基于MBD的數字化三維協同技術應用研究

劉爽　孫有

摘 要：隨著工業化與信息化的深度融合、智能制造技術飛速發展，構建基于數字化的設計制造協同工作環境是企業實現高效、智能發展的必然趨勢。本文對MBD的數字化三維協同技術應用進行了研究。

關鍵詞：MBD技術;三維協同技術;應用研究

數字化制造技術在航空制造領域的應用越來越廣泛，飛機的研發、制造方式也在發生很大的變化。新飛機工程全面應用M BD技術，采用多廠所異地協同的研制模式，為航空產業的跨越發展提供了難得的機遇。

一、MBD技術概述

MBD（Model Based Definition）技術，即基于模型的定義，有時也被稱為數字化產品定義技術，是一種面向計算機應用的產品數字化定義技術，其核心思想是用一個集成的三維實體模型來完整地表達產品定義信息，實現面向制造的設計。MBD技術充分利用三維模型直觀、可視化和準確表達的特點，將產品全生命周期過程中所需的幾何信息和非幾何信息，以注釋或屬性的方式附加到三維模型中，從而使三維模型成為生產制造過程中的唯一依據，為設計人員擺脫繁重瑣碎的二維制圖工作提供了可能。

二、MBD的特點和技術優勢分析

由于通常的CAD數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文檔中，使用人員無法以直觀而明白的方式獲取相關信息，也無法直接用三維模型進行產品的生產和檢驗。為了將三維設計向三維制造一體化轉變，迫切需要一種方式將三維設計信息傳遞到各使用方。MBD是產品定義方式的一次革命，它以更為強大的表現力和易于理解的定義方式，極大地提高了產品定義的設計質量和利用效率，使設計、制造融為一體，是未來設計技術的發展方向，必將對航空制造業有著深遠的影響。

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，它不是三維實體加三維標注，而是特征的定義和特征關系的控制，這是它與其他工程定義方法本質的區別，因而它有更強的表現力，更符合實際工程的需要。

2.數字化信息集成。在MBD中，數據集以三維模型為核心集成了完整的產品數字化定義信息。MBD數據集內容包含設計、工藝、制造、檢驗等各部門的信息，形成單數據源，避免多源數據的信息不一致，冗余等問題更適合信息的傳遞和應用，打破長期存在設計/制造/服務的信息壁壘。

3.知識工程的融合。長期以來，知識工程僅停留在理論和研究階段，未能有效地在企業實際應用并體現價值，其重要的原因之一是缺乏有效的知識表達工具，并將其融入到設計、生產環節中，也缺乏有效的知識收集工具在企業業務活動過程中收集知識。基于標準的特征定義的MBD技術可有效地描述設計、制造等工程特征，并將蘊涵于其中的知識通過標準的數字化的方式表達，可以有效地表達知識，也利于以數字化的手段收集、歸納整理知識。

三、MBD的數字化三維協同技術應用研究

1結構化工藝設計。產品BOM轉換。BOM一般指產品物料清單，在設計制造協同環境下，產品BOM是通過接收設計單位發送的三維模型或產品數據包生成。為產品設計三維模型，通過導入PDM系統后生成產品設計物料清單EBOM，該產品結構樹可以清晰地表達設計產品結構關系、零部件數量，同時也關聯了設計三維模型和可視的輕量化模型，附帶設計更改單和重要問題通知單等。EBOM作為指導下游部門工作的唯一依據，制造部門無權限修改BOM數據，只能通過BOM轉換重新搭建生產計劃物料清單PBOM來實現。BOM轉換后的PBOM能完整地繼承EBOM的所有信息，同時還能在PBOM上補充工藝屬性以滿足生產需要，例如工藝路線、產品裝配階段、產品配套類型等屬性。在PBOM上可以根據實際裝配需要對零部件進行拆分和重組，最后通過BOM比較查看兩者的差異，確保PBOM的正確性。在產品數據管理的過程中采用EBOM、PBOM等多級BOM的管理方式主要是為了適應產品在不同任務階段的需求，通過協同和轉換各級BOM的基礎數據，可以保持與設計部門的一致性。

2.結構化工藝。工藝設計是連接產品設計和制造的橋梁，工藝設計數據是車間計劃調度、生產資源準備、現場生產執行的重要依據，因此工藝數據在各環節的流轉是企業實現車間數字化的基礎。傳統工藝設計需要在二維圖樣和三維模型之間反復轉換，工藝規程與現場作業指導卡中大部分內容和數據需要重復編制。導致整個工藝設計過程模型重構時間長、模型轉換易出錯、數據重復錄入耗時多、紙質文件管理混亂等問題突出。數字化協同模式下，工藝人員直接采用三維數字化模型對工藝進行結構化設計能有效地解決此類問題。結構化工藝是將生產制造過程中的人員、設備、物料、方法、環境等內容全部定義到工藝規程中，并與工序和工步形成一定的關聯關系后組成。

3.數字化檢驗規劃。生產制造過程中檢驗一般包含工序檢驗和產品終檢，對于產品試制需首件三檢。檢驗數據通常是工藝或檢驗人員根據產品二維圖樣編制的數據表格，需要手工錄入與人工比較。檢驗過程是由專職檢驗人員通過儀器或設備實現尺寸、粗糙度等的測量，對比設計檢驗要求進行產品質量的評定。傳統檢驗文件和檢測過程中人為影響因素較多，數據準確性、穩定性、真實性等難以控制，漏檢等情況也常有發生，由此產品質量的可靠性得不到保證。自動化測量技術提出較早，主要是借助機器視覺、激光、虛擬設備、三坐標等自動化裝置實現特征或尺寸的快速提取，但局限于設計數據的來源需要手工錄入，仍然難以實現完全自動化。

四、M BD技術在航空制造領域的研究與應用現狀

航空制造領域是M BD技術的重點應用領域之一，國外航空制造領域以波音、空客為代表，已建立了較為完備的M BD技術體系，并在波音787、空客A350等新一代飛機的研制過程中取得了應用。國內航空制造領域在M BD技術的研究與應用方面雖然起步較晚，但近年來大量的學者與企業在M BD技術的研究與應用探索方面開展了大量的工作，已取得了顯著成果。M BD技術在飛機設計過程中的應用相對起步較早，并已開始具備一定的工程應用能力，一些飛機設計單位在部分型號研制過程中已開始基于M BD全三維模型進行產品模型定義與發放，部分或完全替代了傳統的二維工程圖。較之于設計階段，M BD技術在制造與檢驗方面的研究應用起步相對較晚。但近年來，特別是在十一五后期與十二五期間，基于多個國家與部委科研項目的支持，一些高校、科研院所和企業相應開展了基于M BD的工藝技術、檢驗技術研究與探索，并取得初步成效。

MBD是機械制造行業發展的主流方向與趨勢，它以極強的產品表現力和易于理解的定義模式促進了設計制造檢驗一體化的進程，提高了機械產品制造的自動化程度。逐步打破傳統制造壁壘，建立統一的制造標準，推廣應用先進的M BD數字化協同制造技術，是促進我國科技發展，帶動國民經濟的重大戰略方針。

參考文獻

[1]馮倩.M BD技術在協同設計制造中的應用[J].航空制造技術，2017（18）：65-67.

[2]劉燕.全三維飛機設計技術及其應用[J].航空制造技術，2017（18）：69-71.