面向船舶制造的MBD数据构建与数据管理

李明宇，徐 巍，张文俊，何景异

(武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉430074)

0 引 言

船舶制造是典型的大型装备制造行业，代表一个国家的综合经济实力和技术实力。随着我国船舶制造业数字化技术的迅速发展，传统的以二维图纸为主的设计制造模式已无法适应技术发展的要求，以三维建模技术为基础的三维数字化技术将成为未来船舶业制造发展的一个重要方向。基于模型定义(Model－Based Definition，MBD)的船舶三维模型建模方法是一种面向计算机应用的船舶数字化定义方法与技术，其目的是采用集成化的三维实体模型完成船舶产品信息的表达，实现单一产品数据源下的数字化装配与制造。

MBD 建模方法的核心思想是将传统二维工程图纸信息以三维数字化方式重新定义，在三维实体模型中完整的表达产品的设计、工艺、装配和制造等信息，实现面向制造和装配的设计［1］。基于MBD的模型定义方法起源于数字化制造技术的深入发展及航空领域对缩短飞机研制周期、降低研制成本的需求［2］。作为面向船舶装配工艺的信息载体，MBD建模方法将在未来的产品设计及产品制造过程中发挥重要支撑作用。

国外目前的MBD 技术应用已相对比较成熟，波音、空客、洛克希德·马丁等航天航空企业均在其产品设计与制造过程中全面采用MBD 建模方法，并将其作为产品管理过程中的唯一数据来源［3－5］。波音公司在2004年研发的B－787 项目中，通过全面推广与使用MBD 建模方法，使该客机项目的研发周期缩短40%，工程返工减少50%［6］。目前，我国基于MBD的建模方法尚处在研究初期，存在缺乏统一标准、数据可视化程度不高、产品结构信息难以表达等缺点，许多问题尚待进一步的研究与发展［7－10］。

随着三维数字化技术在船舶制造业的应用深入，现有的三维建模方法难以实现从零件设计、装配工艺到制造过程的信息实时交互，难以保证设计制造过程中产品、资源和工艺信息的完整性与一致性。本文以船舶制造业为研究背景，以三维实体模型为研究对象，构建了面向船舶制造业的MBD数据结构及MBD数据管理方法，以满足三维模型中模型对装配制造信息的需求，达到提高船舶设计效率与可制造性，并将MBD数据作为产品模型设计与制造中的唯一产品数据源的目的。

1 MBD数据构建

面向船舶制造的MBD数据结构包括几何信息与非几何信息两类，其内容涵盖有坐标系、实体模型、基准、标注信息、工艺属性等5 类信息，如图1所示。

图1 面向船舶制造的MBD数据结构Fig.1 MBD data structure for shipbuilding

面向船舶制造的MBD数据结构M 可表示为:

1)坐标系信息

坐标系信息是三维模型建立的基础，坐标系可分为世界坐标系CSw和局部坐标系CSp。

在面向产品制造信息定义的过程中，具有相互关联(父子关系等)的零件三维模型在设计时可用局部坐标系为基准设计零件，以减少工艺设计过程中的定位问题。

2)实体模型信息

实体模型信息由满足制造需求的特征信息组成，其基本结构为三角形片面结构，实体模型几何要素的特征描述分别为几何特征SMf，几何形面SMp以及几何区域SMa。

其中，几何特征是指在三维建模过程中，零件几何元素形状描述所使用的特征形状，如内/外螺纹、倒圆角、凹槽、拔模斜度等;几何形面是指构成基本几何形状的几何面片要素，如平面、曲面、回转面、柱面等;几何区域隶属于几何形面的一部分，是具有特定要求的区域。

实体模型信息是面向船舶制造的MBD数据构建的基础，实体模型信息是其他非几何信息(基准、标注及工艺属性)的载体，通过将模型中几何特征、几何形面及几何区域信息有机结合，实现对产品零部件几何特征的准确描述。

3)基准信息

基准信息是MBD 建模技术的关键环节之一。基准信息是用来确定设计与制造过程中产品的点、面等几何关系的信息，基准按类型可分为基准点BMp和基准面BMl两类。

基准点可分为设计基准点、工艺基准点及制造基准点，在面向船舶制造的MBD 建模技术中，设计基准点用途非常广泛，它既可以辅助定义模型特征的位置，又可以辅助建立其他基准特征，如基准轴、基准曲线等基准特征的建立。

基准面是指用于制造和检验所创建的基准元素的平面，基准面可分为设计基准面和加工制造基准面。其中，设计基准面指三维设计过程中建立的基准面，此类基准面更多的是面向零部件的设计过程;加工基准面则面向的是工艺与制造过程中的基准。在面向船舶制造的MBD 建模技术过程中，应将两者基准面准确区分及尽量统一，以利于设计与工艺、制造之间的信息交互。

4)标注集

三维标注是船舶制造业发展的重要方向，也是三维数字化技术替代二维平面技术的基础。面向船舶制造的三维标注，具有二维图纸所没有的直观性与简易性等特殊优势。通过对设计环节的零件信息标注及制造环节的工艺信息标注，可实现三维产品在整个规划设计到制造过程的数字化信息实时交互。面向船舶制造的MBD 标注集信息主要集中在零件质量ACq、尺寸ACm、注释ACn、精度ACp特征等4个方面。

零件质量信息与产品及零部件的材料、体积相关，质量信息一般保存在产品零件几何体的属性信息。

尺寸信息分为定形尺寸、定位尺寸及总体尺寸。其中定形尺寸为确定基本几何体大小所需要的尺寸，如孔径、边长等;定位尺寸即描述基本几何体之间的相对位置的尺寸，如孔中心轴与装配长方体边界的距离;总体尺寸即指装配体或零部件的总长度、总宽度及总高度等，用以描述装配体或零部件的主要外形信息。

注释信息是对产品设计与制造过程的解释说明，注释信息由标准说明、零件注释、材料描述与标注说明组成，如表1所示。

表1 数据结构注释信息Tab.1 Annotation information data structure

精度特征信息主要用以描述几何形状和尺寸的许可变动量及误差，是船舶设计、装配与制造阶段的重要依据，如图2所示。精度特征信息可分为公差信息与表面粗糙度信息两大类。公差信息可分为尺寸公差信息与几何公差信息两大类，公差的准确标注可保证产品的装配质量以及互换性等重要属性指标。

图2 精度特征信息分类Fig.2 Precision feature information

5)工艺属性

面向船舶类的工艺属性信息是制造装配信息的重要载体，包含零件之间的联接关系PIc、零件使用的工具信息PIt以及装配方向信息PIac等。装配联接关系如图3所示。

图3 船舶类制造装配联接关系图Fig.3 Connection relation for shipbuilding

工具信息即是在装配制造过程中所使用工具的类型及数量，工具信息的提取可通过对通用工具数据库中的工具编号完成，该方法不仅可以简化制造系统中零件的规划与利用，也利于制造装配过程中工艺因素的分析。

方向信息即零部件沿坐标系中的某个方向装配制造信息。原则上，设计基准面、装配基准面与加工基准面间无必然联系，但在产品设计与制造的过程中，如可将三者结合统一，则可以简化设计与制造的难度，便于制造方向信息的管理与统一。

2 MBD的数据管理

在面向船舶制造的MBD数据构建过程中，对于不同种类的零件，其定义的模型信息不尽相同，即使是同一种类的零件，在三维零件设计、工艺设计、制造阶段定义的数据信息也不尽相同。如在传动轴三维零件设计阶段，需对该轴的坐标系、三维模型、建模基准等进行详细设计说明，在工艺设计阶段需对其加工精度、公差等工艺属性信息说明，以便于轴系的顺利装配，而在工艺设计完成后，在三维模型上需要对其截面抗弯刚度、材料等详细标注说明，以便于加工制造。

面向MBD的模型信息应在不同的设计、制造阶段建立相应的模型属性，以利于数据信息的管理与交互。为简化MBD 模型的复杂性，便于信息交互，需对原有MBD 模型数据进行分类管理，在不同的设计阶段分配不同的零件模型及模型信息，以利于零件设计、工艺设计和制造设计。

图4 为面向船舶制造的MBD 模型管理流程。由图可知，MBD 模型经设计发布后向下传递到工艺设计，通过工艺设计及仿真预验证后，将带有工艺及工装信息的MBD 模型下放至制造部门，从而实现制造部门的加工制造。

为完整清晰地表达面向船舶制造的MBD数据管理模型，可将数据管理模型划分为设计层、工艺层与制造层，3 层之间相互关联，通过统一的数据交互平台完成信息的交互。其中，设计层为基础层，工艺层为中间层，制造层为实施层，此类分层方法可在较大程度上满足面向船舶制造业的三维模型要求。设计层、工艺层与制造层之间相互关系的数据管理模型如图5所示。

1)设计层

设计层包括三维实体模型信息、坐标系信息、尺寸信息以及层次结构树等三维模型信息，设计层是整个MBD数据构建的基础。设计层的目的首先是建立和发布零件的坐标系及零件基本尺寸;其次是建立三维零件实体模型，建立尺寸信息，为后期产品工艺设计做准备;最后以产品的模型层次结构树作为产品数据管理的依据。设计层的准确划分与定义不仅可以满足设计部门零件设计的需求，而且可以实现零件与数据管理系统的交互。设计层是零件设计的核心层，设计层包含了基本所有零件设计信息，但设计层自身不涉及零件工艺与制造信息的制定。

图5 面向船舶制造的MBD数据管理模型图Fig.5 The MBD data management model for shipbuilding

2)工艺层

工艺层是面向船舶制造的MBD数据管理的核心层，也是面向船舶制造的MBD 模型建立的关键层。工艺层包含了原有二维图纸中的诸多工艺信息，如零件加工基准、零件的尺寸公差、表面粗糙度、精度等级等关键工艺信息。工艺层模型建立的目的首先是需要完整清晰的表达工艺信息;其次是制定工艺规划方案;三是实现工装工具方案的制定与选型;四是实现制造方案的验证与分析;五是实现设计层与制造层之间的信息交互。

工艺部门以零件三维模型为基础，制定该零件的初步工艺规划方案，完善该零件在制造过程中的基准、尺寸公差、表面粗糙度、零件精度等级、连接类型、零件的质量、材质等工艺信息与注释信息，以完善面向船舶制造的MBD数据结构。通过对模型零件信息的不断完善，制定出初步工艺规划方案，在三维模型下放到工艺部门的同时，针对设计过程中的工装工具，采用装配仿真软件对其可制造型分析验证，并将分析验证结果反馈至数据管理系统，以实现工装工具方案的制定与发布。

3)制造层

制造层是MBD数据管理的最顶层，也是数据管理的关键层之一，该层模型信息较为简单，不存在零件设计层的层次结构树、坐标系等原始模型信息。制造层的目的在于准确将设计与工艺部门的信息传递到制造部门，满足制造部门的工艺装配要求，实现产品的顺利制造。

3 示例应用

图6所示为某船舶主轴的三维模型，该模型采用CATIA V5R20 为工具建模完成。在以世界坐标系为参考建立完成实体模型后，在实体模型中标注完成基准、标准信息、工艺属性等数据信息，以实现面向某船舶主轴MBD信息数据的构建。

图6 某船舶主轴MBD 模型图Fig.6 The MBD model for a ship axis

4 结 语

MBD 建模技术是船舶制造业数字化设计与制造研究的热点与难点，是未来船舶制造业数字化发展的必然趋势。本文将MBD 建模技术与船舶制造过程相结合，以零件三维模型为载体，构建面向船舶制造过程的MBD数据结构，通过对MBD数据的设计层、工艺层与制造层的三层划分，以满足制造过程中对三维数据的需求，使以MBD 技术定义的三维模型作为制造过程中的唯一数据依据。

［1］ALEMANNI M，DESTEFANIS F，VEZZETTI E.Modelbased definition design in the product lifecycle management scenario［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2011，52:1－14.

［2］卢鹄，范玉青.航空产品数字化定义中工程图作用的探讨［J］.工程图学学报，2008(2):29－34.LU Hu，FAN Yu-qing.The study of the drawing functions in the digital aero product definition［J］.Journal of Engineering Graphics，2008(2):29－34.

［3］QUINTANA V，RIVEST L，PELLERIN R，et al.Will model-based definition replace engineering drawings throughout the product lifecycle a global perspective from aerospace industry［J］.Computers in Industry，2010，61:497－508.

［4］冯延延，金霞，王珉，等.基于MBD的飞机装配工艺模型设计［J］.飞机装配技术，2010(24):95－98.FENG Yan-yan，JIN Xia，WANG Min，et al.Based model design for aircraft assembly process［J］.Aircraft Assembly Technologies，2010(24):95－98.

［5］安鲁陵，金霞.基于三维模型定义技术应用的思考［J］.航空制造技术，2011(12):45－47.AN Lu-ling，JIN Xia.Application of model based definition in aircraft development［J］.Aeronautical Manufacturing Technology，2011(12):45－47.

［6］QUINTANA V，RIVEST L，PELLERIN R，et al.Reengineering the engineering change management process for a drawing-less environment［J］.Computers in Industry，2012，63(1):79－90.

［7］KHEDDOUCI F，RIVEST L，FORTIN C.Towards long term archiving of 3D annotated models:a sneak peek to a potential solution［C］.Proceedings of Integrated Design and Manufacturing inmechanical Engineering-Virtual Concept，Bordeaux，France，2010:1－6.

［8］甄希金，杨润党，韦乃琨，等.面向船舶产品的装配工艺仿真技术［J］.舰船科学技术，2012，34(12):136－139，143.ZHEN Xi-jin，YANG Run-dang，WEI Nai-kun，et al.Research on assembly process simulation for shipbuilding［J］.Ship Science And Technology，2012，34(12):136－139，143.

［9］陈兴玉，张红旗，陈帝江，等.复杂机电产品全三维工艺设计方法［J］.雷达科学与技术，2010(5):474－479.CHEN Xing-yu，ZHANG Hong-qi，CHEN Di-jiang，et al.Process designmethod based on full three-dimensional model for complex electromechanical product［J］.Radar Science and Technology，2010(5):474－479.

［10］郝博，姜北北.基于模型定义的弹箭三维计算机辅助工艺设计技术［J］.四川兵工学报，2011(12):6－9.HAO Bo，JIANG Bei-bei.Technology of 3D－CAPP based onmBD［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2011(12):6－9.