MBD技術(shù)在智能制造與教改中的發(fā)展應(yīng)用

包木鵬 謝玉東 王 勇

（1.山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南 250061；2.高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（山東大學(xué)），濟(jì)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(jìn)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(jī)械制圖”“工程制圖”“設(shè)計(jì)制圖”等，涉及機(jī)械工程、材料科學(xué)與工程、控制科學(xué)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(biāo)準(zhǔn)畫出，使用數(shù)字和標(biāo)記等標(biāo)注出物體的巨細(xì)、屬性和有關(guān)加工制造的工藝標(biāo)準(zhǔn)及使用介紹，使得產(chǎn)品的制造者和后期的維護(hù)者能夠根據(jù)圖樣領(lǐng)會設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)者和工藝編制者的意圖，然后再開始加工。在這個(gè)過程中，非設(shè)計(jì)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(yàn)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(jì)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(biāo)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(yīng)用方向及現(xiàn)狀

隨著智能制造和數(shù)字化等先進(jìn)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，三維造型技術(shù)在智能制造行業(yè)中的應(yīng)用越來越多，基于MBD的表達(dá)方式在制造業(yè)和機(jī)械制圖中的應(yīng)用也越來越廣泛。MBD技術(shù)使產(chǎn)品在表達(dá)方式上與傳統(tǒng)表達(dá)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(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代。MBD技術(shù)在高校的教學(xué)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(jī)械圖紙表達(dá)方式可以根據(jù)MBD技術(shù)進(jìn)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(xué)生的個(gè)人能力和個(gè)人素質(zhì)，同時(shí)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(dāng)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(jì)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(shí)間，必須升級現(xiàn)在落后的技術(shù)手段，而目前的MBD表達(dá)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(dá)方式替代傳統(tǒng)的表達(dá)方式，從而縮短飛機(jī)研發(fā)制造的時(shí)間，顯著提高企業(yè)的研發(fā)生產(chǎn)效率。曹清園等[3]認(rèn)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(yīng)數(shù)字化發(fā)展而不斷進(jìn)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(yīng)用。為適應(yīng)企業(yè)技術(shù)變化，工程制圖類課程改革也應(yīng)該加快。要根據(jù)課程實(shí)際需要調(diào)整制圖教學(xué)模式，并且基于MBD技術(shù)進(jìn)行全面的技術(shù)調(diào)整，以適應(yīng)當(dāng)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(jī)械制圖為基礎(chǔ)，思考了應(yīng)如何開展學(xué)科改革，認(rèn)為該課程是培養(yǎng)學(xué)生思維能力與創(chuàng)造能力的重要課程，提出了關(guān)于機(jī)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(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。于勇等[5]主要分析數(shù)字化表達(dá)技術(shù)各個(gè)階段的發(fā)展情況，根據(jù)企業(yè)發(fā)展需求，結(jié)合實(shí)例分析，發(fā)現(xiàn)將MBD技術(shù)與教學(xué)相融合可以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。張宗波等[6]認(rèn)為，隨著近些年計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，計(jì)算機(jī)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(yīng)制造業(yè)的發(fā)展，應(yīng)該將計(jì)算機(jī)三維造型技術(shù)與工程圖學(xué)課程相互結(jié)合，探索出一種新的授課模式，以提高學(xué)生的看圖、識圖和實(shí)踐能力。王利等[7]基于智能制造這一時(shí)代背景，探究制圖類課程應(yīng)該如何進(jìn)行教學(xué)改革和教學(xué)改革所包含的內(nèi)容，認(rèn)為應(yīng)該加快基于新背景下的機(jī)械制圖課程改革，培養(yǎng)出看圖、識圖和動手操作能力強(qiáng)的全面發(fā)展的人才。穆浩志等[8]以教育部提出的卓越計(jì)劃為背景，結(jié)合當(dāng)前企業(yè)對人才的具體要求，在充分了解制圖類教學(xué)改革內(nèi)容的基礎(chǔ)上，提出應(yīng)該建立以思維創(chuàng)新為主的新的教學(xué)體系與方法，以培養(yǎng)學(xué)生的工程師能力素養(yǎng)，同時(shí)應(yīng)該注重學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展，通過課程改革提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)新性，以及學(xué)生的綜合能力和綜合素質(zhì)。

3 MBD在制造業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展

機(jī)械圖紙?jiān)谥圃鞓I(yè)中具有重要作用。最初的機(jī)械產(chǎn)品加工需要根據(jù)圖紙進(jìn)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(jì)算機(jī)功能的不斷強(qiáng)大，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)逐步完善。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(dá)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(dá)方式已經(jīng)在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件中成功應(yīng)用，可以把二維圖中的數(shù)據(jù)直接標(biāo)注在幾何模型中。所有的創(chuàng)新研發(fā)和信息標(biāo)注都可以在幾何模型設(shè)計(jì)中完成，大大減少了研發(fā)人員的工作量，減少了完整表達(dá)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(shí)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(dá)方式以二維圖紙為主，繪制出圖時(shí)間長，生產(chǎn)效率低。隨著計(jì)算機(jī)三維造型技術(shù)的進(jìn)步，三維設(shè)計(jì)的表達(dá)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(jì)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(dá)方式。目前，MBD表達(dá)方式在航空航天中已得到了廣泛應(yīng)用，并且取得了良好成效。波音公司率先采用MBD技術(shù)進(jìn)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(dá)方式進(jìn)行技術(shù)升級。我國很多航空公司采用該項(xiàng)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(yīng)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(yīng)用前景。

4 MBD在教學(xué)改革中的應(yīng)用與發(fā)展

MBD技術(shù)采用了一種新的表達(dá)方式，可以在三維模型中展示公差和配合等詳細(xì)信息，使三維模型的信息更加全面，如圖5所示。MBD表達(dá)方式的數(shù)據(jù)組成主要包括實(shí)際模型、三維標(biāo)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(dá)，使得課程知識與實(shí)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(dá)方式可以將原先在多張圖紙中的標(biāo)注信息統(tǒng)一標(biāo)注在一個(gè)幾何模型中，使幾何模型信息標(biāo)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(xué)生的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。制圖類課程的教學(xué)質(zhì)量會影響到學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和學(xué)生創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。機(jī)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(jì)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(jì)算機(jī)輔助造型技術(shù)的進(jìn)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(dá)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(fù)雜模型的結(jié)構(gòu)，將配合和公差等信息標(biāo)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(jìn)行配合使用。隨著MBD表達(dá)方式的完善，全三維造型技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用逐漸得到推廣，且已經(jīng)在航空制造業(yè)得到了良好應(yīng)用。高校在制圖類課程授課上應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)，與企業(yè)發(fā)展相互交融、相互銜接，以適應(yīng)當(dāng)前課程教學(xué)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(jì)劃”，目的是培養(yǎng)創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力強(qiáng)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(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作的一種新的教育概念，目的是促進(jìn)學(xué)生主動學(xué)習(xí)和在實(shí)踐中學(xué)習(xí)[10-11]，從而提高學(xué)生的綜合能力和綜合素質(zhì)。MBD的教學(xué)改革可以提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)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(xué)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(jì)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(yīng)用前景，代表了最新的表達(dá)技術(shù)。此外，MBD表達(dá)方式也可以促使機(jī)械制圖和計(jì)算機(jī)三維造型技術(shù)結(jié)合，進(jìn)一步推動MBD表達(dá)方式的發(fā)展和機(jī)械制圖課程教學(xué)改革的發(fā)展。