基于MBD技术的研发与工艺协同应用

基于模型定义（Model-Based Definition,MBD）技术是一种采用全三维实体模型的方式来完整表达产品定义信息的技术，它将与三维实体模型相关的产品尺寸、公差、基准、表面粗糙度等详细信息统一定义于三维实体模型中，以三维实体模型作为数据交流和传递的载体，完全摒弃了传统结构设计过程中以二维CAD图纸来表达实体模型的方式，从而使得整个产品生命周期内的数据唯一性得到保证。消除了数据传递过程中产生的歧义，大大提高了产品设计的效率。

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本文作者：闵青、张震威，伦茨(上海)传动系统有限公司。由e-works旗下「PLM之神」原创首发。

01前言

MBD技术自2003年7月被正式批准为美国国家标准后，达索、西门子和PTC等公司便相继将该项标准应用到自己的商用化三维CAD系统中，支持基于MBD技术的产品设计。

以PTC公司的Creo为例，其通过三维注释来实现PMI信息在模型中的标注，详见图1。

图1 PMI信息标注

自从波音公司将MBD技术首次应用到波音787项目的产品设计中以来，国内的航空企业也逐渐开始学习MBD技术并尝试将其应用到实际的产品设计中，并取得了极大的进展。然而国内部分航空企业发现，虽然MBD技术在航空企业中应用范围已非常广泛，但是MBD技术依然仅仅停留在产品的设计过程中。也就是说，基于MBD技术的三维实体模型已逐渐取代了用二维CAD图纸来表达实体模型。但是航空企业的工艺设计环节依然是采用二维CAPP系统的方式进行，所发布的工艺文件还是二维卡片的形式，工艺过程卡片和工序卡片相分离。

另外，数控加工技术已经在制造企业得到了大范围应用和普及，NC程序的编制也是针对三维实体模型进行的。从而产生了一个严重影响工艺设计效率的问题，即国内航空制造企业的产品制造模式：采用基于MBD技术的产品设计，然后根据MBD设计模型，采用二维CAPP系统进行工艺规划，工艺设计完成后发布二维工艺卡片，再在三维实体模型上进行数控编程。可见CAD/CAPP/CAM三者脱节、互相独立。MBD技术没有贯穿于产品零件的整个生命周期中，产品数据从三维到二维再到三维进行传递，难免会出现数据丢失等问题，并且以这样的模式进行产品设计和制造，生产效率大大降低，产品质量更是难以得到保证。因此从实践角度来看，MBD技术不应仅仅只是停留在产品的结构设计环节，更需要将MBD技术贯穿于产品的整个生命周期中，即将MBD技术应用到工艺设计、工装设计、数控编程和仿真验证等等环节中。打通CAD/CAPP/CAM之间的壁垒，使得产品数据在传递过程中保证唯一性且能向下继承。真正实现产品设计单一数据源传递的目的。

02MBD应用场景

零件MBD设计模型的组织定义如下图2所示。零件MBD设计模型由三部分组成，即设计模型属性、几何元素构成的实体模型和文字表达的注释信息。三维实体模型则以全三维的方式定义了产品的几何形状信息，包括特征的拓扑结构信息等；设计模型属性数据则描述了产品的原材料规范、产品型号、产品名称、分析数据等产品内置信息；而文字注释则表达了零件实体模型的几何尺寸与公差（尺寸公差、形状公差和位置公差）、基准、表面粗糙度和精度要求等加工必须的工艺属性信息。

图2 零件MBD设计模型组织结构

1.1设计MBD信息

在产品研发、设计和制造整个的过程当中，二维工程图是产品制造信息最基础的表达方式，在每个环节，产品设计师和技术工作人员都要来提炼工程图纸中的产品制造信息，把自己对产品设计独到的见解与其他人员进行分享。但是目前企业存在一种影响产品制造加工的不好现象：那就是设计人员完成了产品设计之后，生产部门需要根据设计的二维图纸来获取产品加工的重要信息。在这个过程中，生产部门的工程师们不但需要对图纸中的尺寸、公差、精度要求等制造信息去理解和消化，而且同时还要在自己的脑子里想像出需要加工的模型形状，或是将三维模型与二维工程图纸进行比对来了解产品加工的技术特点。无论是采用哪种方式，都会花费工程师大量的时间，从而降低了工作效率。然而若将二维工程图中所具备的信息以三维方式展现，则将更为直观，以图3为例。

图3 设计PMI信息

因此PMI标注技术能高效地处理这个难题，产品设计师可以将产品制造信息直接在三维模型上进行标注、体现，提高了生产过程中三维模型生产制造信息的准确性、易理解性。工程师们能更全面、清晰地解读出产品制造的相关信息，切实提高了工作效率，保证了产品的加工质量。PMI信息标注是将产品制造信息直接标注在三维模型表面或剖面上，使设计师的产品设计意图表达的更加直观、清晰。但是三维标注并不是硬生生地将二维工程图中的信息标注到三维模型上，而是要遵循三维模型标注的基本原则，规范三维标注方法，其基本原则表现在以下四个方面：

1.规范性与一致性原则。

在三维模型的创建过程中，三维模型必须由基本尺寸生成，必须遵循相应的建模规范，确保三维模型信息正确性与有效性。当模型视图、几何图形集和特征等要素在三维模型标注中出现时，应具备自己独有的名称，并按照一致性的原则进行命名，保证符合标准的规定。

2.信息完整性原则。

三维模型标注的PMI信息应多于二维工程图纸表达的产品数据信息量。完备的模型设计细节要在三维模型中体现，为了能够使产品结构以及各部分之间的相互关系完整、清晰且准确地表达出来，一定要保证视图、剖切面放大和标注尽量少的出现。

3.关联性原则。

使标注内容与几何特征之间的关联关系体现出来完整性和无歧义性。

4.面向使用人员的定义原则。

对于模型的标注信息能够便捷的读取出来，提高其可读性，使用者更加容易的理解产品制造信息。

目前，人们所熟悉的表达一个产品的制造信息方式就是通过二维图纸来表达出产品制造信息。虽然我们能够从二维图纸中获取有助于我们分析产品制造信息的一些标准符号，但是，当零件模型需要表达出多种数据信息时，难免会出现一些差别，如果这样就会致使产品制造成本的增加。如果犯了这些与产品制造有关的错误，那么它就会导致产品质量不合格等一系列问题。因此，PMI信息的价值就体现出来，它能够在三维模型上清晰、准确的反映出产品制造信息，节约生产制造成本。

经常使用二维工程图纸来向生产部门传递生产技术要求，很容易使产品开发周期的负担更加的重大。通过PMI技术，用三维模型来表达所有的产品制造信息，工程师们不再依赖二维工程图纸就能理解设计师的产品设计理念。

PMI技术提供了以下利益：

1.将设计意图与三维模型之间构建一种关联关系，并使它与模型建立关联，不再需要根据二维信息来推导和解释设计意图。

2.使不完整或不准确的制造信息导致的产品质量问题大大的减少了。

3.在每个地方重复使用这些PMI信息，可以提高了企业生产制造的效率。

4.设计师不必再等待二维工程图就能向生产部门传达产品的设计意图与要求。

PMI技术能够使二维图纸上的产品制造信息以更加独特的方式在三维模型中显示，企业很大程度上在产品研制过程中提高了生产力、产品质量以及工作效率，体会到了PMI技术带来的价值。

1.2工艺MBD信息

1.2.1三维工艺模型的几何信息

1.工艺模型的几何实体

三维工艺模型中的几何实体是指在三维数字化环境下定义的产品制造几何特征实体。这部分几何实体以制造特征为几何单元，可概括为外形几何实体和边界几何实体。外形几何实体表现了产品的轮廓特征，边界几何实体则表达了组件间的连接过渡特征，几何实体通常还定义了产品所须的上下公差。几何实体的建立必须与实际加工过程相吻合，并要充分考虑到当前儿何实体对后续生产加工的数据继承、传递、应用所具备的便利性。

2.工艺模型的坐标和基准信息

工艺模型的坐标系统一般分为全局坐标系、局部坐标系和辅助坐标系。全局坐标系用来确定模型的真实空间位置；局部坐标系用来确定模型相对某一特定点的空间位置；辅助坐标系用来定义模型以外安装件的相对空间位置。工艺模型的基准系统主要包括定位基准、工序基准、测量基准和装配基准。工艺模型的坐标和基准系统是产品数字化定义及后续工装设计、产品装配、检验过程的主要参考数据。

3.工艺模型的参考模型信息

工艺模型是在继承设计模型信息的基础上转化创建的。设计模型和工艺模型间信息的集成是通过中间参考模型的转化来实现的，也就是利用标准化定义的模型，实现不同系统平台间数据信息的传递，诸如Step、Iges等标准生成的产品参考模型可实现信息的传递和集成功能。但需要特别注意的是，通过标准转换模型来传递数据时，可能存在一定的风险，需要进行检查和修正。

4.工艺模型的建模中间状态信息

建模的中间状态信息即为多态工序模型信息，工艺模型就是多态工序模型顺序演变的集合，工序模型的存在有助于工序信息的有序表达和设计过程的复现，同时中间状态工序模型能够成为下游工艺设计阶段的基准，保证数据信息的有效传递和表达。

1.2.2三维工艺模型中的非几何信息

1.工艺模型的特征设计信息

特征设计信息指创建中间工序模型过程中涉及的设计尺寸信息、基准信息、公差信息、粗糙度信息等。设计类信息一般是从产品设计模型中继承而来，是工艺特征建模过程的信息依据。

2.工艺模型的制造工艺类信息

工艺模型的制造工艺信息是指产品在实际生产加工过程中所涉及的信息集合，包括加工方式、机床、装夹设备、刀具、加工参数、切削液等信息。制造工艺信息的合理选取是工艺过程规划设计的主要内容，工艺信息的可视化表达也是三维工艺技术研究的重点之一。

3.工艺模型的属性信息

工艺模型的属性信息包括模型说明类信息（名称、代号、质量、描述等）、模型管理类信息（版本、版次、状态、有效性等）、批准发放类信息、制造技术要求等信息。属性信息是对工艺模型各类属性的综合性描述，能对工艺设计和改进过程的有效信息进行及时的跟踪和控制，可以有效保证产品数据的一致性、完整性和可追溯性。

1.2.3 MBD的数控加工工艺设计流程

基于MBD的数控加工工艺设计系统在传统二维CAPP系统的基础上，做出了较大的改进，其主要表现在摒弃了利用二维图纸作为数据传递和交流的方式，而是将三维实体模型作为唯一的数据源。从结构设计、工艺设计、数控编程以及到后续的仿真、产品制造和质量检验环节，三维实体模型均贯穿于产品的始终。这得益于三维实体模型上所依附的信息，基于模型定义技术就是将产品的设计信息、工艺属性信息、加工信息等详细标注于模型上，便于查看和交流。CAD构设计人员设计好MBD型后，不再同以往一样生成纸质的CAD图纸，而是直接将MBD设计模型传递到工艺设计人员那里，工艺设计人员从三维实体模型上提取相关的特征信息、公差、基准、表面粗糙度、技术要求等注释信息后进行下一步的工艺设计，并集成各种机床库、刀具库、工装库、切削参数库后进行工步、工序编制。一方面发布电子版的工艺过程文件，另一方面逆向生成每一道工序MBD模型，并且将工序号和工序模型相对应起来，大大突破了传统二维CAPP系统中工序卡片和工序简图相脱节的问题，同时发布的电子版工艺文件依然可以用MBD模型进行表达和管理，下游的CNC数控编程环节集成CAPP工艺设计中的信息，并且直接利用工艺设计中生成的工序MBD模型进行数控编程。因此可以看出，基于MBD的数控加工工艺设计系统的设计流程完全依托三维CAD模型，将MBD设计模型作为唯一的数据源进行传递，打破了CAD/CAPP/CAM之间的“壁垒”，实现了三者之间的无缝集成，同时下游的生产制造和质量检验等环节也逐步继承了上游的数据，使得数据的传递变得异常方便和直观。详细流程见下图4所示。

图4 MBD的数控加工工艺设计流程

因此基于以上分析传统二维CAPP工艺设计系统和基于MBD的工艺设计系统，不难看出，基于MBD工艺的设计系统具有智能化水平高、工艺编制直观且速度快、出错率低及工艺知识继承性好等优点。基于MBD的数控加工工艺设计系统主要解决以下的几大基本问题：

1.统一数据源快速工艺设计

以MBD三维设计模型做为数字化传递的唯一数据来源，能有效提取三维模型中的各类三维标注信息，快速地设计出三维数模的加工工艺信息，并在该模式下实现输出的工艺文件能无缝集成到下游CAM系统中且直接应用到生产制造工艺现场中。

2.全三维模型的工艺设计

工艺设计完全在全三维模型环境下进行，从而保证工艺设计的直观性和可视化；在工艺设计过程中的工艺数据同样采用三维化的方式进行传递和表达，从而保证工艺执行过程的高效性和可理解性。

3.工序MBD模型逆向生成

基于MBD的数控加工工艺设计系统中，三维工序模型的生成是其中关键技术之一，工序模型中不仅保留了设计模型的基本设计信息，还包含了本道工序相关的工艺属性信息，并且工序模型和工艺过程的关联同样也提高了工艺设计的表现能力，为后续的数控编程设计提供了数据来源。

4.工艺文件有效管理

工艺设计过程中会生成一系列的工序MBD模型，并且是每一道工序对应着一个工序模型，并且使得工序模型和工艺文件的动态关联，有效的管理这些工艺文件，能够大大方便工艺人员之间的交流，也便于下游数控编程环节的查看。

5.工艺可视化

二维CAPP工艺设计系统发布的工艺文件是以二维表格的方式来呈现的，这在一定程度上并不便于工艺信息的查看，基于MBD的工艺设计系统由于完全依托三维模型进行表达，因此工艺发布时同样在软件平台上进行发布，通过电子文档和三维工序模型相结合的方式来达到工艺可视化的目的，更直观形象地表达每一道工序内容和加工特征。

03结论

随着计算机信息技术的高速发展，生产制造业也随之突飞猛进，CAD/CAM技术得到了快速的进步和广泛应用。虽然CAPP的研究和应用开始的时间比较早，但是相对于CAD/CAM来说，CAPP技术却是远远滞后于后者，对制造业进一步的信息化发展起到了严重的阻碍作用，继而成为制约制造企业进一步发展的瓶颈。

相对于传统的CAPP系统，基于MBD技术的三维CAPP系统得到高度重视和关注，成为CAPP系统研究与发展的重要方向。从MBD所展现的能力及收益来看，未来一定会有越来越多的制造业企业着手深入应用。

审核编辑：汤梓红