西北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室 莫 蓉

MBD技術(shù)是以3D模型為載體，面向產(chǎn)品全生命周期的設(shè)計、制造、維護(hù)，并將與產(chǎn)品相關(guān)信息以數(shù)字化定義的方式嵌入到3D模型中[1-3]，為產(chǎn)品全生命周期不同階段對信息的不同需求提供基礎(chǔ)源模型，以便在此基礎(chǔ)上進(jìn)行信息的添加、裁剪、組合。近年來，MBD技術(shù)已逐步應(yīng)用到我國多個行業(yè)，特別是航空制造業(yè)，并且已取得了突破和成效，如產(chǎn)品設(shè)計、工藝、工裝、檢測、裝配、標(biāo)注、標(biāo)準(zhǔn)。

不同于早期國內(nèi)推行的 “無紙化（paper-less）”將人工制圖變?yōu)殡娮又茍D，本質(zhì)上并沒有改變產(chǎn)品數(shù)據(jù)定義的模式，制圖仍是工程師的語言，但設(shè)計效率大為提高。而MBD的全三維設(shè)計 “無圖化（Drawingless）” 方法則從根本上改變了產(chǎn)品的數(shù)字化定義方式，取消了制圖模式，將制圖承載的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息、加工要求、裝配要求、檢測要求等信息融合到3D模型中，使得3D模型成為工程師的新語言，從而有效支持上下游間的協(xié)同設(shè)計、信息共享。雖然制造業(yè)已對MBD技術(shù)形成共識并得到初步應(yīng)用，MBD技術(shù)應(yīng)用支撐環(huán)境也已具備，但目前應(yīng)用的廣度和深度仍不能滿足要求，原因何在？背后隱藏的是什么？本文針對近年來MBD應(yīng)用中的一些現(xiàn)象和問題進(jìn)行了分析，希望能夠引起重視和討論。

不同階段MBD技術(shù)的應(yīng)用

1 產(chǎn)品設(shè)計中的MBD

產(chǎn)品設(shè)計階段一般分為方案設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計和工程設(shè)計，方案設(shè)計關(guān)注總體布局，詳細(xì)設(shè)計關(guān)注3D精確建模，工程設(shè)計關(guān)注制造信息表達(dá)。3個階段的MBD模型應(yīng)建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，形成產(chǎn)品設(shè)計信息無縫共享和集成。

1.1 MBD與方案設(shè)計

復(fù)雜產(chǎn)品總體設(shè)計，一般不包含詳細(xì)幾何模型，主要根據(jù)功能進(jìn)行總體布局（例如氣動布局和結(jié)構(gòu)布局）、確定結(jié)構(gòu)分離面（例如各部件定位基準(zhǔn)、坐標(biāo)系）、構(gòu)建關(guān)鍵幾何元素（主體框架或大致輪廓），為部件、組件、零件的詳細(xì)設(shè)計提供自頂向下的可分解框架。目前許多單位仍采用2D CAD系統(tǒng)構(gòu)建總體結(jié)構(gòu)，缺乏2D圖形和詳細(xì)設(shè)計中3D模型之間的關(guān)聯(lián)，從而形成2D圖形和3D模型之間的“縫隙”，破環(huán)了MBD 的數(shù)據(jù)源唯一性?？赡艿慕鉀Q方案是在3D CAD系統(tǒng)中建立總體結(jié)構(gòu)框架，用2D草圖代替2D CAD系統(tǒng)的圖形，使2D圖形具備參數(shù)化和相互之間的關(guān)聯(lián)，成為3D設(shè)計源頭，從而為方案設(shè)計到詳細(xì)設(shè)計的3D模型構(gòu)建和關(guān)聯(lián)提供支撐。

1.2 MBD與詳細(xì)設(shè)計

MBD應(yīng)用最為成熟的階段，主要完成零件的3D建模和裝配以及相關(guān)屬性信息表達(dá)。由于復(fù)雜產(chǎn)品的優(yōu)化仿真需求，在多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化中，3D模型能否成功轉(zhuǎn)換和快速修改已成為影響“設(shè)計-分析-修改”迭代效率的關(guān)鍵。

（1）模型轉(zhuǎn)換問題：CAD-CAE模型轉(zhuǎn)換經(jīng)常失敗，這是因不同應(yīng)用系統(tǒng)間表達(dá)形式和精度不同，造成模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，可能的解決方案：利用專用模型修復(fù)工具；不同應(yīng)用系統(tǒng)在精度上盡量保持一致；選擇合適的中性文件作為傳遞模型。

（2）參數(shù)更新問題：帶有復(fù)雜自由曲面的3D模型參數(shù)修改后經(jīng)常更新失敗，不僅造成3D模型無法更新，而且造成與模型關(guān)聯(lián)的其他模型的更新無法進(jìn)行?？赡艿姆桨甘牵哼m當(dāng)?shù)厝趸P(guān)聯(lián)性，建立局部特征關(guān)系，更新失敗后只對局部受影響的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，但一般仍無法解決對下游的關(guān)聯(lián)自動更新問題。采用不基于歷史的直接建模（又稱為同步建模）是一種可行的方法，具有更大的建模自由度。

1.3 MBD與工程設(shè)計

該階段主要進(jìn)行制造信息標(biāo)注和3D公差設(shè)計，為制造提供依據(jù)。

（1）標(biāo)注內(nèi)容問題：標(biāo)注內(nèi)容不僅是為下游提供制造依據(jù)，而且是設(shè)計-工藝協(xié)同的橋梁，屬標(biāo)準(zhǔn)制定范疇，目前對于是否全標(biāo)注存在爭議，將在后面進(jìn)行闡述。

（2）3D公差設(shè)計：公差受裝配要求、互換性和制造成本的約束，如何優(yōu)化和驗證合理的公差，在2D公差分析中比較困難，MBD技術(shù)則為3D公差優(yōu)化分析提供了可能性。3D公差優(yōu)化不能局限于簡單查表的標(biāo)注，而需要進(jìn)行3D公差優(yōu)化和仿真，獲得合理的公差布局和最低制造成本，這部分內(nèi)容還處于起步階段，但卻是企業(yè)較為關(guān)心的內(nèi)容。

（3）審批流程中的模型審查： 3D模型的審圖會由于設(shè)計模式的改變而不適應(yīng)，應(yīng)針對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工藝要求，把3D視圖和對應(yīng)的標(biāo)注分解為多視圖，將相關(guān)視圖和尺寸表達(dá)在一個視圖中，逐步改變審圖習(xí)慣。

2 工藝設(shè)計中的MBD

不同于產(chǎn)品設(shè)計，工藝設(shè)計是一種多態(tài)模型的演變過程，從毛坯到零件，或從零件到裝配，形成一系列中間狀態(tài)模型，涉及諸多內(nèi)容。工藝差別大：冷加工工藝、成形工藝（鑄造、鍛造、鈑金等）、裝配工藝、特種工藝，不同工藝模型有不同的表示形式；加工方法多：車、銑、刨、磨、鉆等加工算法不同，對模型的制造特征表達(dá)要求不同；工序模型拓?fù)渥兓椒ú煌貉孛?工序-零件的正向設(shè)計是添加特征和處理功能，而沿零件-工序-毛坯的逆向設(shè)計是特征抑制功能；層次多且關(guān)聯(lián)性要求強：工藝-工序-工步之間3D模型的繼承性和有效性；表達(dá)形式多樣性：如工藝結(jié)構(gòu)樹、工藝表格、3D模型、工藝描述文本、工藝動畫仿真，包含了結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化信息；模型信息可編輯性和展現(xiàn)多樣化： 3D工序模型和工藝文件的可編輯性、與可編輯模型關(guān)聯(lián)的輕量化模型、PDF文件的表示；制造資源多：機(jī)床、工裝（刀具、夾具、模具和測具等），且工裝模型既受零件模型制約，自身也進(jìn)行設(shè)計制造；中差建模：所謂中差建模是指以對稱公差的形式表達(dá)公差，在工藝設(shè)計中，中差建模不但可以簡化計算，而且易于減少誤差，在質(zhì)量控制、互換性方面具有優(yōu)勢，從國外轉(zhuǎn)包生產(chǎn)調(diào)研中也發(fā)現(xiàn)大量使用對稱公差，但在國內(nèi)MBD環(huán)境下中差建模的必要性仍存在較大爭議，中差模型對制造質(zhì)量和裝配的影響還有待于研究。

2.1 MBD與機(jī)加工藝設(shè)計

從毛坯到零件的切削過程，反映了3D多態(tài)模型的演變和對應(yīng)的工藝信息關(guān)聯(lián)（毛坯-工序模型1-工序模型2…零件），涉及3D模型本身的幾何形狀改變。

（1）工序模型的構(gòu)建。目前工序模型的建模效率成為影響機(jī)加工藝設(shè)計的瓶頸。一般來說，相鄰工序模型間的變化存在兩種形式：參數(shù)變化和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化。參數(shù)變化反映了加工余量的變化，對應(yīng)工序的粗加工-半精加工-精加工，加工部位基本相同，可采用參數(shù)化修改功能；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化反映了工件加工部位發(fā)生變化，對應(yīng)工藝加工方法的改變，需在工序模型上通過特征操作進(jìn)行局部形狀的修改，這部分工作要求工藝人員有較好的3D建?；A(chǔ)。其中涉及2個問題：一是相鄰工序模型間的信息繼承。為提高效率，重用工序模型，實現(xiàn)增量式修改，當(dāng)前工序模型首先要繼承前道工序模型，利用模型間關(guān)聯(lián)性復(fù)制功能建立相鄰工序的3D模型。二是當(dāng)前工序模型的加工特征快速構(gòu)建：在繼承前道工序模型基礎(chǔ)上，根據(jù)工序要求對當(dāng)前工序模型進(jìn)行局部特征構(gòu)建并去除對應(yīng)的實體。由于工藝正向設(shè)計和逆向設(shè)計模型變化順序不同，因此模型的特征表示方法亦不同。正向設(shè)計（毛坯-工序1-工序2…零件）模擬實際加工逐步去除材料，待去除材料由去材特征表示，它受相鄰2道工序的形狀和尺寸約束，構(gòu)建時需建立幾何關(guān)聯(lián)特征。逆向設(shè)計（零件-工序n-工序n-1…毛坯）工序模型從零件開始通過添加去除特征對應(yīng)的實體逐步變?yōu)槊?。通過特征抑制還原去材特征的實體是最方便的方法，但在下列情況下失效：草圖特征內(nèi)包含多個去材特征時無法抑制當(dāng)前工序的去材特征；設(shè)計特征與去材特征不對應(yīng)抑制的特征，對此也需構(gòu)建去材特征補充模型實體。對復(fù)雜工序有時還需采用正向-逆向混合方法修改局部去材特征。工序模型的構(gòu)建工作量較大，對工序建模效率有較大影響，目前采用人工方法構(gòu)建去材特征的效率較低，完全實用的自動構(gòu)建方法還有待開發(fā)。

（2）工序改變引起的工序模型如何變化。工序變化可能使多態(tài)模型鏈中工序模型自動更新失敗從而影響更改效率，工序模型關(guān)聯(lián)鏈中斷有多種情況，包括改變工序順序、增加工序、刪除工序、模型參數(shù)化更新失敗，其中出現(xiàn)任何一種情況都會影響工序模型的自動更新，關(guān)聯(lián)鏈斷點位置越靠前，對后續(xù)模型影響越大。解決思路是：對前3種情況，需重新建立相關(guān)的模型間引用復(fù)制關(guān)系以及重新構(gòu)建去材特征；對第4種情況，與產(chǎn)品設(shè)計中的更新問題屬于同類。

（3）工序模型的簡化。在2D工序圖形表達(dá)時，為了突出當(dāng)前工序的加工部位可忽略其他無關(guān)部位，一般采用波浪線截斷圖形進(jìn)行簡化，但在3D環(huán)境下復(fù)雜零件要突出加工部位需要對工序模型進(jìn)行實體去除。可能的解決思路是，對于不涉及標(biāo)注的幾何對象，可以對當(dāng)前工序模型采用特征抑制和模型修剪或剖切的方法。

（4）局部小修改。2D情況下為提高效率和明確責(zé)任，圖紙被作為制造依據(jù)。對于一些工藝問題，企業(yè)一般直接在圖紙上進(jìn)行局部小修改并予以標(biāo)記和簽字，以避免每次修改都重新審批。為了保證數(shù)據(jù)有效性，標(biāo)記的圖紙必須保留，但是很難追溯。在3D情況下，任何修改必須在3D模型上進(jìn)行，可能會帶來效率和額外的審批問題，因此需找出一種在效率、數(shù)據(jù)有效性、審批兼顧的情況下的規(guī)范化方法。

2.2 MBD與NC編程

數(shù)控編程依賴于經(jīng)驗知識和3D模型、標(biāo)注的工藝要求。

（1）3D建模質(zhì)量對數(shù)控編程的影響。因產(chǎn)品設(shè)計和工藝設(shè)計關(guān)注點不同，可能會造成復(fù)雜零件設(shè)計模型難以直接進(jìn)行數(shù)控編程，這也是目前困擾企業(yè)的一個現(xiàn)實問題。因此，應(yīng)加強并行工程中可加工性評價方法研究和工具開發(fā)，對模型質(zhì)量進(jìn)行評估，同時提高產(chǎn)品設(shè)計人員工藝知識，使設(shè)計模型直接重用率提高。

（2）工藝信息的自動獲取和工藝知識重用。基于MBD的工藝信息與工序模型幾何對象是關(guān)聯(lián)的，通過程序開發(fā)直接獲取制造要求與NC參數(shù)關(guān)聯(lián)；工藝參數(shù)嵌入到工藝模板中作為典型工藝實例，實現(xiàn)工藝方法的重用。

2.3 MBD與成形工藝

成形工藝主要以模具作為零件成形的工裝，包括鑄造模具、鍛造模具、冷沖模具等，其中多次成形存在零件的多態(tài)模型和對應(yīng)的多套模具模型。特別是航空制造領(lǐng)域的精鑄模具、精鍛模具、壓延模具等，工裝設(shè)計復(fù)雜，不但受零件模型約束，而且延伸出與零件模型相關(guān)的模具設(shè)計與制造，在數(shù)據(jù)管理上也非常復(fù)雜。

2.4 MBD與裝配工藝

不涉及零件模型本身的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變而僅僅是零組件方位發(fā)生變化，因此裝配模型可以采用輕量化模型，無需關(guān)注零件模型細(xì)節(jié)，可直接采用輕量化模型進(jìn)行工藝設(shè)計和仿真，目前3D裝配工藝系統(tǒng)軟件已經(jīng)獲得較好應(yīng)用。

2.5 MBD與質(zhì)量檢驗

在2D圖形情況下，檢驗依據(jù)來自于圖紙，對不規(guī)則形狀的檢驗，GD/T測量與分析較麻煩，其中涉及檢驗工序的公差數(shù)據(jù)獲取、型面理論值、檢測路徑規(guī)劃、測量結(jié)果分析等。采用MBD技術(shù)，上述信息可通過程序自動從3D模型中獲取，通過對測量數(shù)據(jù)的模型重構(gòu)與理論模型對比，自動判斷是否超差，可以大大提高檢驗效率。

3 其他階段中MBD技術(shù)的應(yīng)用

全生命周期中的采購、銷售、維護(hù)方面，MBD技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)目前較為薄弱，總體來說，不需要模型的詳細(xì)信息，可利用與零件模型關(guān)聯(lián)的3D輕量化模型和相關(guān)信息。

MBD與標(biāo)準(zhǔn)化

為支持MBD應(yīng)用，需建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系，而不僅是3D標(biāo)注標(biāo)準(zhǔn)。目前航空制造業(yè)已形成或借鑒了一些國際、國內(nèi)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但完整體系尚未建立，某些標(biāo)準(zhǔn)僅局限于企標(biāo)甚至型號標(biāo)準(zhǔn)；有些甚至還存在爭議，特別是設(shè)計與制造間模型標(biāo)注標(biāo)準(zhǔn)。

（1）標(biāo)注內(nèi)容。根據(jù)MBD定義，3D模型作為完整信息載體，包含了全部信息，但所有信息是否需要顯性地標(biāo)注出來還是僅標(biāo)注部分值得探討。目前存在兩種觀點，還難以形成共識：一是標(biāo)注全部尺寸，即像二維制圖一樣，全部尺寸顯性標(biāo)注在3D模型上，制造過程中需要的信息一目了然；二是僅標(biāo)注關(guān)鍵尺寸，即選擇關(guān)鍵尺寸作為完整信息標(biāo)注的子集進(jìn)行標(biāo)注，其他尺寸信息在需要時可從模型提取，可大大減少標(biāo)注工作量。例如關(guān)鍵尺寸可理解為帶公差的尺寸、有配合關(guān)系的尺寸。因此，需在設(shè)計-工藝協(xié)同機(jī)制下確定標(biāo)注內(nèi)容，定義關(guān)鍵尺寸，實現(xiàn)設(shè)計-工藝協(xié)同和共享，同時兼顧標(biāo)注效率。

（2）機(jī)加工藝3D表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[4]中提到機(jī)加工藝三維表達(dá)的標(biāo)準(zhǔn)問題，包括內(nèi)容（哪些內(nèi)容需要表達(dá)）-載體（3D模型）-輸出（樣式）的問題。聯(lián)系到機(jī)加工藝設(shè)計結(jié)果表達(dá)形式和設(shè)計過程表達(dá)形式能否統(tǒng)一的問題，需要反映如下信息：工藝方案（工藝集合）-工藝信息（工序集合）-工序信息（工步集合），這些信息已有的形式有表格、樹、工藝卡（表格+圖）等。

（3）中差模型。有較多企業(yè)原來在2D環(huán)境下進(jìn)行工藝設(shè)計時根據(jù)圖紙用中差建模，但MBD環(huán)境下直接使用3D設(shè)計模型，如何從設(shè)計模型轉(zhuǎn)換到中差模型，或者中差模型是否必要都存在爭議，需要在形成共識的情況下以標(biāo)準(zhǔn)的形式確定下來。

MBD與數(shù)據(jù)管理

MBD結(jié)合產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理，建立了信息之間的各種關(guān)聯(lián)關(guān)系，大大提高了信息的集成度和共享程度。

（1）復(fù)雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系。MBD模型建立不同層次、不同內(nèi)容間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，如3D模型幾何對象和標(biāo)注尺寸關(guān)聯(lián)、3D模型和制造屬性關(guān)聯(lián)、設(shè)計模型和工藝模型關(guān)聯(lián)、工序多態(tài)模型之間關(guān)聯(lián)、工藝描述文本與模型幾何對象關(guān)聯(lián)、工序模型和工裝模型關(guān)聯(lián)、工序模型和制造資源關(guān)聯(lián)、3D模型和輕量化模型關(guān)聯(lián)等。這些關(guān)聯(lián)關(guān)系使模型信息間不再孤立，形成復(fù)雜關(guān)聯(lián)信息網(wǎng)，任何節(jié)點都可查詢到與之相關(guān)的所有設(shè)計制造信息，同時支持信息自動感知和關(guān)聯(lián)更新，從而大大提高修改效率，減少出錯率。

（2）程序接口。面向產(chǎn)品生命周期各階段涉及各類應(yīng)用程序，MBD的完整性為各類應(yīng)用程序提供了單一數(shù)據(jù)源，各階段是在MBD單一數(shù)據(jù)源基礎(chǔ)上利用對應(yīng)階段的應(yīng)用程序進(jìn)行模型信息的裁剪和添加。應(yīng)用軟件系統(tǒng)越多，數(shù)據(jù)資源接口越多，關(guān)系越復(fù)雜，越容易出錯。因此，需要結(jié)合PLM進(jìn)行統(tǒng)一管理。在MBD環(huán)境下，信息被分類組織管理，包括幾何屬性、質(zhì)量檢測屬性、管理屬性、工藝屬性等。

（3）存檔管理。2D圖形以電子化和紙介質(zhì)雙備份存檔，由于關(guān)聯(lián)性較弱導(dǎo)致可追溯性較差。MBD模型的存檔規(guī)范化是一個需要研究的問題。在無圖紙情況下，存檔的MBD模型必須保證模型的完整性、有效性，以前的任何修改必須保證在3D模型情況下進(jìn)行。

MBD實施中的其他問題

采用MBD技術(shù)是數(shù)字化設(shè)計發(fā)展趨勢，但目前推廣應(yīng)用中困難重重，它不是一個簡單的2D圖樣變換為3D模型標(biāo)注的問題，而是在設(shè)計習(xí)慣和設(shè)計方法上都發(fā)生了較大變化，因此應(yīng)用過程中會碰到很多問題。

（1）面向單一數(shù)據(jù)源的信息獲?。簽楸ＷC數(shù)據(jù)有效性和單一數(shù)據(jù)源，應(yīng)盡可能做到所需數(shù)據(jù)一次輸入多次使用，減少數(shù)據(jù)冗余。如引用設(shè)計模型可自動保持單一數(shù)據(jù)源；對企業(yè)間存在不同PDM系統(tǒng)，無法保證嚴(yán)格意義上的模型引用，可采用關(guān)聯(lián)性復(fù)制形式，復(fù)制模型與原設(shè)計模型保持同步更新；其他輔助工具，如掃描二維碼實現(xiàn)一次性輸入多次使用。

（2）關(guān)于二次開發(fā)：開發(fā)分為定制開發(fā)和二次開發(fā)，前者根據(jù)企業(yè)需求利用軟件系統(tǒng)的功能進(jìn)行定制，包括利用各種模板、各種規(guī)范滿足企業(yè)要求。在定制化開發(fā)不能滿足需求時，可采用二次開發(fā)進(jìn)行功能擴(kuò)充，例如幾何模型快速建模工具、GB標(biāo)注符號擴(kuò)充、面向?qū)I(yè)的功能模塊、數(shù)據(jù)信息自動獲取、與企業(yè)其他系統(tǒng)集成等，但是一般二次開發(fā)成本和維護(hù)成本較高。

（3）設(shè)計習(xí)慣的不適應(yīng)：新技術(shù)的出現(xiàn)都有一個適應(yīng)期，采用3D CAD進(jìn)行工藝設(shè)計對工藝人員提出了較高要求，需要通過技術(shù)培訓(xùn)，提高認(rèn)識，掌握MBD技術(shù)的應(yīng)用。

（4）直接在型號中應(yīng)用的風(fēng)險：MBD技術(shù)的應(yīng)用推廣是循序漸進(jìn)的過程，在型號中直接應(yīng)用對于數(shù)字化基礎(chǔ)較為薄弱的企業(yè)存在一定風(fēng)險，應(yīng)建立相關(guān)的MBD標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，提出一個實施計劃，培訓(xùn)人員，以點帶面，逐步深入應(yīng)用。

（5）產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合：如企業(yè)-學(xué)校-公司聯(lián)合，其中企業(yè)是MBD的應(yīng)用主體；學(xué)校是科研關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)的主力，可承擔(dān)先期研究和二次開發(fā)；IT公司是MBD技術(shù)的軟硬件平臺提供者，三者結(jié)合，從工具、管理模式、培訓(xùn)服務(wù)到成功案例引導(dǎo)，為企業(yè)深入應(yīng)用提供技術(shù)支持。

結(jié)束語

MBD技術(shù)在波音飛機(jī)和國內(nèi)的成功應(yīng)用已經(jīng)表明它所具有的強大生命力，在國內(nèi)實施MBD是一項艱巨的任務(wù)，需要改變傳統(tǒng)的設(shè)計模式，需要方便的支持工具。本文從近幾年實施MBD過程中總結(jié)了一些問題，希望能夠?qū)BD的推進(jìn)有一定作用。

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