学术：基于MBD的产品设计制造技术研究

原创 2016-09-28 ☞ 学术plus

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今日荐文的作者为中国电子科技集团公司第14研究所专家朱建军。本篇节选自论文《基于MBD的产品设计制造技术研究》，发表于《中国电子科学研究院学报》第8卷第6期。下面和小编一起开始学习吧~

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目前以雷达整机、电子对抗等产品为代表的军事电子装备，为了适应快节奏、高质量的研制要求，正在开展数字化的产品设计制造技术研究和应用工作，取得了一些阶段性成果，并逐步形成了行业或国家标准。但是与国内外航空企业相比，仍存在较大的差距，主要表现在三维模型并没有贯穿于整个军事电子装备研制过程中，基于MBD技术的产品定义工作仍处于起步阶段，以MBD为核心的数字样机设计、数字化工艺设计和产品制造模式尚不成熟，MBD的设计、制造和管理规范还有待完善。

MBD技术介绍

1.1 MBD的内涵

MBD（Model Based Definition），即基于模型的工程定义技术，是一个用集成的三维实体模型来完整表达产品定义信息的方法，它通过图形和文件表达的方式，直接地或通过引用间接地揭示了一个物料项的物理和功能需求，三维实体模型中包含产品尺寸、公差、技术要求等制造信息定义和表达。

1.2 MBD技术的应用

MBD技术起源于波音公司，以波音、洛·马和空客公司为代表的飞机制造业在数字化技术应用领域取得了巨大的成功。尤其是以波音787为代表的新型客机研制过程中，利用达索（Dassault）公司的PLM系统创建了全球协同研制平台，采用MBD技术，将三维产品制造信息（Product Manufacturing Information，PMI）与三维设计信息共同定义到产品的三维数模型中，直接使用三维标注模型作为产品研制的依据，实现了产品设计、工艺设计、制造、检验的高度集成、协同和融合，建立了三维数字化设计制造一体化集成应用体系，成功地研制了787客机。

而美国机械工程师协会也于1997年在波音公司的协助下开始了有关MBD标准的研究和制定工作，并于2003年使之成为美国国家标准（ASME Y14.41-2003）；我国参照ISO/DIS 16792标准，结合国内制造业的现状制定了GB/T 24734-2009标准。该标准明确了产品定义数据集所应包含的内容、规范了对设计模型的要求、定义了尺寸公差表示规则，规定了基准应用方面的要求。

国内目前也正在开展MBD技术研究和应用工作，尤其以航空制造业为代表，与国际接轨较早，已先期开展MBD技术的应用，制定了适应于本行业的三维设计制造标准，并主要与CATIA、DELIMIA等软件集成，在典型产品中开展试点应用，特别是基于MBD的产品设计方面具有示范意义，而在基于MBD的产品制造方面由于软件和制造设备的局限，仍处于探索阶段。

基于MBD的产品研制技术体系

在基于MBD的产品研制技术体系中，MBD模型是产品信息的唯一载体，贯穿于产品的设计、工艺、制造、检验、维修等各个环节中，从而有效地保证了数据的唯一性。基于MBD的产品研制技术体系如图1所示，在该技术体系中，基于MBD的数字化产品定义标准规范是整个体系的基础，依据该定义标准，开展基于MBD的产品设计、工艺设计和制造。

图1 基于MBD的产品研制技术体系图

关键技术

3.1 基于MBD的数字化产品定义技术

基于MBD的数字化产品定义是实现数字化制造的基础，它以数字量方式对产品进行准确地描述。MBD是一种超越二维工程图实现产品数字化定义的新方法，使工程人员摆脱对二维工程图的依赖，为了满足产品研制各阶段对数据的要求，必须按MBD的要求、根据产品研制各阶段的要求对产品数据进行分类组织和管理。

在MBD模型的基础上，如何面向产品研制生命周期，更方便、更直观、更便于理解、更有效率地表达、传递产品信息，在产品研制等环节中保证数据的一致性和可追潮性，不能完全照搬二维工程图的产品定义体系。因此军事电子行业要开展MBD技术的应用，就必须根据行业、研制对象、软件平台的特点，在国内外标准的基础上，制定适合于本行业的基于MBD 的数字化产品定义。

3.2 基于MBD的数字化工艺设计仿真技术

MBD技术以三维模型作为唯一的制造依据，使军事电子装备的工艺设计工作发生了根本的变化。现有的基于二维工程图的、卡片式的工艺规程已无法继承上游的MBD模型，也无法有效地将设计信息传递至制造后端，因此，现有的工艺设计模式和方式已经很难满足基于MBD模型的工艺设计要求，并将直接影响到产品的工艺设计周期和产品制造质量。

随着设计端MBD技术应用的不断推进，结构数字化样机的不断完善，使得PBOM设计、装配过程仿真、干涉检查等工作成为可能，对工艺设计质量的要求也越来越高。另一方面，随着MBD技术的应用，产品信息使用数字量进行传递，对于使用数字化设备的制造过程（如数控加工等）将更为有利，但对于多工序的装配、普通加工、钣金、特种加工等工作，如何基于MBD模型快速开展工艺设计仿真工作，生成有效指导制造过程的工艺规程仍是目前急需解决的问题。因此，必须预先开展基于MBD的数字化工艺设计仿真技术的研究。

3.3 基于MBD的数字化检测技术

在基于MBD的产品数据基础上，开展数字化检测技术的研究，有效提取产品设计和工艺设计数据作为检验检测依据，为检验数据记录提供方便；同时配合引入新型的数字化检测设备，探索将MBD模型转换为数字化检测设备能识别的数字信息的技术方法，真正实现基于MBD模型的数字化检测。但是，数字化检测设备并不能完全覆盖军事电子产品的所有对象和检验内容，因此还需建立一套适合于本行业的基于MBD的数字化检测标准和方法，以确保MBD技术的落地。

3.4 基于轻量化模型的数字化装配可视化技术

随着军事电子装备的发展，产品结构的复杂程度越来越高，尤其是军事电子装备MBD模型具有零部件数量巨大、零件特征复杂的特点，无论是对MBD模型的操作或显示，都特别消耗计算机软硬件资源；而为了能完成整个产品的数字化样机，产品的表达方式多样，往往又与工艺设计的要求不符。为了确保装配工艺设计工作的高效开展、装配现场能够及时获取有效的设计、工艺信息，必须解决大装配模型的轻量化问题，有必要开展基于MBD模型的轻量化设计、轻量化转换技术的研究以及基于MBD模型的三维装配工艺设计工具的开发工作。

3.5 基于MBD的产品数据管理技术

现有的产品数据管理是以产品结构树为基础，对产品CAD模型、二维工程图、技术文档进行文件式管理。在基于MBD的产品研制过程中，MBD模型包含了几何和非几何的产品数据集，如果仍采用现有的文件式的产品数据管理方式，基于MBD的数字化产品定义的优势将无法充分展示和利用，必须细化MBD模型的管理粒度；而细化管理粒度的MBD模型将贯穿于整个产品设计、工艺设计、检验检测等环节，各个阶段的MBD模型的更改和相关性控制也成为基于MBD的产品数据管理的难题之一。因此，要保证MBD技术的应用，必须开展基于MBD的产品数据管理技术研究。

MBD技术在军事电子行业的应用分析

4.1 基于MBD的数字化产品定义是MBD技术应用的基础

原有基于二维工程图的产品定义是经过长期实践验证的，是工程应用的基础。采用MBD技术后，不能将二维工程图的表达方式照搬至MBD模型中，通过全标注的方式来解决产品定义的问题。此外，MBD是一种管理和技术的体系，并不仅仅是一种带三维标注的数据模型，还要反映各类数据的表达方式及其相互之间的关系，将产品定义结构化、数字化，将几何特征、非几何特征关联起来，实现产品的有效定义。如波音公司作为MBD技术应用的成功企业，其有关模型定义的标准规范（BDS－600）就有15项之多（如表1所示），包括数据集的一般要求、数据集和模型的识别、数据集修订版、各专业的数据集定义等方面。

但是目前在MBD技术的应用过程中，往往以设计部门牵头，开展产品数据定义工作，对工艺、制造、维修等阶段的需求考虑较少。因此，在基于MBD的数字化产品定义标准制定的初期就应充分考虑设计后端的需求，以避免出现设计信息不全、无法传递、获取等问题。一般而言，基于MBD的产品数据集包含以下几个层次：

此外MBD技术的应用也从来就不是一个独立的技术，它与CAD软件的成熟度、特征建模技术、信息化管理等技术的发展息息相关，因此在制定产品定义标准时还应充分考虑到本行业的特色、企业特点、产品对象等方面，建立适合本企业的数字化产品定义标准。

4.2 基于MBD的工艺设计是MBD技术应用的关键

目前国内外在基于MBD的产品设计方面开展了大量的工作，形成了一系列的标准和规范，CAD软件也相对较为成熟，但在基于MBD的工艺设计方面尚无成功的工程应用经验可借鉴，尤其在国内仍是以技术研究、典型示范为主，尚未大规模推广应用。

当产品研发上下游之间由二维工程图、技术文档等载体的工程信息传递转变为以MBD模型为载体的数字信息传递时，工艺人员在产品研制过程中的审签行为由二维工程图的审查转变为基于MBD模型的审查模式；工艺设计由借助二维工程图表达工艺意图转变为生成工序模型来表达工艺意图，导致工艺工作量激增，这些都对军事电子行业中流程式工艺设计模式产生了巨大的冲击。而工艺作为设计、制造的桥梁，承担了理解设计意图、指导制造生产的双重角色，这种在MBD技术应用过程中产生的阵痛是不可避免的。尤其是在工艺设计过程中，工序模型的生成成为工艺设计过程中的一大瓶颈（如图2所示），而零件工序模型与装配工序模型遇到的问题又截然不同：零件工序模型生成的问题在于每个工序都要生成工序模型时，如何快速生成工序模型，并将制造信息完整地表达在工序模型上；而装配工序模型生成的问题在于如何快速分配装配对象、生成装配模型，如何解决装配模型轻量化规则与工艺设计不符的矛盾，如何保证PBOM调整时与MBD模型的对应关系等等。

以上这些都是基于MBD模型的工艺设计面临的问题，除了技术层面、工具层面要开展大量的研究，突破关键技术瓶颈，在工艺人员能力方面也需要进一步提升，才能保证MBD技术在工艺设计过程中的应用。

图2 基于MBD模型的工艺设计

4.3 基于MBD的制造是MBD技术应用的前提条件

MBD技术的应用是否成功很大程度取决于企业的数字化制造能力和水平。据介绍飞机制造业中80%以上的零部件都实现了数控加工，而检验过程也多采用三坐标测量机、便携测量臂系统或IGPS等数字化测量系统，并在设计信息的自动提取、首件检验表单的自动生成方面的研究，为其实现基于MBD的产品研制提供的条件。对于军事电子行业而言，产品对象的数控程度以及数字化检测能力远低于航空企业，大量的制造设备仍是传统设备，较低的数字化制造能力和水平很大程度制约了MBD技术在制造过程中的应用，这也是MBD实施缓慢推进的重要因素之一。因此，在MBD技术的应用过程中要充分考虑制造端的能力和水平，确认MBD技术应用的实施步骤。

图3 数字化检测设计和执行

4.4 基于MBD的设计管理系统是MBD技术应用的保障

MBD技术的成长是与CAD/PDM技术的发展相辅相承的，其应用很大程度依赖于软件的成熟度。目前在基于MBD的设计中，CAD软件较为成熟，能满足国内外标准的要求，仅是在产品定义数据的组织、管理和表达方式不同。但在工艺设计方面，其软件的成熟度远低于产品设计软件的成熟度，尤其是在工艺设计工具层面上，软件功能弱，尚不足以支撑工艺人员高效地开展工作。随着CAD/CAM/CAT/PDM/PLM软件的不断完善，MBD技术的应用也将越来越成熟。

4.5 分步实施是MBD技术应用的实现方法

MBD技术是一门新兴的技术，要消化、吸收、再应用地分步实施，以典型产品为应用对象，以装配、数控加工为应用范围开始，建立MBD应用推广的实施模式，逐步向全专业、全部产品上推广应用。整个MBD技术的分步实施策略如图4所示。

图4 MBD技术的分步实施策略图

结语