MBD技術(shù)在智能制造與教改中的發(fā)展應用

包木鵬 謝玉東 王 勇

（1.山東大學 機械工程學院，濟南 250061；2.高效潔凈機械制造教育部重點實驗室（山東大學），濟南 250061）

智能制造貫穿于產(chǎn)品的全生命周期，如圖1所示，開創(chuàng)了制造業(yè)智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的制造新階段。目前，全國各大高等院校都在全力推進智能制造新工科的建設(shè)與發(fā)展。制圖課程是新工科課程建設(shè)必不可少的基礎(chǔ)課程，包括“機械制圖”“工程制圖”“設(shè)計制圖”等，涉及機械工程、材料科學與工程、控制科學與工程、電氣工程、能源與動力工程以及土建與水利等專業(yè)。

圖1 貫穿于產(chǎn)品的全生命周期的智能制造

1 MBD介紹

蒙日創(chuàng)立了畫法幾何，將物體按一定的投影方法和有關(guān)標準畫出，使用數(shù)字和標記等標注出物體的巨細、屬性和有關(guān)加工制造的工藝標準及使用介紹，使得產(chǎn)品的制造者和后期的維護者能夠根據(jù)圖樣領(lǐng)會設(shè)計人員的思想，因此工程圖樣被喻為工程界的語言。以傳統(tǒng)的二維工程圖樣為核心的信息傳遞方式，如圖2所示。設(shè)計人員將產(chǎn)品以規(guī)范化的二維工程圖的形式呈現(xiàn)，然后將二維工程圖傳遞給工藝部門；工藝部門的人員拿到二維工程圖后，需先讀懂二維工程圖，領(lǐng)會設(shè)計者的意圖，然后融入工藝信息，并把有關(guān)圖紙資料傳遞給制造部門；制造部門的人員需要先讀懂二維工程圖，領(lǐng)會設(shè)計者和工藝編制者的意圖，然后再開始加工。在這個過程中，非設(shè)計部門的人員需根據(jù)二維圖紙構(gòu)思出產(chǎn)品的三維模型，以驗證圖紙和產(chǎn)品的合理性。

圖2 以二維圖為核心的信息傳遞方式

基于MBD的信息傳遞方式如圖3所示。MBD的信息傳遞方式與以二維圖紙為核心的傳遞方式存在很大不同。MBD的信息傳遞省略了工藝流程中由幾何模型生成二維圖紙和由二維圖紙構(gòu)思幾何模型的過程，簡化了從研發(fā)設(shè)計到加工生產(chǎn)之間的工藝流程。它將模型的幾何信息、尺寸公差、形位公差、表面粗糙度、零件注釋、技術(shù)要求和材料說明等信息直接標注在幾何模型上。各部門之間傳遞信息都是依靠幾何模型，不需要由二維圖紙構(gòu)思幾何模型，因此能夠提高工作效率，而且有利于智能制造的快 速發(fā)展。

圖3 基于模型定義的信息傳遞方式

2 MBD應用方向及現(xiàn)狀

隨著智能制造和數(shù)字化等先進技術(shù)的不斷進步與發(fā)展，三維造型技術(shù)在智能制造行業(yè)中的應用越來越多，基于MBD的表達方式在制造業(yè)和機械制圖中的應用也越來越廣泛。MBD技術(shù)使產(chǎn)品在表達方式上與傳統(tǒng)表達方式相比發(fā)生了很大變化，對智能制造技術(shù)產(chǎn)生了巨大影響，使計算機三維設(shè)計進入了一個新的時代。MBD技術(shù)在高校的教學改革中也發(fā)揮著巨大作用。隨著制圖類課程的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的機械圖紙表達方式可以根據(jù)MBD技術(shù)進行改革，從而探索一種新的授課方式，以提高授課質(zhì)量，提升學生的個人能力和個人素質(zhì)，同時滿足各大企業(yè)對高校培養(yǎng)人才的需求。

鄧云飛等[1]介紹了MBD技術(shù)的誕生、發(fā)展和MBD技術(shù)當下在航空航天以及相關(guān)方向上的使用情況，介紹了MBD技術(shù)在航空制造業(yè)研發(fā)設(shè)計中的使用現(xiàn)狀，展望了MBD技術(shù)在未來航空、航天上的發(fā)展前景。邱世廣等[2]研究發(fā)現(xiàn)，如果想要在保證研發(fā)質(zhì)量的情況下縮短研發(fā)時間，必須升級現(xiàn)在落后的技術(shù)手段，而目前的MBD表達方式可以滿足這樣的要求，能夠以一種新的三維數(shù)字化表達方式替代傳統(tǒng)的表達方式，從而縮短飛機研發(fā)制造的時間，顯著提高企業(yè)的研發(fā)生產(chǎn)效率。曹清園等[3]認為，隨著智能制造和數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)為順應數(shù)字化發(fā)展而不斷進行產(chǎn)業(yè)升級和改造，使MBD技術(shù)在越來越多的制造業(yè)中得到了應用。為適應企業(yè)技術(shù)變化，工程制圖類課程改革也應該加快。要根據(jù)課程實際需要調(diào)整制圖教學模式，并且基于MBD技術(shù)進行全面的技術(shù)調(diào)整，以適應當前的社會需求和制造業(yè)的發(fā)展。郭南初[4]以高等職業(yè)院校的機械制圖為基礎(chǔ)，思考了應如何開展學科改革，認為該課程是培養(yǎng)學生思維能力與創(chuàng)造能力的重要課程，提出了關(guān)于機械制圖的課程改革。課程改革的結(jié)果與企業(yè)的用人反饋顯示，該課程改革取得了明顯成效，極大地提高了學生的學習熱情。于勇等[5]主要分析數(shù)字化表達技術(shù)各個階段的發(fā)展情況，根據(jù)企業(yè)發(fā)展需求，結(jié)合實例分析，發(fā)現(xiàn)將MBD技術(shù)與教學相融合可以提升學生的學習興趣和積極性。張宗波等[6]認為，隨著近些年計算機相關(guān)技術(shù)的不斷進步，計算機造型技術(shù)得到了快速提升。雖然目前三維造型技術(shù)不會完全取代二維圖紙，但是為了適應制造業(yè)的發(fā)展，應該將計算機三維造型技術(shù)與工程圖學課程相互結(jié)合，探索出一種新的授課模式，以提高學生的看圖、識圖和實踐能力。王利等[7]基于智能制造這一時代背景，探究制圖類課程應該如何進行教學改革和教學改革所包含的內(nèi)容，認為應該加快基于新背景下的機械制圖課程改革，培養(yǎng)出看圖、識圖和動手操作能力強的全面發(fā)展的人才。穆浩志等[8]以教育部提出的卓越計劃為背景，結(jié)合當前企業(yè)對人才的具體要求，在充分了解制圖類教學改革內(nèi)容的基礎(chǔ)上，提出應該建立以思維創(chuàng)新為主的新的教學體系與方法，以培養(yǎng)學生的工程師能力素養(yǎng)，同時應該注重學生的個性化發(fā)展，通過課程改革提高學生學習的主動性和創(chuàng)新性，以及學生的綜合能力和綜合素質(zhì)。

3 MBD在制造業(yè)中的應用與發(fā)展

機械圖紙在制造業(yè)中具有重要作用。最初的機械產(chǎn)品加工需要根據(jù)圖紙進行操作，由于圖紙是二維的工程圖紙，要求研發(fā)人員和加工人員都要具備一定的繪圖能力和立體幾何構(gòu)思能力。隨著計算機功能的不斷強大，計算機輔助設(shè)計技術(shù)逐步完善。計算機輔助設(shè)計能夠減少研發(fā)人員的工作量，降低工作難度。雖然三維圖紙比二維圖紙更加清晰可觀，但是無法直接表達尺寸公差、形位公差以及緊固件之間的配合要求等。

MBD技術(shù)的表達方式已經(jīng)在計算機輔助設(shè)計軟件中成功應用，可以把二維圖中的數(shù)據(jù)直接標注在幾何模型中。所有的創(chuàng)新研發(fā)和信息標注都可以在幾何模型設(shè)計中完成，大大減少了研發(fā)人員的工作量，減少了完整表達出工件信息和數(shù)據(jù)所需的圖紙，縮短了加工人員看圖和讀圖的時間，提升了企業(yè)的加工和生產(chǎn)效率。MBD制圖與傳統(tǒng)制圖存在很大不同。現(xiàn)代的MBD制圖效率更高、集成化更高、圖紙量更少，且圖紙數(shù)據(jù)更加清晰、直觀。現(xiàn)代制圖與傳統(tǒng)制圖對比圖，如圖4所示。

圖4 現(xiàn)代制圖與傳統(tǒng)制圖對比圖

傳統(tǒng)研發(fā)制造的表達方式以二維圖紙為主，繪制出圖時間長，生產(chǎn)效率低。隨著計算機三維造型技術(shù)的進步，三維設(shè)計的表達方式逐漸增多。如今，MBD全三維造型技術(shù)可以在三維設(shè)計中完成所有的工作，顯著提高了研發(fā)效率，因此更多的企業(yè)開始采用新的表達方式。目前，MBD表達方式在航空航天中已得到了廣泛應用，并且取得了良好成效。波音公司率先采用MBD技術(shù)進行技術(shù)升級，取得了顯著成果。其他航空企業(yè)和一些相關(guān)制造業(yè)也開始采用MBD技術(shù)的表達方式進行技術(shù)升級。我國很多航空公司采用該項技術(shù)，大幅提升了研發(fā)效率和生產(chǎn)效率。雖然MBD技術(shù)在航空航天中取得了良好應用，但是對于大多數(shù)制造業(yè)公司來說，MBD技術(shù)仍然屬于前沿技術(shù)。因此，MBD技術(shù)在制造業(yè)尤其是智能制造行業(yè)中仍然有很大的發(fā)展空間和應用前景。

4 MBD在教學改革中的應用與發(fā)展

MBD技術(shù)采用了一種新的表達方式，可以在三維模型中展示公差和配合等詳細信息，使三維模型的信息更加全面，如圖5所示。MBD表達方式的數(shù)據(jù)組成主要包括實際模型、三維標注和工件信息3大板塊。它通過幾何模型把產(chǎn)品的尺寸、公差以及注釋等數(shù)據(jù)信息集合表達，使得課程知識與實際內(nèi)容聯(lián)系更加緊密，且更加容易理解。MBD數(shù)據(jù)組成結(jié)構(gòu)，如圖6所示。MBD表達方式可以將原先在多張圖紙中的標注信息統(tǒng)一標注在一個幾何模型中，使幾何模型信息標注更加集成化、便捷化和直觀化。

圖5 基于MBD的模型

圖6 MBD數(shù)據(jù)組成圖

高等教育對學生的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。制圖類課程的教學質(zhì)量會影響到學生的學習效果和學生創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。機械制圖以工程圖紙作為信息交流的媒介，可以使研發(fā)設(shè)計人員與加工操作人員直接溝通，在制圖課程中發(fā)揮著重要作用。隨著計算機輔助造型技術(shù)的進步，工程圖紙由二維圖紙逐漸向幾何模型過渡。目前，主流的表達方式是二維圖紙與幾何模型結(jié)合使用，幾何模型可以直接展示一些復雜模型的結(jié)構(gòu)，將配合和公差等信息標注在二維圖紙中，以二維圖紙為主要依據(jù)把幾何模型作為參考進行配合使用。隨著MBD表達方式的完善，全三維造型技術(shù)在智能制造中的應用逐漸得到推廣，且已經(jīng)在航空制造業(yè)得到了良好應用。高校在制圖類課程授課上應該與時俱進，與企業(yè)發(fā)展相互交融、相互銜接，以適應當前課程教學改革的發(fā)展趨勢。

在培養(yǎng)高素質(zhì)人才方面，教育部啟動了“卓越計劃”，目的是培養(yǎng)創(chuàng)新能力和實踐能力強的技術(shù)類人員，為國家建設(shè)提供人才儲備，為高等教育發(fā)展培養(yǎng)一批優(yōu)秀人才[9]。在課程體系方面，由國外的幾所高校經(jīng)過長期摸索與嘗試，形成了構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運作的一種新的教育概念，目的是促進學生主動學習和在實踐中學習[10-11]，從而提高學生的綜合能力和綜合素質(zhì)。MBD的教學改革可以提高學生自主學習的能力，提高教師的講課質(zhì)量，形成良好的授課反饋體系，有利于高等教育的發(fā)展，還可以為其他相關(guān)課程的改革提供借鑒，有利于教學改革的發(fā)展。

5 結(jié)語

隨著“中國制造2025”的到來，制造業(yè)的發(fā)展速度也在逐漸加快。MBD技術(shù)在航空制造業(yè)中已經(jīng)取得了顯著成績，提高了研發(fā)生產(chǎn)效率，優(yōu)化了研發(fā)設(shè)計流程，在未來的制造業(yè)發(fā)展中有著良好的發(fā)展空間和應用前景，代表了最新的表達技術(shù)。此外，MBD表達方式也可以促使機械制圖和計算機三維造型技術(shù)結(jié)合，進一步推動MBD表達方式的發(fā)展和機械制圖課程教學改革的發(fā)展。