MBD模式下机械产品的三维轻量可视化研究*

王 煜，吉卫喜，钱德成，孙 斌

（江南大学机械工程学院，江苏无锡 214122）

MBD模式下机械产品的三维轻量可视化研究*

王 煜，吉卫喜，钱德成，孙 斌

（江南大学机械工程学院，江苏无锡 214122）

MBD技术当下更多的应用于航空航天行业，但越来越成为整个制造行业的发展趋势。如何融合MBD模式，实施从设计到车间生产的三维轻量、可视化执行系统，是现阶段大多企业和公司面临的重要问题。以MBD模型设计为基础，结合生产中软硬件的环境现状，对机械产品生产过程中三维工艺模型轻量化、可视化处理等关键技术进行分析，文中给出了“MBD轻量化模型+三维可视化”机制创新的解决方案。

MBD；三维工艺；轻量化；可视化；解决方案

0 引言

基于模型定义（Model Based Definition，MBD）技术，是工程中设计和制造的信息载体，将产品的实体模型和产品的设计及制造信息集成为一个3D数字化全信息模型，从而完整的表达产品定义信息。当前计算机越来越被广泛应用，CAD技术已经基本取代了手工绘图的第一代工程语言，逐渐成为了工程表达的标准方式及第二代工程语言。与此同时，数字化设计和制造技术也正快速发展。基于特征定义及控制的基于模型的定义（MBD）可以改变以二维工程图为主，以三维建模为辅的制造方法，将会成为第三代工程语言。其主导思想是摒弃二维图样的局限性，真正实现三维数模贯穿产品生产制造全过程，详细规定三维实体模型中产品定义、公差的标注规则和工艺信息的表达方法，使MBD模型成为产品生产制造过程中的唯一依据，彻底改变传统的以工程图样为主、以三维实体模型为辅的制造方法。而以MBD模型为支撑，实现三维工艺指导车间生产制造将会是未来制造发展的趋势。

现阶段已有一些公司尝试研究并应用三维轻量、可视化技术开发与市场上成熟的ERP、MES软件集成的系统，运用到企业的生产过程中指导车间生产。但目前存在如下几个关键问题；

（1）信息脱节。现有的可视化系统很多都没有以MBD模型为支撑，导致工艺信息中工艺资源信息与生产任务规划的脱节。从而加重了生产过程中人员的负担和责任，需要他们在可视化的平台上去匹配各工艺相对应的工艺资源信息。

（2）文件较大。如今产品复杂程度日益提升，产品传阅的文件日益庞大，不利于各部门之间的的传阅。从而需要对信息文件进行转换，将其转换为轻量化文件格式，以实现可视化的便捷传阅。

（3）格式不统一。由于历史的原因或者开发目的不同，企业中使用的CAD/CAM软件都各不相同，其内部数据记录和处理方式也都有所不同。这些因素致使企业原始的设计文件在不同的CAD/CAM设计软件中不能被转换和共享。这也就需要一种文件格式支持不同的CAD/CAM软件，且在保留完整的三维模型信息这一基础上，实现与三维设计软件的无关联性，来满足企业不同需要。

针对这些问题，本文对基于MBD的产品三维轻量可视化技术进行探讨研究，提出一种“MBD模型+三维可视化”系统技术方案。

1 MBD模式的数字化全信息模型

1.1 MBD三维模型定义

企业生产信息脱节的问题严重影响了生产和执行的效率，也成了很多企业迫切需要解决的问题，这也催生了MBD技术的产生和实时应用。MBD技术是三维全信息数字化模型设计的基础，运用MBD技术的思想去构建产品的三维数字化模型，开拓便于理解、更具效率的信息表达方式。产品全生命周期的定义信息用一个集成的三维数字化模型来完整的表达，以此来代替二维工程图，实现产品生产制造过程的三维化。该技术思想有效的保证产品生产所需数据的集成共享，从而给制造带来便利且提高生产效率。

MBD三维数字化全信息模型并不是简单的对三维模型进行三维标注，它是将产品物料清单（Bill of Material，BOM）、产品几何信息、制造工艺信息、产品结构信息、产品管理信息的集合体，相应各版块设计人员用一个三维数模便可获得全部的技术信息，使企业设计和制造部门之间的信息交换得以更加准确高效［1］。MBD三维数字化模型的设计不单涉及到产品设计部门，还需要产品的工艺、制造、工装、检测等部门的协同。有效地连接了设计与制造之间的信息孤岛，有效地解决设计与制造一体化问题。MBD三维数字化模型贯穿运用在产品的全生命周期中，为后续可视化平台操作提供实时准确的信息，有效地解决了信息脱节的问题。

1.2 面向产品的三维模型全信息体系的构建

MBD三维模型全信息体系是综合特征建模技术、三维标注技术、信息管理技术等的应用产物，它完整的表达了产品设计和制造过程信息。三维数字化模型的构建就是详细定义零件或产品的尺寸、公差、粗糙度、工艺信息的标注规则和表达方法，使其几何形状信息和工艺信息通过一个可视化的三维实体模型来呈现，然后将其应用到产品的全生命周期中。由产品工程描述、产品管理两方面内容构建成了一个的MBD三维数字化信息体系［6］。如图1所示。

图1 MBD全信息构建体系

该体系实质是一个工艺信息模型和管理模型的融合，从设计到生产制造所需的信息都包含在内。所以可将MBD三维数字化全信息模型用几何元素T表示为；

式中；T是由几何模型Tg、产品制造信息（Product Manufacture Information，PMI）Tm、产品标识信息Ti、产品构型信息Tc四个子集构成的的集合。而各子集又包含下一级信息，分别包括以下内容。

Tg=｛设计模型、辅助制造信息、几何标注｝

Tm=｛产品工艺、工艺资源、工艺说明、工艺知识｝

Ti=｛产品定义、版本标识、编码标识｝

Tc=｛有效性、管理属性、产品结构｝

由这些信息共同构建了产品的三维数字化全信息模型，为生产过程提供完备而准确的数据信息。

2 三维工艺模型轻量化技术研究

2.1 轻量化三维工艺模型框架

企业传输信息文件过大的问题制约着工作和生产效率，从而需要一种以便捷的传送和浏览文件的轻量化处理技术，构建一个轻量化模型来解决文件过大的问题。轻量化三维工艺模型作为MBD数字化全信息模型的信息展示载体，在产品的全生命周期内需要实现MBD模型数据的共享与交换，也就涉及到信息的提取、传递和可视化应用的问题。为此，人们在三维模型数据的轻量化技术上做了诸多研究和探索，以取得较好的制造工艺上的应用效果。MBD三维数字化全信息模型是信息提取、传递和可视化应用整个过程中的唯一信息来源，而制造信息模型则为数据组织的标准；从生产制造的角度重组信息，运用非递归深度优先遍历算法进行信息的简化提取，用压缩算法对数据进行逐层压缩处理，实现体积小且便于展现的轻量化三维工艺模型，从而应用到一线生产制造的可视化终端。

基于轻量化技术的工艺模型信息架构如图2所示。

图2 轻量化工艺模型信息架构

该工艺模型信息架构中轻量化三维工艺模型所提取的信息主要分为特征信息层、状态层、工艺链三个信息层次。

（1）特征信息层；产品的几何特征信息、工艺特征信息、材料特征信息、功能特征信息和管理特征信息构成了整个特征信息层，这五类特征信息的通过MBD模型定义的唯一标识符（产品代码）关联到一起，分别都包含着不同的特征要素。几何特征信息主要有标注、注释、外形结构、特征约束、几何形面、几何区域等要素，工艺特征信息主要有工艺方法（车、铣、刨、磨等）、工艺资源、工艺属性等要素，材料特征信息主要有材料牌号、材料规格、材料要求等要素，功能特征信息主要有功能类别、功能描述等要素，管理特征信息主要有图号、版本号、有效性等要素。

（2）状态层；产品及零件的加工过程一般是分阶段的，车间的加工过程以特征信息为指导，每个加工阶段有着不同的制造中间状态，直到由毛坯到最终的产品

（3）工艺链层；以特征信息层为支撑，按照工艺设计原则及条件进行工艺路线的工艺规划形成了一个完成的产品工艺链，具体为每一道工序，各工序与加工过程的产品或零件状态相互对应，按照工艺链的加工流程把原材料转为产品。

2.2 轻量化处理技术

2.2.1 轻量化模型信息的提取

在机械产品的轻量化工艺模型中，信息的提取运用的非递归深度优先遍历算法。该算法首先获取机械产品的结构对象的唯一标识信息（产品代码），定义其为遍历初始源点，从此源点开始一次遍历并提取构建轻量化模型的工艺信息。具体过程如图3所示。

图3 信息提取层次

整个信息遍历搜索并提取的过程大致可分为四个节点信息层，分别为产品模型公共信息、零件模型信息、工序模型信息、工步模型信息，通常将其分别定义为源点V、根节点Pi、子节点Mi、叶节点Si。对MBD模型数据进行提取就是按照指定的搜索路线依次对每个节点都做一次访问，而且仅做一次访问。这种深度优先遍历采用的搜索方法为深度优先搜索（Depth-First Search），该方法是先对纵向节点进行搜索依次访问与源点V路径上相通的所有节点，从中分别提取相应工艺信息。具体的信息提取路线及步骤如下；

（1）访问产品结构模型V，即初始源点，根据产品的编码标识提取该产品的属性值中的公共信息，并将V标记为已访问；

（2）根据初始源点遍历与其邻接点P1，根据零件P1的编码标识提取相关公共信息，并将P1标记为已访问；

（3）根据根节点P1的标识访问与其关联的邻接点M1，遍历其第一道工序M1的信息，从中提取工艺基本信息和工艺资源等信息，并将M1标记为已访问；

（4）根据工序模型M1的标识访问邻接点S1，遍历该工序的第一道工序模型S1的信息，提取该工步信息，并将S1标记为已访问；

（5）继续依次遍历并提取M1子节点下的叶节点S2一直到最后一个节点Si的工艺信息；

（6）重复（4）和（5）步骤，依次遍历并提取各工序和其对应工步信息，然后在回到步骤（2）开始继续循环，直到图中所有和该产品源点有路径想通的所有节点都被遍历到。

2.2.2 轻量化模型信息文件的压缩

根据信息提取的步骤提取的信息依然繁多，对于三维工艺模型轻量化的要求，就需要对所提取的信息进行尽可能的压缩，以达到3D模型的简单表达。简单来说主要是对几何结构信息的压缩。

机械产品在可视化环境中，对三维模型的结构化几何模型精度要求比在三维建模软件中要低，过高的精度在可视化环境并没有多大的实际作用，反而会增加模型文件的大小而降低传输和储存效率。三维CAD软件使用轻量化接口技术，首先过滤产品的非结构信息，如零部件产品的技术要求、尺寸标注等信息，然后再通过压缩算法对产品的三维结构模型中的点、线、面及几何元素相互间的拓扑关系等信息进行重新定义，不改变原始形状和尺寸的进行结构模型的重构，使三维结构模型得到简化。

3 可视化关键技术研究

3.1 可视化文件格式

随着三维可视化技术的快速发展，越来越多的企业尝试运用三维可视化技术来指导生产。而很多企业中的设计文件由于种种原因不能保证其格式的统一，从而对生产现场终端可视化操作形成瓶颈，一种支持多种三维软件格式的中间格式使可视化便捷操作成为可能。目前主要有Adobe的U3D、西门子的JT、达索集团的3DXML、SolidWorks的edrawing、PTC的PVS、Autodesk的DWF等相对成熟和典型的轻量化模型格式标准，并且有着各自支持的三维浏览的浏览器。通过这些格式软件都可以实现对Pro/E、Solidworks、CATIA等多种CAD格式文件的数据读取，可输出诸如PDF、HTML、SVG等多种标准文件格式，也就解决了企业设计文件格式不统一的问题，为生产过程中的可视化操作提供技术准备。

3.2 可视化技术分析

3.2.1 可视化制造体系架构

一般机械产品三维可视化技术的应用是将可视化系统嵌入到制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）中，与企业中的产品数据管理系统（Product Data Management，PDM）、计算机辅助工艺设计系统（Computer Aided Process Planning，CAPP）进行信息集成。可视化系统应用的数据流及架构如图4所示。

图4 可视化系统应用的数据流及架构

MBD平台数据库层包括从三维CAD、CAPP、PDM中提取BOM清单、三维工艺、工艺仿真、几何模型、工艺资源等信息进行整合，存入满足可视化支持的工艺媒体库中，通过逻辑处理层的信息处理得到一个轻量化的模型进行发布，再基于MES平台和三维浏览器实现对中间格式文件进行可视化UI操作。生产管理人员可以根据生产计划将可视化工艺资源信息发送到对应终端设备上，一线生产人员可以在装有三维浏览器的车间终端上进行三维模型的查看、三维工艺信息的实时查询。

3.2.2 可视化技术分析

三维可视化制造技术以MBD全信息模型为信息的单一源头构建三维轻量化模型进行交互式的3D展示，同时将产品全生命周期中的信息与产品生产过程进行结合［5］；使得生产过程的所有信息实时、准确，从而提高生产效率和产品质量，也强化了企业现场管理水平。实现可视化的关键技术是将轻量化三维模型文件展示在可三维浏览的平台上，同时也需要可视化平台与PDM系统及CAPP系统的无缝衔接，通过接口程序实现系统之间的集成。

制造终端的可视化技术需借助三维浏览器得以实现，本文以PTC的PVS轻量化模型标准，通过其发布可视化三维模型。在生产的可视化终端无需安装上游设计部门的三维设计软件，只需要安装支持三维查看的浏览器。然后通过程序代码将三维浏览器的空间嵌入到可视化浏览窗口界面，终端操作人员在制造执行系统上打开该界面，点击相应的产品或工艺结构树信息即可进行可视化浏览。

4 产品的现场可视化实施应用

针对某电梯零部件企业的某一型号产品生产过程开发了车间可视化管理功能，进行了对“MBD轻量化模型+三维可视化”创新机制的实施应用论证，系统界面如图5所示。

图5 三维可视化UI界面

本文选择采用C/S结构模式，在Pro-E环境下实践基于MBD全信息模型轻量可视化设计。依照MBD的规范完成了产品数字化轻量模型，该模型包含了设计模型、工艺信息、属性信息等数据。用Pro/E三维建模软件自带的Pro/TOOLKIT工具扩展Pro/E的功能［2］，运用并依照PTC公司的PVS作为轻量化模型标准对基于MBD的轻量化模型进行可视化实施应用。通过PTC公司的的PVS（ProductView）平台发布可视化三维模型。首先应用基于C/S结构的网络编程和Pro/E的二次开发，将MBD轻量化模型可视化模型进行发布。再通过代码将可视化浏览空间嵌入到MES系统，做成一个可视化浏览窗口界面进行可视化浏览操作。

现场操作人员可根据权限登录到该系统点击左边的树状数据窗口信息中进行三维可视化的浏览，加工工艺信息和三维实体模型得以直观准确的展现。这种“MBD轻量化模型+三维可视化”创新机制的生产方法可行，产品结构及工艺信息简单明了，能高效的指导生产。现已将这种可视化技术试验应用到已经成型了的产品生产上，且目前仍在实验性应用阶段，为公司后续全面数字化、无纸化生产提供坚实基础。

5 结束语

展开基于MBD全信息三维数字化模型的轻量化、可视化制造技术研究是当前智慧制造的研究热点之一。本文引入MBD技术搭建MBD全信息数字化模型，在MBD模型表示方法的基础上构建面向工艺的三维工艺模型，加强了产品工艺规划和工艺设计的质量。并针对可视化平台进行轻量化和可视化技术研究，打造三维工艺设计和车间终端的可视化集成平台。这将缩短于机械产品的研制和生产周期，且达到降低生产成本和产品质量的目的。

［1］范玉青.机械产品数字化的数据内容及其组织［J］.航空制造技术，2002（3）；41-43.

［2］方忆湘.Pro/E环境下零件MBD模型检测信息的获取［J］.组合机床与自动化加工技术，2013（9）；80-84

［3］ALEMANNIM，DESTEFANISF，VEZZETTIE.Model based definition design in the product lifecycle management scenario［J］.International Joural of Advanced manufacturing Technology，2011.52（1/2/3/4）；1-4.

［4］冯潼能.MBD技术下的协同与管理“进化”［J］.中国制造业信息化，2011（14）；24-25.

［5］SudarsanR，FenvesSJ，SriranR D.A product information modeling framework for product lifecycle management［J］.Computer-Aided Design，2005，37；1399-1411.

［6］张中伟，田锡天，黄利江，等.机加工艺三维可视化表示与生成技术研究［J］.制造业自动化，2013，35（2）；26-30.

［7］张祥祥.面向三维工艺的工艺信息表达及技术研究［J］. CAD/CAM与制造业信息化，2013（7）；40-42.

［8］刘闯.面向工艺链的零件制造模型框架研究［J］.计算机集成制造系统，2009，15（6）；1070-1074.

［9］张宝源，席平.三维标注技术发展概况［J］.工程图学学报，2011（4）；74-79.

［10］邹博宇.基于SOA的可视化工艺协同设计平台研究与开发［J］.组合机床与自动化加工技术，2013（7）；115-117.

（编辑 李秀敏）

Visualization of Three-dimensional Mechanical Products Based MBD Lightweight

WANG Yu，JIWei-xi，QIAN De-cheng，SUN Bin
（School of Mechanical Engineering，Jiangnan University，Wuxi Jiangsu 214122，China）

；MBD technology present more applications and aerospace industries，but has increasingly become the development trend of the entire manufacturing industry.How to integrate MBD model，from design to implementation lightweight workshop production of three-dimensional visualization execution system，is an important issue at this stage most of the enterprises and companies face.In MBD model design is based on a combination of hardware and software status of the production environment，the key technology for the production process of three-dimensional mechanical model of lightweight processes，such as visualization for analysis，this paper″MBD light weight model+3D visualization″mechanism innovation solution.

；MBD；dimensional；lightweight；visualization；solution

TH16；TG506

A

1001-2265（2015）05-0107-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.05.030

2014-08-04；

2014-09-02

江苏省产学研联合创新资金项目（BY2014023-30）

王煜（1988—），男，湖北黄冈人，江南大学硕士研究生，研究方向为企业制造过程信息化，（E-mail）wangyuwing@126.com；通讯作者；

吉卫喜（1961—），男，江苏姜堰人，江南大学教授，博士，研究方向为先进制造技术、产品数字化设计及制造。