基于MBD的數(shù)字化三維協(xié)同技術(shù)應(yīng)用研究

劉爽　孫有

摘 要：隨著工業(yè)化與信息化的深度融合、智能制造技術(shù)飛速發(fā)展，構(gòu)建基于數(shù)字化的設(shè)計(jì)制造協(xié)同工作環(huán)境是企業(yè)實(shí)現(xiàn)高效、智能發(fā)展的必然趨勢(shì)。本文對(duì)MBD的數(shù)字化三維協(xié)同技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：MBD技術(shù);三維協(xié)同技術(shù);應(yīng)用研究

數(shù)字化制造技術(shù)在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，飛機(jī)的研發(fā)、制造方式也在發(fā)生很大的變化。新飛機(jī)工程全面應(yīng)用M BD技術(shù)，采用多廠所異地協(xié)同的研制模式，為航空產(chǎn)業(yè)的跨越發(fā)展提供了難得的機(jī)遇。

一、MBD技術(shù)概述

MBD（Model Based Definition）技術(shù)，即基于模型的定義，有時(shí)也被稱為數(shù)字化產(chǎn)品定義技術(shù)，是一種面向計(jì)算機(jī)應(yīng)用的產(chǎn)品數(shù)字化定義技術(shù)，其核心思想是用一個(gè)集成的三維實(shí)體模型來(lái)完整地表達(dá)產(chǎn)品定義信息，實(shí)現(xiàn)面向制造的設(shè)計(jì)。MBD技術(shù)充分利用三維模型直觀、可視化和準(zhǔn)確表達(dá)的特點(diǎn)，將產(chǎn)品全生命周期過(guò)程中所需的幾何信息和非幾何信息，以注釋或?qū)傩缘姆绞礁郊拥饺S模型中，從而使三維模型成為生產(chǎn)制造過(guò)程中的唯一依據(jù)，為設(shè)計(jì)人員擺脫繁重瑣碎的二維制圖工作提供了可能。

二、MBD的特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析

由于通常的CAD數(shù)模僅包含三維幾何信息，工藝、制造、管理信息存在于二維圖或其他技術(shù)文檔中，使用人員無(wú)法以直觀而明白的方式獲取相關(guān)信息，也無(wú)法直接用三維模型進(jìn)行產(chǎn)品的生產(chǎn)和檢驗(yàn)。為了將三維設(shè)計(jì)向三維制造一體化轉(zhuǎn)變，迫切需要一種方式將三維設(shè)計(jì)信息傳遞到各使用方。MBD是產(chǎn)品定義方式的一次革命，它以更為強(qiáng)大的表現(xiàn)力和易于理解的定義方式，極大地提高了產(chǎn)品定義的設(shè)計(jì)質(zhì)量和利用效率，使設(shè)計(jì)、制造融為一體，是未來(lái)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展方向，必將對(duì)航空制造業(yè)有著深遠(yuǎn)的影響。

1.基于特征的建模方法。不同于其他工程定義方法，MBD是完全基于特征定義的，它不是三維實(shí)體加三維標(biāo)注，而是特征的定義和特征關(guān)系的控制，這是它與其他工程定義方法本質(zhì)的區(qū)別，因而它有更強(qiáng)的表現(xiàn)力，更符合實(shí)際工程的需要。

2.數(shù)字化信息集成。在MBD中，數(shù)據(jù)集以三維模型為核心集成了完整的產(chǎn)品數(shù)字化定義信息。MBD數(shù)據(jù)集內(nèi)容包含設(shè)計(jì)、工藝、制造、檢驗(yàn)等各部門的信息，形成單數(shù)據(jù)源，避免多源數(shù)據(jù)的信息不一致，冗余等問(wèn)題更適合信息的傳遞和應(yīng)用，打破長(zhǎng)期存在設(shè)計(jì)/制造/服務(wù)的信息壁壘。

3.知識(shí)工程的融合。長(zhǎng)期以來(lái)，知識(shí)工程僅停留在理論和研究階段，未能有效地在企業(yè)實(shí)際應(yīng)用并體現(xiàn)價(jià)值，其重要的原因之一是缺乏有效的知識(shí)表達(dá)工具，并將其融入到設(shè)計(jì)、生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，也缺乏有效的知識(shí)收集工具在企業(yè)業(yè)務(wù)活動(dòng)過(guò)程中收集知識(shí)。基于標(biāo)準(zhǔn)的特征定義的MBD技術(shù)可有效地描述設(shè)計(jì)、制造等工程特征，并將蘊(yùn)涵于其中的知識(shí)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化的方式表達(dá)，可以有效地表達(dá)知識(shí)，也利于以數(shù)字化的手段收集、歸納整理知識(shí)。

三、MBD的數(shù)字化三維協(xié)同技術(shù)應(yīng)用研究

1結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)。產(chǎn)品BOM轉(zhuǎn)換。BOM一般指產(chǎn)品物料清單，在設(shè)計(jì)制造協(xié)同環(huán)境下，產(chǎn)品BOM是通過(guò)接收設(shè)計(jì)單位發(fā)送的三維模型或產(chǎn)品數(shù)據(jù)包生成。為產(chǎn)品設(shè)計(jì)三維模型，通過(guò)導(dǎo)入PDM系統(tǒng)后生成產(chǎn)品設(shè)計(jì)物料清單EBOM，該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)可以清晰地表達(dá)設(shè)計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)關(guān)系、零部件數(shù)量，同時(shí)也關(guān)聯(lián)了設(shè)計(jì)三維模型和可視的輕量化模型，附帶設(shè)計(jì)更改單和重要問(wèn)題通知單等。EBOM作為指導(dǎo)下游部門工作的唯一依據(jù)，制造部門無(wú)權(quán)限修改BOM數(shù)據(jù)，只能通過(guò)BOM轉(zhuǎn)換重新搭建生產(chǎn)計(jì)劃物料清單PBOM來(lái)實(shí)現(xiàn)。BOM轉(zhuǎn)換后的PBOM能完整地繼承EBOM的所有信息，同時(shí)還能在PBOM上補(bǔ)充工藝屬性以滿足生產(chǎn)需要，例如工藝路線、產(chǎn)品裝配階段、產(chǎn)品配套類型等屬性。在PBOM上可以根據(jù)實(shí)際裝配需要對(duì)零部件進(jìn)行拆分和重組，最后通過(guò)BOM比較查看兩者的差異，確保PBOM的正確性。在產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的過(guò)程中采用EBOM、PBOM等多級(jí)BOM的管理方式主要是為了適應(yīng)產(chǎn)品在不同任務(wù)階段的需求，通過(guò)協(xié)同和轉(zhuǎn)換各級(jí)BOM的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可以保持與設(shè)計(jì)部門的一致性。

2.結(jié)構(gòu)化工藝。工藝設(shè)計(jì)是連接產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的橋梁，工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)是車間計(jì)劃調(diào)度、生產(chǎn)資源準(zhǔn)備、現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)執(zhí)行的重要依據(jù)，因此工藝數(shù)據(jù)在各環(huán)節(jié)的流轉(zhuǎn)是企業(yè)實(shí)現(xiàn)車間數(shù)字化的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)需要在二維圖樣和三維模型之間反復(fù)轉(zhuǎn)換，工藝規(guī)程與現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)指導(dǎo)卡中大部分內(nèi)容和數(shù)據(jù)需要重復(fù)編制。導(dǎo)致整個(gè)工藝設(shè)計(jì)過(guò)程模型重構(gòu)時(shí)間長(zhǎng)、模型轉(zhuǎn)換易出錯(cuò)、數(shù)據(jù)重復(fù)錄入耗時(shí)多、紙質(zhì)文件管理混亂等問(wèn)題突出。數(shù)字化協(xié)同模式下，工藝人員直接采用三維數(shù)字化模型對(duì)工藝進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)能有效地解決此類問(wèn)題。結(jié)構(gòu)化工藝是將生產(chǎn)制造過(guò)程中的人員、設(shè)備、物料、方法、環(huán)境等內(nèi)容全部定義到工藝規(guī)程中，并與工序和工步形成一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系后組成。

3.數(shù)字化檢驗(yàn)規(guī)劃。生產(chǎn)制造過(guò)程中檢驗(yàn)一般包含工序檢驗(yàn)和產(chǎn)品終檢，對(duì)于產(chǎn)品試制需首件三檢。檢驗(yàn)數(shù)據(jù)通常是工藝或檢驗(yàn)人員根據(jù)產(chǎn)品二維圖樣編制的數(shù)據(jù)表格，需要手工錄入與人工比較。檢驗(yàn)過(guò)程是由專職檢驗(yàn)人員通過(guò)儀器或設(shè)備實(shí)現(xiàn)尺寸、粗糙度等的測(cè)量，對(duì)比設(shè)計(jì)檢驗(yàn)要求進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量的評(píng)定。傳統(tǒng)檢驗(yàn)文件和檢測(cè)過(guò)程中人為影響因素較多，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、真實(shí)性等難以控制，漏檢等情況也常有發(fā)生，由此產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性得不到保證。自動(dòng)化測(cè)量技術(shù)提出較早，主要是借助機(jī)器視覺(jué)、激光、虛擬設(shè)備、三坐標(biāo)等自動(dòng)化裝置實(shí)現(xiàn)特征或尺寸的快速提取，但局限于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的來(lái)源需要手工錄入，仍然難以實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化。

四、M BD技術(shù)在航空制造領(lǐng)域的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

航空制造領(lǐng)域是M BD技術(shù)的重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域之一，國(guó)外航空制造領(lǐng)域以波音、空客為代表，已建立了較為完備的M BD技術(shù)體系，并在波音787、空客A350等新一代飛機(jī)的研制過(guò)程中取得了應(yīng)用。國(guó)內(nèi)航空制造領(lǐng)域在M BD技術(shù)的研究與應(yīng)用方面雖然起步較晚，但近年來(lái)大量的學(xué)者與企業(yè)在M BD技術(shù)的研究與應(yīng)用探索方面開(kāi)展了大量的工作，已取得了顯著成果。M BD技術(shù)在飛機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中的應(yīng)用相對(duì)起步較早，并已開(kāi)始具備一定的工程應(yīng)用能力，一些飛機(jī)設(shè)計(jì)單位在部分型號(hào)研制過(guò)程中已開(kāi)始基于M BD全三維模型進(jìn)行產(chǎn)品模型定義與發(fā)放，部分或完全替代了傳統(tǒng)的二維工程圖。較之于設(shè)計(jì)階段，M BD技術(shù)在制造與檢驗(yàn)方面的研究應(yīng)用起步相對(duì)較晚。但近年來(lái)，特別是在十一五后期與十二五期間，基于多個(gè)國(guó)家與部委科研項(xiàng)目的支持，一些高校、科研院所和企業(yè)相應(yīng)開(kāi)展了基于M BD的工藝技術(shù)、檢驗(yàn)技術(shù)研究與探索，并取得初步成效。

MBD是機(jī)械制造行業(yè)發(fā)展的主流方向與趨勢(shì)，它以極強(qiáng)的產(chǎn)品表現(xiàn)力和易于理解的定義模式促進(jìn)了設(shè)計(jì)制造檢驗(yàn)一體化的進(jìn)程，提高了機(jī)械產(chǎn)品制造的自動(dòng)化程度。逐步打破傳統(tǒng)制造壁壘，建立統(tǒng)一的制造標(biāo)準(zhǔn)，推廣應(yīng)用先進(jìn)的M BD數(shù)字化協(xié)同制造技術(shù)，是促進(jìn)我國(guó)科技發(fā)展，帶動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重大戰(zhàn)略方針。

參考文獻(xiàn)

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