBD模型共享的重要因素，基于模型的三維標注支持真尺寸和假尺寸兩種方式。在某些情況下，設計師為了保證設計任務能夠按時完成，會采用假尺寸的標注方式進行尺寸標注，從而減少修改三維模型的工作量。但是由于MBD模型的特殊性，其三維標注的模型會直接作為加工制造的數據來源，所以假尺寸就意味著無法表達真實的三維模型結構，從而造成生產事故，影響產品交付。所以三維設計模型在發放下一用戶前必須進行模型檢查工作。

模型檢查的原則為：

（1）模型中幾何信息的完整性、正確性和可再生性；

（2）工程屬性信息描述的完整性；

（3）模型的尺寸標注信息。

模型檢查的內容主要包括：

（1）參數完整性檢查；

（2）替代尺寸檢查；

（3）元件約束完整性檢查。

模型檢查功能的實現推進了模型的規范性和正確性，提高了產品三維模型的設計質量。

3 結 語

從規范化實體模型構建，到三維模型的標注，再到模型檢查，都為實現MBD全三維設計提供了堅實的設計基礎，使模型在不同部門之間得到共享。全三維設計技術的采用，將大幅提高變流器產品研制的整體效率。將含有標注的三維模型作為指導生產加工的唯一數據，取代二維工程圖是必然趨勢，如同之前甩圖板工程用AutoCAD替代了圖板和鉛筆繪圖一樣。但是任何事物都有其發展過程，由于目前國內全三維設計體系還不夠完善，全三維設計模式對現有的設計體系、工藝體系、檢驗體系及制造體系產生了深刻的影響。我們應結合自身產品研制現狀，以GB/T24734.1，GB/T26099.1等國家標準為基準，大力推進全三維設計技術，深入推廣全三維設計技術的應用，使變流器產品的研制生產得到跨越式發展。

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