簡化尺寸標注的MBD設計方法研究與實踐

張 瑜，王光耀，張讓威，竇愛國

（1.中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015；2.無錫市潤和機械有限公司，江蘇無錫214161）

0 引言

隨著3維數字化技術的不斷推廣應用，MBD（基于模型的定義）數字化設計與制造已成為航空制造業信息化的發展趨勢。MBD技術是用集成的3維實體模型來完整表達產品定義信息的方法，產品的結構、幾何、標注、工藝、制造、管理等信息均附著在3維綜合化模型中，直觀有效地表達了產品的設計意圖。3維模型成為設計制造信息表示的唯一載體，改變了傳統以2維工程圖紙為主，以3維實體模型為輔的制造方法。MBD模型不僅易于工程人員理解，也易于被計算機解讀，有效地解決了設計制造一體化問題[1-4]。

從國內外MBD技術的應用情況來看，MBD技術相比傳統的設計方式有著巨大優勢，但相比國外，當前我國機械產品制造業中MBD技術的應用還處于探索階段，存在著一些問題，例如缺乏統一的MBD標準和管理規范，MBD數據集的“數字化”程度不高等[5-9]。另外在航空發動機的設計工作中逐漸體會到，對于結構復雜的產品或大型裝配件，MBD 3維模型標注信息量過大，信息表達和提取十分困難，經常會出現因信息量雜亂無章而導致的“刺猬”現象，不但占用了大量的標注及校對時間，設計質量的保證也會更加困難。

為解決“刺猬”現象，本文在借鑒國內外3維標注簡化方法的基礎上，結合實際設計工作，進行了簡化尺寸標注的MBD設計方法研究與實踐，探索了1種可以減少設計工作量，提高設計效率和質量，在現有加工水平條件下可方便轉化為工藝文件并完成加工的MBD設計方法。

1 國內外企業3維標注簡化情況分析

1.1 美國軍用標準

美國軍方于2013年發布了MIL-STD-31000A《技術數據包》[10]，該標準根據模型的不同用途規定了不同詳細程度的MBD標注方法。如果模型作為原型，則僅需最小級別的標注；如果設計需要進行二次操作，模型僅用于首次操作，則僅需定義部分標注；如果設計需要由外部供應商制造或交付給用戶，則需要進行完整標注。不同類別模型MBD標注的內容見表1。

表1 不同類別模型MBD標注內容

1.2 波音公司標準

圖1 最小/概念模型標注圖例

圖2 部分/設計模型標注圖例

圖3 完整/制造模型標注圖例

在波音公司基于CATIA建模要求的系列標準中對具有復雜外形的零件也給出了產品定義方法，包括等厚度，筋壁、腔壁、腔底的拉伸厚度，機加臺階定位，外部曲面，筋、肋、腹板的簡單外部輪廓以及半徑等典型結構的標注。其標注主要有2種方法，一種是在模型或圖樣上標注表面輪廓度，另一種是使用通用注釋方法。標準對通用注釋進行了標準化，即提取出能夠通過制定規則進行簡化的同類標注信息，將其整理歸納為默認規則而省去其在模型上的標注[11-13]。

1.3 國內飛機產品定義中的尺寸標注簡化

國內飛機產品定義中也有對尺寸標注進行簡化的應用實例，部分尺寸在3維模型中可不標注（如按一般公差制造的尺寸等），但需注明公差的尺寸（包括基本尺寸和公差）、形位公差、表面粗糙度、螺紋、結構要素（如板材和型材下陷等）等必須進行標注[14-15]。

這些標注信息簡化方式一方面有效地提高了MBD標注的效率，另一方面明確了關鍵的重要尺寸，使信息的讀取更加簡便，也為后續的加工制造帶來了方便。

2 簡化尺寸標注的MBD設計方法

通過對國內外軍工、航空企業3維簡化標注的情況分析，并結合國內航空發動機行業現有的MBD設計情況，進行了簡化尺寸標注MBD設計方法研究。對3維模型完整定義需要標注的尺寸進行了總結和分類，繼而對各類型尺寸是否可以進行簡化標注進行了判斷，研究出了1種簡化方法。下面對該方法進行簡要介紹。

對于機件，完整的標注一般包括結構尺寸、螺紋、尺寸公差、形位公差、基準、表面粗糙度、焊接以及技術要求等。

對于結構尺寸，由于MBD技術使3維模型成為唯一的數據源，對加工制造來說，通過MBD的3維模型可以直接讀取模型尺寸，自動生成刀位軌跡建立數控加工程序，因此設計過程中可以對按一般尺寸公差標準設計的結構尺寸信息進行簡化，即取消標注，而對于精確控制的關鍵結構尺寸則無法簡化表達，仍需要進行詳細的3維標注，明確其結構尺寸及公差。

對于精確控制的關鍵結構尺寸，如產品中還存在與之相同的構造因素，可以簡化標注，即僅在其中1個因素上進行詳細標注（其余相同因素不標注），同時，相同因素數量也可省略，但需將標注內容與不標注的相同構造因素進行關聯，實現在讀取信息時通過選擇標注內容將相同構造因素位置全部高亮顯示，便于加工制造識別。

對產品中的螺紋進行螺紋規格的標注，相同規格的螺紋參照相同構造因素的簡化標注方法進行標注。

參考基準和形位公差是對模型關鍵結構的嚴格控制信息，應在模型中進行詳細標注。

表面粗糙度一般根據表面配合情況進行設計，當某個粗糙度標注占多數時，可以取消在模型中的標注，而在圖樣空白處或技術要求中進行說明，其余粗糙度類型則須在模型中注明。

產品中的焊接信息應在焊縫處進行標注，相同焊接要求的焊縫簡化標注與相同構造因素的簡化標注規則相同。

運用簡化標注方法標注的3維模型的技術要求除包含熱處理、表面處理、制造要求、驗收要求等，還應將未注尺寸查詢基準以及需要說明的簡化規則在技術要求中加以明確。以上標注內容的簡化標注方法見表2。

目前該方法還比較粗淺，其研究目的是探索簡化尺寸標注的MBD設計方法在發動機研制工程實踐中的可行性，通過某型發動機機匣的設計對該方法的可行性進行驗證。

3 在某型發動機機匣設計中的實踐

3.1 某型發動機機匣結構方案簡介

根據某型發動機總體結構布置、發動機附件安裝、維護及部件試驗借用的需要，機匣采用分段式結構，由連接環、機匣前段、機匣中前段、機匣中后段和機匣后段組成，如圖4所示。其中除了機匣后段為沿用已有件外，其余機匣部分均采用金屬材料經數控加工而成，本次MBD簡化標注實踐對象即為金屬機匣部分。

圖4 機匣結構

3.2 機匣MBD設計

采用簡化尺寸標注的MBD設計方法完成了機匣設計，共生成大型零組件MBD模型12個，MBD出圖周期約為30天。采用簡化尺寸標注的MBD設計方式與標注完整尺寸的設計方式相比，未增加模型數量，而MBD標注工作量大幅減少。

以機匣中前段加工組合件MBD設計的標注情況為例（如圖5所示），圖5（a）為模型包含的全部視圖，可見該模型僅包含7個視圖，其中4個為外形控制和尺寸配合標注視圖（如圖 5（b）、（c）所示），1 個為基準與形位公差視圖（如圖5（d）所示），1個為表面粗糙度與焊接符號視圖如圖5（e）所示），1個為技術要求視圖如圖5（f）所示）。從圖中可以看出，通過簡化MBD標注使標注信息大量減少，也使模型表達更加清晰，明確。

圖5 機匣中前段加工組合件標注情況

另一型發動機機匣加工組合件MBD設計的標注情況如圖6所示。該模型共包含54個視圖，完整的MBD標注信息量巨大，增加了查找和讀取信息的困難。

圖6 某型發動機機匣尺寸標注情況

為進行更合理的比較，對機匣連接環、前段、中前段以及中后段加工組合件的標注數量進行了統計，總數為228個，而作為對比的另一型發動機的機匣加工組合件的標注數量為846個，標注數量相比減少了73%。標注數量的減少大大減少了設計的工作量，提高了設計效率。另一方面，由于手工標注的尺寸大幅減少，降低了出錯概率，因此也提高了設計質量。

3.3 機匣加工工藝路線

某公司根據簡化尺寸標注MBD模型的新輸入形式編制了機匣的加工工藝路線，如圖7所示。首先對未注尺寸及公差進行二次分配，再在此基礎上進行加工工藝規程以及數控機床加工程序的編制。其中，在對未注尺寸及公差進行二次分配時，遵循了以下原則：（1）未注尺寸基準參考MBD模型中有精度要求尺寸的基準選取；（2）未注尺寸由MBD模型分析測得，盡量按基準線測量，避免采用連續測量，以免尺寸公差累積產生較大誤差，并盡可能的方便工藝生產；（3）未注尺寸公差按MBD模型技術要求中的一般公差標準。

圖7 機匣加工工藝路線

3.4 機匣加工、裝配驗證情況

機匣圖紙及生產相關文件發放到承制單位后，承制單位整個加工周期僅用時2個月，加工過程中未發現需與設計溝通的任何問題，未出現加工困難或不合格品；產品目前已通過裝配驗證，裝配過程一切順利，未出現裝配困難部位或裝配問題。

4 結論

本文在深入理解MBD技術內涵的基礎上，結合航空發動機設計和制造行業的應用特點，研究并提出了簡化尺寸標注的MBD設計方法，并在某型發動機機匣設計與加工的實踐中進行了應用，有效地解決了復雜結構產品MBD標注的“刺猬”現象，大幅減少了設計的工作量，提高了設計效率。通過機匣的設計、生產及裝配驗證，說明了由簡化尺寸標注MBD設計方法可帶來較高水平的可制造性，證明了其在工程實踐中的可行性。

后續可通過標準、規范的形式對簡化尺寸標注的MBD設計方法進行更系統、更詳細的規定，使其更具可操作性，進而推廣應用到型號研制中，以減少設計工作量，并提高工作效率和設計質量。

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