淺談MBD 在環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備中的應(yīng)用

葉嘉俊

（廣州五所環(huán)境儀器有限公司，廣州 510800）

引言

高質(zhì)量發(fā)展是全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家的首要任務(wù)。高質(zhì)量發(fā)展則必然要求產(chǎn)品質(zhì)量過硬。環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備是模擬各類環(huán)境條件，為驗(yàn)證原材料、半成品、成品質(zhì)量的一種設(shè)備。目的是通過使用各種環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備做試驗(yàn)，來驗(yàn)證材料和產(chǎn)品是否達(dá)到在研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造中預(yù)期的質(zhì)量目標(biāo)。

隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，數(shù)字化愈加普及。我們通過搭建數(shù)字化平臺(tái)，利用數(shù)字化產(chǎn)品建模、仿真以及相關(guān)信息的收集，完成對(duì)環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的開發(fā)設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)制造等生命周期的全過程。將MBD 技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備中，有利于提高其數(shù)字化程度，加快完成由二維向三維邁進(jìn)的進(jìn)程，也走在了環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備行業(yè)的前端，對(duì)環(huán)測(cè)行業(yè)產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)生產(chǎn)起到一定的引領(lǐng)作用。

1 MBD 簡(jiǎn)介

什么是MBD? MBD 在工程技術(shù)領(lǐng)域我們稱為Model Based Definition，即基于模型的工程定義。 MBD 是一種在三維數(shù)字化實(shí)體模型中完整表達(dá)產(chǎn)品所有設(shè)計(jì)信息的產(chǎn)品數(shù)字化定義技術(shù)。其完全替代了二維工程圖紙，使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方式、思路發(fā)生了重大變化，并成為制造過程中的唯一依據(jù)，引起了數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)的重大變革,真正開啟了三維數(shù)字化制造時(shí)代[1]。

由傳統(tǒng)的手工繪圖，到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)即CAD，都是傳統(tǒng)的平面繪圖方式，零件所有信息都標(biāo)注在平面圖紙上。隨著技術(shù)進(jìn)步，目前，許多企業(yè)采用三維模型輔之工程圖或者CAD 等平面信息來完成產(chǎn)品的生產(chǎn)制造。而未來，MBD 發(fā)揮的作用將越來越重要，因?yàn)樗梢园S產(chǎn)品信息，包括形狀以及制造信息等，減少了中間轉(zhuǎn)化成平面圖紙的過程，避免了轉(zhuǎn)化過程中的信息缺失、錯(cuò)誤。

我司環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備加工零件主要包含鈑金件、裝配組件以及外協(xié)零件等。MBD 可以將三維模型設(shè)計(jì)信息、工藝信息以及制造信息統(tǒng)一用模型表達(dá)出來，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造乃至未來產(chǎn)品檢驗(yàn)融合于同一平臺(tái)同一體系中。

2 MBD 在設(shè)計(jì)端應(yīng)用

鈑金零件是整臺(tái)環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)零件，其加工的精度，如成型尺寸、沖孔大小等，直接影響著后續(xù)工序組裝拼接的質(zhì)量。主要表現(xiàn)在前后左右鈑金零件拼縫大小是否合格、組件與其他組件之間配合是否滿足要求等。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是我們根據(jù)所需零件成型尺寸及狀態(tài)，通過計(jì)算折彎扣除系數(shù)，將零件平面展開圖繪制在二維圖紙中。這張方法目前仍用于許多小型制造業(yè)中。其軟件維護(hù)成本低，對(duì)于簡(jiǎn)單零件二維設(shè)計(jì)還比較容易，對(duì)于相對(duì)復(fù)雜、折彎較多的外形零件用二維繪制就顯得比較繁瑣了。

鈑金零件MBD 應(yīng)用較少，目前主要用在于飛機(jī)制造業(yè)中。基于MBD 的三維設(shè)計(jì)需將成型的模型標(biāo)注出其完整制造信息等，設(shè)計(jì)工程師操作方便、快捷且圖形信息直觀，目視化程度高。對(duì)于零件圖而言，鈑金零件幾何實(shí)體模型包含了成型尺寸：長(zhǎng)度、寬度、高度、角度、厚度等信息，如圖1 所示。而鈑金件加工機(jī)床，模具選用等信息，我們則通過數(shù)據(jù)卡直接抓取數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換導(dǎo)BOM 后，供NC 車間直接抓取信息，轉(zhuǎn)換成機(jī)床生產(chǎn)語言。

圖1 MBD 鈑金零件

對(duì)裝配組件而言，MBD 則負(fù)責(zé)表示其重要的功能信息，如客戶定制的引線孔位置、大小等。通過標(biāo)注可直觀在設(shè)計(jì)端檢查是否符合客戶定制需求，如圖2 所示。也可以把設(shè)計(jì)工程師的想法，設(shè)計(jì)意圖，如布線路徑，線徑大小數(shù)量等，通過MBD 標(biāo)注傳遞給工藝及生產(chǎn)端。有效地把設(shè)計(jì)到生產(chǎn)全過程通過模型串聯(lián)在同一路。

圖2 MBD 裝配組件

平面工藝卡主要是由簡(jiǎn)圖和文字信息組成，對(duì)較為復(fù)雜的工藝難以用圖紙清晰直觀表述，也難以用一張兩張平面圖表述清楚，增大了后續(xù)生產(chǎn)制造出錯(cuò)的概率。同時(shí)，如三維模型用平面工藝卡表示，則可能造成模型與工藝不銜接，工藝無法利用模型三維數(shù)字信息，在轉(zhuǎn)化過程中可能存在數(shù)據(jù)丟失，難以實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)的最優(yōu)性。也對(duì)后續(xù)生產(chǎn)作業(yè)者造成解讀困難，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)與設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)初衷產(chǎn)生歧義。

因此，MBD 在工藝設(shè)計(jì)中也發(fā)揮著重要的作用。通過設(shè)計(jì)端的MBD 信息，可以抓取模型的幾何特征、基準(zhǔn)信息、工藝注釋信息等表達(dá)工藝過程的完整信息。未來可通過MBD 抓取加工中所需模具、量具、焊機(jī)等相關(guān)信息。我司將通過構(gòu)建平臺(tái)將PDM 上的模型信息導(dǎo)入3D工藝平臺(tái)，在三維數(shù)字化環(huán)境下，工藝工程師將MBD 模型轉(zhuǎn)化為工藝模型，保證數(shù)據(jù)源的唯一性。通過仿真分析，制定工藝路線以及可行的制造過程方案，同時(shí)輸出作業(yè)指導(dǎo)書，完成詳細(xì)的工藝設(shè)計(jì)方案，如圖3 所示。

圖3 MBD 工藝流程圖

通過對(duì)上游設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的充分解讀利用，有效地完成了工藝設(shè)計(jì)，提高效率同時(shí)兼顧保證生產(chǎn)質(zhì)量。由于平臺(tái)數(shù)據(jù)互通，充分利用數(shù)據(jù)流，信息流集成優(yōu)勢(shì)，當(dāng)三維模型變更時(shí)，數(shù)據(jù)可更新至工藝端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)由上游到下游的無縫傳輸。

3 MBD 在制造端的應(yīng)用

MBD 在制造端是指導(dǎo)起到指導(dǎo)性作用。在實(shí)際生產(chǎn)中，車間作業(yè)者除通過作業(yè)指導(dǎo)書指導(dǎo)生產(chǎn)外，也可通過模型讀取相關(guān)的作業(yè)信息。如圖4 所示，當(dāng)工藝文件還不完善時(shí)，作業(yè)人員可以通過MBD 讀取作業(yè)所需的零件數(shù)量、對(duì)應(yīng)零件信息、技術(shù)要求、焊接工藝等。可以幫助作業(yè)者對(duì)自己作業(yè)成果的自查工作，完成作業(yè)成型后的外觀檢驗(yàn)，拼接成型是否符合圖紙要求，作業(yè)組件的零件是否抓取正確等。防止不良品在生產(chǎn)端時(shí)流入下一工序，影響了生產(chǎn)鏈的連續(xù)性。

圖4 MBD 制造端應(yīng)用

基于數(shù)據(jù)源的唯一性，作業(yè)者可以依據(jù)MBD 模型進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)作業(yè)。這種表示方式簡(jiǎn)單直觀明了，降低了作業(yè)者對(duì)以前二維平面圖的空間想象力，釋放了作業(yè)人員的作業(yè)壓力。

4 MBD 在質(zhì)檢端應(yīng)用

MBD 在質(zhì)檢端應(yīng)用較少，大部分企業(yè)仍沿用人工錄入及提取數(shù)據(jù)的做法。環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備外協(xié)零件種類較多，其中不乏復(fù)雜零件，對(duì)外協(xié)件僅依靠平面圖紙讀取信息已不能滿足需求，也對(duì)質(zhì)檢人員的讀圖能力要求也較高。通過MBD 模型，我們可以直觀的查看零件，提高企業(yè)檢驗(yàn)效率，降低工作量與人為失誤。以圖5 簡(jiǎn)單外協(xié)件為例，質(zhì)檢人員可以清晰讀取零件的狀態(tài)、尺寸公差、材質(zhì)屬性等必須檢驗(yàn)的事項(xiàng)。

圖5 MBD 外協(xié)件

當(dāng)然，基于MBD 在質(zhì)檢端應(yīng)用不僅限于方便來料外協(xié)件檢驗(yàn)，更多的是數(shù)據(jù)的抓取以及分類歸納總結(jié)。將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入質(zhì)檢系統(tǒng)，企業(yè)可以實(shí)時(shí)有效地利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)質(zhì)檢業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的全方位、多功能準(zhǔn)備，其中包括質(zhì)檢方案的策劃，可視化的質(zhì)檢測(cè)量，實(shí)時(shí)質(zhì)檢數(shù)據(jù)的采集，甚至于可以對(duì)外協(xié)件數(shù)據(jù)的分析，對(duì)可能產(chǎn)生的不良制作預(yù)案等。

5 結(jié)論

隨著數(shù)字化生產(chǎn)技術(shù)的推廣，MBD 在環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備中的應(yīng)用也將會(huì)越來越普及。MBD 數(shù)據(jù)集是設(shè)計(jì)制造過程中信息傳遞和數(shù)據(jù)管理的源頭，同時(shí)MBD 數(shù)據(jù)集的構(gòu)建是一項(xiàng)復(fù)雜而又富有挑戰(zhàn)性的工作，其信息的數(shù)字化程度影響著設(shè)計(jì)制造及數(shù)據(jù)管理的效率[2]。

MBD 從根本上改變了產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)的全過程，是數(shù)字化定義的又一進(jìn)步。構(gòu)建了由設(shè)計(jì)到生產(chǎn)乃至后續(xù)檢驗(yàn)的又一座橋梁，實(shí)現(xiàn)了全過程的數(shù)字化、無紙化、可視化目標(biāo)。基于MBD 模型的設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造，可以保證同一模型數(shù)據(jù)來源唯一，數(shù)據(jù)之間轉(zhuǎn)換安全可靠，減少了實(shí)際加工生產(chǎn)中的不良率，提升產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。MBD 技術(shù)的成功運(yùn)用很大程度上取決于企業(yè)的數(shù)字化程度及其配套數(shù)字化生產(chǎn)設(shè)備。目前，我們對(duì)MBD 模型的運(yùn)用還是處于初級(jí)階段，如何進(jìn)一步推廣MBD 在環(huán)測(cè)行業(yè)的應(yīng)用，如何制定行業(yè)中MBD 的設(shè)計(jì)、工藝、制造標(biāo)準(zhǔn)，這也將是未來值得思考的課題。