基于NX7.5.2 软件的MBD 工艺设计研究

郭志伟，孙建邦

(中国兵器工业第203 研究所，陕西 西安 710065)

0 MBD 工艺设计概述

MBD(model based definition):是目前波音推行的新一代产品定义方法。其核心思想是:全三维基于特征的表述方法，基于文档的过程驱动;融入知识工程、过程模拟和产品标准规范等。它用一个集成的三维实体模型完整的表达产品定义信息，即将制造信息和设计信息(三维尺寸标注及各种制造信息和产品结构信息)共同定义到产品的三维数字化模型中。从而取消二维工程图，保证设计数据的唯一性。MBD 在2003 年被ASME 批准为机械产品的工程模型的定义标准，是以三维实体模型为制造依据的标准体。

在工程设计、工艺设计和生产流程方面，传统的模式是:产品设计者首先将头脑中的三维实体形象通过严格的标准和投影关系变为复杂的、但为工程界所共识的标准工程图;工艺人员再以此二维工程图作为唯一制造依据，通过想象恢复它的立体形状，理解设计意图，然后根据加工路线在头脑中分解成不同的工序实体，并构思所需的工装实体形象，再将各个工序及工装实体形象转化为相应的标准平面图样，编写适当的工艺文件，传递到车间;工人再根据各工序图，通过理解，再次还原产品加工阶段的各个立体形状，展开加工。在整个过程中，浪费不仅是平面图的多次绘制，还包括了对实体形象和抽象的视图表达方式之间的多次转换，以及在转换过程中可避免出现的表达不清和存在歧义，平面图样的再利用能力几乎没有，定义的品质完全依赖于相关人员的个人能力。有时不是创意而是对平面图形的理解程度、制图技术的好坏成为能否制造出好的产品的关键。这种方式使得产品数据传递过程中管理复杂，效率低下，成本高昂，信息利用率低。而MBD 技术就可以很好得解决上述传统模式中的弊病，其重要特点之一就是设计信息与工艺信息的融合和一体化。

MBD 工艺设计方式就是工艺人员直接依据三维实体模型开展工艺开发工作。围绕实体模型进行工艺装配仿真、加工模拟仿真、工艺文件编制、NC 程序编写等，并将所有工艺信息与模型融合为一体，再将包含完整信息的模型传送到车间数字终端作为产品加工的依据，以一种“所见即所得”的方式指导生产。但这是一种理想的工作流程与设计方式，在实际的运作中，不但要解决大量软件技术问题(例如:如何在模型中加入三维尺寸标注、工艺内容、工装信息、设备信息、数控加工程序等)，更主要的是要有效解决由此带来的对企业文化、管理体制、生产方式、检验制度等的冲突，因而MBD 的实施不可能是一蹴而就的，它必然经历一个循序渐进的过程。本文即是通过探索一种在现阶段可行的，既引用MBD 设计思想、又结合传统生产流程特点的工艺设计方法，以实现产品从工程设计阶段向加工生产阶段的快速、准确转化，并推动企业对于MBD 技术的认知，以MBD 技术的发展迎接三维数字化制造时代的来临。

1 基于NX7.5.2 的MBD 工艺设计开发

1.1 NX7.5 简介

NX 系列(原UG 系列)软件是当前世界主流CAD/CAM 软件之一，被当今许多世界领先的制造商用于概念设计、工业设计、详细的机械设计以及工程仿真和数字化制造等各个领域。早在20 世纪70 年代初期，在某飞机研制中就使用此系列软件建立了飞机的局部外形模型。1987 年我国已引进美国UGII 软件用于K8 飞机研制。从1997 到2003 年我国飞机制造企业又连续多次从美国UGS 公司引进了大型CAD/CAM 软件UGII，大量采用了UG 进行数字化设计与制造。现在UG 软件已发展至NX7.5.2 及以上版本，其功能也越来越完善，在国内大型设计、制造企业得到了广泛的应用。在NX7.5 版本中最大的惊喜在于同步建模技术的强大功能，它使得对于产品三维模型的后续更改设计变的非常简单，在NX7.5.2 版本中又加入了中国工具包，使得软件的使用更符合国内用户的特定要求。本文所讨论的MBD 工艺设计方法(不妨称之为准MBD 工艺设计，因为完美的MBD 工艺设计在现阶段仍是一种理想化的模式)，正是得益于软件的上述功能，并与WAVE 技术结合，辅以合理的二次开发才得以实现。

1.2 基于NX7.5.2 的二次开发

大部分制造企业对于生产流程的控制，仍然是以工艺规程、工艺流程卡为主，通过纸质或电子的、符合企业标准的工艺技术文件在车间流转来指导产品的加工生产。传统的工艺文件编写主要采用Auto CAD，WORD，CAXA/CAPP 等软件来进行，这类软件都是以二维工程图为基础，利用事先定制的与使用软件相适应的二维标准模板来进行。而产品的模型设计是用NX，Solid Work 等大型三维设计软件来进行的。产品的数控加工编程又涉及其他的CAM 软件。那么对于工艺设计人员来说，只有掌握众多的设计软件才有可能很好地完成整个工艺设计环节的工作，这无疑是一种额外的负担，况且在不同软件环境之间调用模型和图样文件几乎是不可能顺利实现的，这无疑会浪费工艺设计人员大量的时间来处理软件之间不完全兼容所带来的一系列问题。

对于MBD 工艺设计来说，其要实现的主要功能就是对三维模型的最大利用(取消二维图样这一中间过程)，并以此为基础快捷、高效、准确的生成适合制造企业生产管理流程的工艺文件指导生产。显而易见，如果能够将产品的工程设计环境(CAD)、工艺设计环境(包括装配仿真、工装设计、工艺编制等)、加工仿真与编程环境(CAM)等融为一体，必然会大大提高工艺设计的效率。传统的二维工艺设计软件显然很难完成这一任务。对于NX7.5 系列软件来说，其在CAD/CAM 方面的强大功能已经通过市场的广泛应用得到了充分的证明，那么要利用软件现有的功能实现工艺设计的其他内容(编制工艺文件)，以达到目的，就必须首先对软件进行合理的二次开发，在新的软件环境中定制出符合企业自身标准要求的各类工艺技术文件模板。

a)工艺模板的开发与使用

通过定制与企业自身要求相适应的标准化工艺规程、工艺流程卡、工装图模板并通过对NX7.5.2 相关配置文件的合理改写，将模板文件及工艺资源添加到软件中，使得工艺设计人员能够对工艺模板文件进行快速调用，这是工艺设计的先决条件。

新建模型文件，进入制图模块，按照企业对于线型、字体等方面的具体要求，利用曲线命令绘制所需工艺模板，然后在模板文件属性项中增加如产品代号、工序名称、工序号、编制、校核等固定项，将模板文件中的相应项与新增属性关联对应，或直接与产品模型文件的有关属性关联，以实现对工艺文件标准内容的快速输入。

完成工艺模板的定制后，通过新建文件的方式调用模板，再将各工序模型、工装模型以各种视图的形式加入到新建文件中，以继承PMI 标注(三维标注)、添加注释、引用技术资料库等方式在工艺文件中添加必要的工步内容及其他信息，从而快速生成工艺执行文件。这种方式直接去除了工艺设计对产品二维工程图的依赖，以三维模型作为唯一数据源，利用软件在制图方面的强大功能，使得工艺设计能够快速、合理、准确的完成工艺编制。

b)配置文件及技术资料库开发

完成了工艺模板的定制开发后，如何有效地调用模板，生成与模型相关联的工艺文件?如何将常用的加工术语、刀具信息、加工要求等重复使用的资源迅速添加到文件中，减少不必要的重复劳动?这便需要对软件的相关配置文件进行合理的修改来实现。如建立一个“203 所工艺规程封面模板”文件，命名为“203_technics_fm.prt”，再制作一个与模板对应的预览图片文件，命名为“203_technics_fm_template.JPG”，然后将上述两个文件拷贝至NX7.5.2安装目录下的UGII emplates 文件夹中，并通过对相关文件的修改来得到目录标题为“203 工艺模板”的文件新建菜单选项以调用模板。

用记事本程序打开NX7.5.2 安装文件夹下的LOCALIZATIONprcsimpl_chinesestartup 文件夹中的ugs_drawing_templates_simpl_chinese.prt 文件，修改如下内容(黑体、斜体表示已修改后的内容):

修改完毕后保存上述文件，重新启动NX7.5 软件，即可在新建文件时，发现已嵌入工艺模板的调用选项(如图1)，选择需要的工艺模板，命名后点击确定即可调用模板来编制工艺文件。

图1 工艺模板调用选项

用记事本程序打开NX7.5 安装文件夹下的LOCALIZATIONprcgc_toolsconfiguration 文件夹中gc_tool 文件，添加如下类似常用工艺资源(斜体、黑体内容为添加内容):

修改完毕后保存上述文件，重新启动NX7.5 软件，点击技术要求库即可发现新内容已添加，可随时引用添加的工艺信息资源。

2 MBD 工艺设计中的关联设计

2.1 WAVE 技术在工艺设计中的应用

WAVE(what-if alternative value engineer)技术是EDS公司推出的自顶向下的、全相关的产品级设计技术，是参数化造型技术与系统工程设计的有机结合，通过集成系统级工程和参数化建模技术来实现产品的快速开发，极大的提高产品的设计效率。WAVE 技术的本质，就是通过一系列自顶向下工程参数的控制，来驱动整个产品的总体设计、功能评估和工程更改，面向产品数据的全相关是WAVE 技术的最大特点。在产品的装配设计中，当某个主参数改变后，产品会按照原来设定的控制结构、几何关联性和设计准则，自动更新产品系统中每一个需要改变的零部件，以确保产品的设计意图和整体性。

对于产品的机械加工工艺设计，一般都是按照“去除材料”的思路，将产品设计结构分解成多道工序结构，然后根据每道工序的特点，设计工序附图和加工说明(工步内容等)来进行。那么在MBD 工艺设计中，中间工序模型及必要的工装模型也就是必须建立的(因为此时，工序附图是由相关模型直接生成的)。这时便会出现一个急需解决的问题—如何建立工艺过程中所必须的中间模型(如粗车、精车、精铣、终检等工序模型)，是让工艺人员去按照传统的建模方式分别创建这些模型吗?显然，这不是一个好的建议。因为这样建立的工序模型是相互独立的，是与产品设计模型没有任何关联关系的独立个体，重复的建模工作也是不可取的。这样的设计方法是不能带来设计效率的提升，也是不符合MBD 设计思想的。

WAVE 技术提供了很好的解决方案，在MBD 工艺设计中，可以充分利用NX/WAVE 技术的前述特点，使得工艺设计环节与产品模型紧密关联。当工艺人员得到一份产品的设计模型时，通过WAVE 技术可将设计模型链接到新建的工艺模型文件中(设计模型的更改权限是严格控制的，工艺人员是不能直接使用的)，并将此工艺模型作为工艺设计的顶节点，在顶节点下继续运用WAVE 技术，通过对工艺模型中实体特征或点、线、面特征的链接，创建中间工序模型及辅助工装模型子节点，然后对各个子模型进行后续工艺设计，由此形成一个与产品模型全关联的MBD 工艺设计子系统(如图2)。当产品的设计参数更改后，通过WAVE 技术获得的工艺模型、工序模型、辅助工装模型及编制的工艺文件(工序附图)也会随之自动更改，而工艺人员只需对相应的工步内容进行调整即可快速生成新的工艺执行文件，这将极大提高工艺设计的效率，并且对于企业开展设计与制造并行工程也是极为有利的。

图2 MBD 工艺设计子系统示意图

2.2 同步建模技术在工艺设计中的应用

前面提到对于设计模型的更改权限是严格受控的，这一方面可以避免工艺人员对原模型不合理的操作导致后续工艺设计出错，影响整个制造环节;另一方面设计模型是整个工艺设计的驱动点，必须保证其相对的独立性，这样在设计发生更改时，才能保证后续的工艺设计正确更新。前条所述，工艺设计所需的模型都是通过WAVE 建立的，但通过WAVE 技术从设计模型链接得到的工艺模型是以一个实体特征(链接体)出现在新文件中的，不再继承原模型的建模历史记录(有序特征树型结构)，因而也就不能通过对特征结构的重新编辑来得到需要的中间工序模型(况且对于复杂结构零件来说，要理解设计者的建模思路，以编辑建模历史特征的方式修改模型，本身就是一件极为困难的工作)。那么，如何在WAVE 的基础上修改链接得到的唯一实体特征，快速建立所需的中间工序模型呢?

NX 在2008 年推出的同步建模技术可以很好的解决上述问题。同步建模技术是三维实体建模技术中一个成熟的、突破性的飞跃，在参数化、基于历史记录建模的基础上前进了一大步，同时与先前技术共存。同步建模的基本目的是提出一种设计更改方法，强调修改模型的当前状态，不考虑它是怎样被构造，不管是否有参数存在，不管它的相关性或它的历史特征。通过移动(或代替)一个模型的面，或利用对模型横截面的编辑，或利用修改线性、角度和半径尺寸等方法修改模型，实现对设计模型的自由改变而不需先前的经验。同步建模是一种独立于线性历史的、全新的建模方法。

由同步建模技术的特点，可以很清楚的看到，它正适用于MBD 工艺设计中由WAVE 技术得到的链接实体模型，对于这个没有建模历史记录，非参数化的实体模型，同步建模技术能够体现出其最优异的特点，实现对模型的快速修改。

3 应用实例

在MBD 工艺设计中，应用的难点是:要以最有效地方式利用设计模型，快速建立系统性关联的工序模型、工装模型，最终完成CAM 环境下的加工仿真、编程及工艺规程等技术文件的编写。NX/CAM 已经是很成熟的技术，这里不再赘述。工艺文件的编写，在对软件进行了合理的二次开发后，不再是困难的工作，其应用过程与工程图的建立方式类似。下面通过一个示例来论述如何运用WAVE技术及同步建模技术建立与设计模型全关联的工序模型。从初始工艺模型(可作为最终检验工序模型使用)建立前步的工序模型可理解为“添加材料”的逆推过程。

图3 是某类型发动机组件模型test01，在装配导航器中通过WAVE 链接选项—将几何体复制到新部件，得到初始工艺模型test01_p01(图4)。根据模型结构，工艺路线可简略分为3 个加工工序:粗车、精车、精铣。

按照逆推的思路，精铣为最后一道工序，主要目的是铣出球面上的4 个凸台及凸台边缘圆角，可直接由test01_p01 链接得到模型(命名为test01_p01_jx)进行CAM 编程完成。在精车工序，通过WAVE 选项—将几何体复制到组件，创建精车模型test01_p01_jc，在此模型中，首先用同步建模/删除面命令删除凸台圆角特征与及凸台上面的孔，并用移动面命令将凸台与径向方向(整个回转体的径向)垂直的两个面移动生成足够的余量，然后以凸台的相关边通过旋转命令得到图5 所示精车模型。粗车工序是为了去处大部分的多余材料，给精车留够必要的余量即可。通过前述同样的方式，以test01_p01_jc 链接创建粗车模型test01_p01_cc，然后通过同步建模/横截面编辑命令，在各个部位设置需要的余量并删除不必要的倒角斜面即可生成图6 所示粗车模型。毛坯模型(如图7 中透明圆柱体)的建立，可以通过拉升最大圆柱特征底边(生成圆柱体)，再向外偏置圆柱体柱面，最后拉出圆柱体两端面生成余量而得到。

所有工序模型建立后，可对相关模型设置显示透明度，从而直观的观察模型建立的是否恰当，每一步的加工余量是否足够，从而避免不合理的操作(如图7 所示)。模型完成后，就可以调用工艺文件模板编写必要的指导文件了。

图7 示例模型及BOM 结构

MBD 工艺设计方法作为一种新的设计思路，在运用的过程中，需要技术人员对WAVE 技术、同步建模技术及NX 软件本身有深刻的理解及较强的操作技巧，本文旨在以“抛砖引玉”的方式，提供一种可行的思路供业界参考。

4 结论

1)通过对NX7.5.2 进行二次开发，可实现产品工程设计环境与工艺设计环境、加工仿真环境的统一，解决多种软件交叉使用带来的软件不兼容及技术人员须同时掌握多种软件的困难，并实现MBD 工艺设计的核心功能，提高工艺设计效率。

2)通过基于NX7.5.2 的MBD 工艺设计研究，可实现基于产品三维设计数据的工艺设计，加速产品从工程设计阶段向工艺设计及加工生产阶段的流转并提高产品设计数据传递的准确性，尤其对于大型系统性产品的研发，这种工艺设计手段及流程的转变将大大提高研发效率，缩短产品研制周期，节约研发成本并提高产品研制的可靠性。

3)以较小的成本对现有NX7.5.2 及以上版本软件进行二次开发，即可实现MBD 工艺设计的核心功能，解决企业购买大型三维工艺设计软件的巨大资金投入，使企业的工艺设计更适合于未来产品设计与制造的发展。

［1］赵文龙.UG/WAVE 技术的研究［J］.机械，2004(31):69-70.

［2］UG NX7 从入门到精通［M］.北京:机械工业出版社，2009.