基于MBD的数字化三维协同技术应用研究

刘爽　孙有

摘 要：随着工业化与信息化的深度融合、智能制造技术飞速发展，构建基于数字化的设计制造协同工作环境是企业实现高效、智能发展的必然趋势。本文对MBD的数字化三维协同技术应用进行了研究。

关键词：MBD技术;三维协同技术;应用研究

数字化制造技术在航空制造领域的应用越来越广泛，飞机的研发、制造方式也在发生很大的变化。新飞机工程全面应用M BD技术，采用多厂所异地协同的研制模式，为航空产业的跨越发展提供了难得的机遇。

一、MBD技术概述

MBD（Model Based Definition）技术，即基于模型的定义，有时也被称为数字化产品定义技术，是一种面向计算机应用的产品数字化定义技术，其核心思想是用一个集成的三维实体模型来完整地表达产品定义信息，实现面向制造的设计。MBD技术充分利用三维模型直观、可视化和准确表达的特点，将产品全生命周期过程中所需的几何信息和非几何信息，以注释或属性的方式附加到三维模型中，从而使三维模型成为生产制造过程中的唯一依据，为设计人员摆脱繁重琐碎的二维制图工作提供了可能。

二、MBD的特点和技术优势分析

由于通常的CAD数模仅包含三维几何信息，工艺、制造、管理信息存在于二维图或其他技术文档中，使用人员无法以直观而明白的方式获取相关信息，也无法直接用三维模型进行产品的生产和检验。为了将三维设计向三维制造一体化转变，迫切需要一种方式将三维设计信息传递到各使用方。MBD是产品定义方式的一次革命，它以更为强大的表现力和易于理解的定义方式，极大地提高了产品定义的设计质量和利用效率，使设计、制造融为一体，是未来设计技术的发展方向，必将对航空制造业有着深远的影响。

1.基于特征的建模方法。不同于其他工程定义方法，MBD是完全基于特征定义的，它不是三维实体加三维标注，而是特征的定义和特征关系的控制，这是它与其他工程定义方法本质的区别，因而它有更强的表现力，更符合实际工程的需要。

2.数字化信息集成。在MBD中，数据集以三维模型为核心集成了完整的产品数字化定义信息。MBD数据集内容包含设计、工艺、制造、检验等各部门的信息，形成单数据源，避免多源数据的信息不一致，冗余等问题更适合信息的传递和应用，打破长期存在设计/制造/服务的信息壁垒。

3.知识工程的融合。长期以来，知识工程仅停留在理论和研究阶段，未能有效地在企业实际应用并体现价值，其重要的原因之一是缺乏有效的知识表达工具，并将其融入到设计、生产环节中，也缺乏有效的知识收集工具在企业业务活动过程中收集知识。基于标准的特征定义的MBD技术可有效地描述设计、制造等工程特征，并将蕴涵于其中的知识通过标准的数字化的方式表达，可以有效地表达知识，也利于以数字化的手段收集、归纳整理知识。

三、MBD的数字化三维协同技术应用研究

1结构化工艺设计。产品BOM转换。BOM一般指产品物料清单，在设计制造协同环境下，产品BOM是通过接收设计单位发送的三维模型或产品数据包生成。为产品设计三维模型，通过导入PDM系统后生成产品设计物料清单EBOM，该产品结构树可以清晰地表达设计产品结构关系、零部件数量，同时也关联了设计三维模型和可视的轻量化模型，附带设计更改单和重要问题通知单等。EBOM作为指导下游部门工作的唯一依据，制造部门无权限修改BOM数据，只能通过BOM转换重新搭建生产计划物料清单PBOM来实现。BOM转换后的PBOM能完整地继承EBOM的所有信息，同时还能在PBOM上补充工艺属性以满足生产需要，例如工艺路线、产品装配阶段、产品配套类型等属性。在PBOM上可以根据实际装配需要对零部件进行拆分和重组，最后通过BOM比较查看两者的差异，确保PBOM的正确性。在产品数据管理的过程中采用EBOM、PBOM等多级BOM的管理方式主要是为了适应产品在不同任务阶段的需求，通过协同和转换各级BOM的基础数据，可以保持与设计部门的一致性。

2.结构化工艺。工艺设计是连接产品设计和制造的桥梁，工艺设计数据是车间计划调度、生产资源准备、现场生产执行的重要依据，因此工艺数据在各环节的流转是企业实现车间数字化的基础。传统工艺设计需要在二维图样和三维模型之间反复转换，工艺规程与现场作业指导卡中大部分内容和数据需要重复编制。导致整个工艺设计过程模型重构时间长、模型转换易出错、数据重复录入耗时多、纸质文件管理混乱等问题突出。数字化协同模式下，工艺人员直接采用三维数字化模型对工艺进行结构化设计能有效地解决此类问题。结构化工艺是将生产制造过程中的人员、设备、物料、方法、环境等内容全部定义到工艺规程中，并与工序和工步形成一定的关联关系后组成。

3.数字化检验规划。生产制造过程中检验一般包含工序检验和产品终检，对于产品试制需首件三检。检验数据通常是工艺或检验人员根据产品二维图样编制的数据表格，需要手工录入与人工比较。检验过程是由专职检验人员通过仪器或设备实现尺寸、粗糙度等的测量，对比设计检验要求进行产品质量的评定。传统检验文件和检测过程中人为影响因素较多，数据准确性、稳定性、真实性等难以控制，漏检等情况也常有发生，由此产品质量的可靠性得不到保证。自动化测量技术提出较早，主要是借助机器视觉、激光、虚拟设备、三坐标等自动化装置实现特征或尺寸的快速提取，但局限于设计数据的来源需要手工录入，仍然难以实现完全自动化。

四、M BD技术在航空制造领域的研究与应用现状

航空制造领域是M BD技术的重点应用领域之一，国外航空制造领域以波音、空客为代表，已建立了较为完备的M BD技术体系，并在波音787、空客A350等新一代飞机的研制过程中取得了应用。国内航空制造领域在M BD技术的研究与应用方面虽然起步较晚，但近年来大量的学者与企业在M BD技术的研究与应用探索方面开展了大量的工作，已取得了显著成果。M BD技术在飞机设计过程中的应用相对起步较早，并已開始具备一定的工程应用能力，一些飞机设计单位在部分型号研制过程中已开始基于M BD全三维模型进行产品模型定义与发放，部分或完全替代了传统的二维工程图。较之于设计阶段，M BD技术在制造与检验方面的研究应用起步相对较晚。但近年来，特别是在十一五后期与十二五期间，基于多个国家与部委科研项目的支持，一些高校、科研院所和企业相应开展了基于M BD的工艺技术、检验技术研究与探索，并取得初步成效。

MBD是机械制造行业发展的主流方向与趋势，它以极强的产品表现力和易于理解的定义模式促进了设计制造检验一体化的进程，提高了机械产品制造的自动化程度。逐步打破传统制造壁垒，建立统一的制造标准，推广应用先进的M BD数字化协同制造技术，是促进我国科技发展，带动国民经济的重大战略方针。

参考文献

[1]冯倩.M BD技术在协同设计制造中的应用[J].航空制造技术，2017（18）：65-67.

[2]刘燕.全三维飞机设计技术及其应用[J].航空制造技术，2017（18）：69-71.