【MBD】MBD全三维设计与管理、基于MBD的零件制造模型管理、MBD技术实施案例

导读： 基于模型定义（Model Based Definition，MBD）技术，是将产品的所有相关设计定义、工艺描述、检测要求和管理等信息都附着在产品三维模型中的先进数字化定义方法。其核心思想是将基于二维图纸的产品信息定义转变为以三维模型为核心的产品信息定义，带注释的三维数字模型成为访问关键的几何和制造过程信息的主载体，以MBD技术为核心的三维工程化应用将驱动并加快产品开发过程的业务变革。

对MBD数字模型的表达，美国机械工程师协会在1997年发起了标准的开发，并于2003年被美国ASME批准为机械产品工程的定义标准，标准号为ASMEY14.41。2006年ISO组织借鉴ASMEY14.41标准制定了ISO16972标准，为欧洲以及亚洲国家的用户提供了支持。

国外发达国家在航空产品的设计领域，都已经实现了MBD技术对传统技术的改造，如美国空军JSF战斗机和空客A380的研制都是成功的范例。最典型的是波音公司，作为MBD的发起者，制定了基于MBD技术的应用规范，并在波音787项目中推广应用这项技术，使得研发周期缩短了30%-50%，工程返工减少了30%-40%，带来了巨大的收益。

一般情况下，会根据对模型定义的深度及模型在企业流程中各环节应用的广度，来判断一个企业处于MBD的哪个阶段。通行的判断指标和能力等级为：

图1：国际通行的MBD能力等级标准

MBD技术不仅在国外得到了应用，在国内也得到了快速的发展。2009年我国技术产品文件标准化技术委员根据ISO16792标准，发布了GB/T24734“技术产品文件——数字化产品定义数据通则”标准。国内包括航空、航天、国防电子等行业都在全面研究MBD相关的技术，并开展了MBD技术的应用。但与国外发达企业相比，仍存在很大差距，主要表现在以下四点：

1）基于MBD技术的产品定义尚处于探索阶段，大部分企业处于典型零部件试点应用；

2）以MBD三维模型为核心的工艺、制造等后续应用模型还不成熟；

3）缺乏系统的、覆盖MBD全过程的标准规范体系的支撑；

4）系统平台、软件工具等仍存在不足，无法支撑MBD共享、协同等方面的应用。

MBD起始于三维设计，在三维模型中利用MBD技术将产品生命周期内的所有信息定义于三维模型上，它不仅描述设计的几何信息，而且定义了制造信息和非几何的管理信息，其设计、制造特征方便的被人和计算机解读，有效解决了设计制造一体化的问题。从而实现基于三维模型的产品设计、模型审核、工艺设计、工装设计、生产制造、检测等，并通过PLM系统在相关的业务部门之间进行信息的传递和协同。

三维模型是全三维设计制造一体化的基础，由于取消二维图，对三维模型的规范化要求提到了前所未有的程度，只有规范的模型才能保证数据的完整性、可读性、下游工艺制造的可重用性。

1)  三维建模环境配置

根据企业产品研制的特点和要求，建立适用于三维产品设计的CAD环境，主要包括：软件环境配置文件、三维标注配置文件等，零件模板、装配模板、工程图图框等，符号库、外购件库、典型特征库、零部件模板库等，及CAD三维建模环境的集中统一部署。

2)  三维规范化建模

对企业典型零部件进行三维规范化建模，充分利用企业知识、并遵循面向制造的设计的基本原则。

以三维模型为核心的研制模式，要求设计人员在三维CAD软件环境下直接在三维模型上进行三维标注，如尺寸、公差、符号、文本、技术要求、属性等信息，并将三维模型上的所有信息按照不同的需求分门别类地以视图的形式保存和显示，以便于其他人员进行浏览查询。

1）通过定义三维标注通用规范和典型零部件三维标注规范，规范各种典型零部件的尺寸及尺寸公差、基准及形位公差、表面粗糙度、注释、技术要求、属性等三维标注元素及视图管理。

2）通过开发基于三维CAD软件的三维标注工具，主要包括视图管理、创建注释、整理注释、汇总输出等。实现快速、有效、准确的符合企业标准、贴合企业实际需求的对三维模型进行标注。

为了提高CAD模型的质量，需要对所有提交发布的零部件进行控制，对于不满足合规性和可制造性检查的模型则无法提交发布。可根据企业产品研制需要，梳理模型检查规则、定义模型检查方式、实现模型检查控制。

1) 模型检查规则：模型检查规则包括模型规范性检查规则、设计数据完整性检查等；

2) 模型检查方式：模型检查方式有客户端交互式检查和服务器端批处理检查；

3) 模型检查控制：在PLM每个产品库或储存库开发模型检查控制功能，可配置模型规范性检查和数据完整性检查的启用或关闭；

4) 基于检查结果生成检查报告：基于检查结果自动生成检查报告，并可参考报告内容进行模型的修改完善。

设计人员将带有三维标注的CAD模型检入PLM，系统会自动转换成轻量化的可视化文件，与产品相关的其他部门人员，通过PLM，实现模型的三维签审。

1）通过定义可视化转换配置，快速、准确、自动的将CAD设计数据转换成轻量化的可视化数据；

2）通过定制开发，实现所有由下级零部件更改导致的上级装配可视化过期的可视化更新转换由专属队列及专属Worker机自动进行发布；

3）对于可视化转化失败的任务，通过开发实现自动提醒管理员或提交人；

4）利用本机资源离线进行可视化发布，来完成大模型（包括超大模型）可视化转换；

5）通过定义全三维签审环境下各签审人员的业务需求、所需功能、使用工具等，实现基于可视化模型的模型浏览、模型检查、模型批注、模型会签等三维签审操作。

三坐标测量仪作为一种高精度的通用测量设备已广泛在工业领域中使用。开展三维检测，是全三维应用的重要一环。通过基于MBD技术的三维模型，利用企业现有三坐标测量仪对三维标注模型进行检测。检测可以是在线检测，也可以是离线检测。

标准和规范是设计制造一体化过程中不可缺少的部分，其主要目的是统一设计环境和设计标准，规范设计；让设计文件参与的部门及个人使用相同的设计语言交流，并在一个统一的设计环境中工作。

1）建立基础标注规范，对基本数字化模型进行定义；

2）建立业务操作规范，对具体应用类型、详细步骤、设计雷区、相关经验教训进行定义；

3）建立研制流程规范，对业务流程、涉及部门、相关职责、支撑系统、输入输出进行定义。

建立了以PLM系统为企业的产品研制数据平台，实现基于MBD全三维应用的三维研制数据管理、BOM协同设计、一体化变更，并通过系统集成实现以PLM系统为产品数据源头的单一数据源管理。为企业的三维工程应用提供了高效、稳定的协同工作软件环境。

图2：国睿信维理解的全三维模型管理平台

导读： 简要阐述了MBD的概念及意义，指出三维模型标注出现及发展的必然性。基于NX8.0平台，应用PMI功能的具体实例说明MBD技术在三维模型标注上的实施。以Visual Studio 2010为开发平台在NX原有功能的基础上。对基于MBD三维标注系统的粗糙度和几何公差模块辅助工具进行了开发。针对三维标注出现的“刺猬”现象。提出了对信息分组、分视图显示的有效组织和管理方法。

导读： 基于模型的定义(MBD)技术是数字化设计与制造领域的新趋向，提出一种基于MBD的零件制造模型的管理方法。

随着数字化设计与制造技术的迅猛发展，特别是CAD技术的日益普及，零件三维实体模型已经成为产品研制的基本选择。从原材料到最终的零件状态的工艺过程中，包含了加工、检验等组成工艺链的多种工序。零件在各道工序下的几何、工艺信息、工装信息和资源设备等信息的集合即为零件的制造模型。在现代数字化和集成化制造环境下，零件的制造模型决定了零件制造的质量和效率以及企业制造经验知识的积累，因此如何有效管理零件的制造模型是发挥制造模型作用和提高企业数字化制造能力的关键。

目前，学者们对零件制造模型的研究涉及模型的内容，表示方法，定义方法、管理等多个方面。根据汽车组件的工艺过程中的特定工序，利用特征技术对汽车组件的中间件的几何信息进行建模。研究面向制造的钣金零件的多态模型。分析了钣金零件制造模型的典型状态，在此基础上，从人员、数据、流程数据三个方面建立了制造模型的管理方法。针对产品设计和制造过程，建立了产品全生命周期的制造信息模型。提出了产品全生命周期的包含工序图的零件制造信息模型，但对工序图的类型和内容未加说明。提出一种面向工艺链的零件制造模型框架，从面向集成制造的角度研究了制造模型的组成。从已有的零件的制造模型来看，零件制造模型中产品的信息关联性差，制造模型中的尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等非几何信息通常与三维模型分离，或者根本不涉及三维模型。即当前的三维数字化模型并没有贯穿于整个数字化制造过程中，二维数字化模型依然是制造过程的主要依据。因此，在制造过程中需要把三维数字化模型转化为二维数字化模型，并把二维数字化模型输出形成纸质工程图纸作为指导生产的依据。

为了进一步缩短产品的研制周期并提高质量，MBD作为CAD的一种新趋向在工业领域越来越流行。波音公司使用MBD技术定义了波音787飞机所有的产品信息，完全替代了二维图纸的作用，使得产品定义内容到数据组织管理与流程控制等方面都产生了质的飞跃。尽管我国的航空工业已经开始大力推行MBD技术，并取得了一些阶段性的成果。但与国外发达航空企业相比，仍然存在很大差距。主要表现为基于MBD技术的产品定义尚处于探索阶段，以MBD为核心的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。本文通过对波音MBD制造体系的跟踪和研究，结合我国制造业现阶段的特点，研究了MBD体系下的零件制造模型的管理方法。

在传统的数字化制造环境中，仅仅依靠三维模型往往难以直接进行产品的生产和检验，即三维模型没有提供生产者所需的生产技术、模具设计与生产、零件加工、装配和检验等工艺信息。虽然三维数据包含了二维图纸所不具备的详细的形状信息，但三维模型数据中却不包含尺寸公差、表面粗糙度、表面处理方法、热处理方法、材质、结合方式、间隙的设置、连接范围、润滑油涂刷范围、颜色、要求符合的规格与标准等。仅靠形状无法表达的非几何信息，因此对同一零件，需要同时发布三维模型和二维图纸。

然而这种制造活动创建了冗余的设计定义，即对同一零件同时发布三维模型和图纸。这种方式离散了产品的设计与制造过程，可能产生潜在的CAD模型与图纸之间的冲突。CAD模型与图纸之间的冲突往往导致没有价值的图纸修订。与之对应的是在产品的数据管理中需要对三维模型和图纸同时管理，增加了管理的难度的同时还需要较大的数据库存储空间。特别地，当模型的几何发生变化时，产品数据的版本控制困难。此外，三维模型的价值与产品的复杂度是成比例关系的。对复杂零件，往往需要培训和大量的时间来理解复杂的图纸表达的零件。为了进一步缩短产品的生产周期并提高质量，MBD技术应运而生。

MBD，即基于模型的定义，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的方法体。MBD核心的概念体现在3D产品模型是传递所有细节产品信息的最适合的媒介。它详细规定了三维实体模型中产品尺寸、公差的标注规则和工艺信息的表达方法。改变了传统由三维实体模型来描述几何形状信息，而用二维图纸来定义尺寸、公差和工艺信息的分步产品数字化定义方法。同时，MBD使三维实体模型作为生产制造过程中的唯一依据，改变了传统以工程图纸为主而以三维实体模型为辅的制造方法。MBD在2003年被美国批准为机械产品工程模型的定义标准，是以三维实体模型作为唯一制造依据的标准体。MBD技术的目标是规范产品数字化定义的信息，实现产品数字化定义信息的完整性和准确性，其核心和基础是产品的数字化定义技术，即用三维数字化定义工具(CAD系统平台)定义出能够为下游各应用环节所使用的准确、完整、规范和有效的产品信息。因此，MBD技术是实现数字化产品定义的手段，也是实现产品研制体系转变的技术基础。

MBD零件模型包含精确的实体模型，与之关联的产品相关的几何和三维注释。注释的内容包括产品的尺寸、公差和其他信息用以形成完整的产品定义。特别地，该模型不包含二维图纸。这些信息都附着于零件的三维实体模型上，以3D注释的方式分布在实体模型的三维空间中。3D注释位于的平面视图称为注释面。它与实体模型关联并且能在3D环境下显示。MBD零件模型是零件数字化定义的一种格式，通过图形和文字的表达方式，直接或通过索引间接地揭示了一个物料项的物理和功能需求。如图l所示。零件模型由以简单几何元素构成的、用图形方式表达的设计模型和以文字表达的三维注释、属性数据组成。零件设计模型以三维方式描述了产品几何形状信息，属性数据表达了产品的原材料规范、分析数据、测试需求等产品内置信息；而注释数据包含了产品尺寸与公差范围、制造工艺和精度要求等生产必须的工艺约束信息。

图1 MBD零件模型

基于MBD技术的产品制造以MBD零件模型作为唯一依据，使产品的工艺设计活动发生了根本的变化：工艺设计与仿真将在三维数字化环境中进行。一般地，从原材料到成品零件的工艺过程包括加工、成形、改性、检验等多种类型工序，共同组成工艺链，每道工序对应着工艺设计、工装设计和设备控制等环节。零件从毛坯到成品的制造工艺链的全过程中，零件特征不断改变，在其中某一特定时刻，零件特征值的总和就是零件的状态称为零件状态。在零件制造的全过程中，由相互联系的多个零件状态组合而成的模型即为零件的信息模型。虽然不同的零件制造工艺方法不同、工装不同、设备不同，但它们都遵守相似的制造流程。从面向对象的思想来看，制造流程是抽象的类，具体零件的制造流程则是其中的一个对象。而零件在制造过程中的状态则是对象的一个组成属性。需要注意的是零件状态中的三维实体模型是以零件的设计模型为基础根据零件制造的工艺要求，对设计模型添加工艺孔、耳片、余量等结构要素，或考虑回弹等因素修改得到的。经过上述分析，结合零件制造模型的信息组成和MBD的规范，本文的零件制造模型为制造过程中每个状态对应的模型信息的集合。具体而言，本文的零件制造模型按照MBD的规范，将面向工艺链的信息模型映射到MBD零件模型上。建立零件各个中间状态的模型才能满足工装设计、工艺参数设计、数控编程等系统的需要。因此零件的MBD体系下的制造模型应该是按照加工顺序的MBD零件模型的集合。图2是根据MBD规范，零件的各个状态下的模型需要标注的信息。

图2 MBD零件制造模型的标注元素

MBD零件制造模型的核心元素直接在3D环境中显示。可以通过选择、缩放、选择等操作查询其所有的信息。对外围元素和管理元素则通过索引的方式由用户选择后在3D环境中显示。

零件制造模型的产生、传递、使用和重用对其管理方法提出了迫切需求。当前的产品数据管理(Product Data Management，PDM)主要通过构建人员管理模型、数据管理模型和流程管理模型来管理产品数据。本文也根据人员、数据和流程来建立基于MBD的零件制造模型的管理方法。

零件制造是一个多部门协作的过程。设置各个人员在模型管理中扮演的角色和权限有利于科学、合理、安全地管理。零件的制造过程本质上是人对数据的处理。在这个过程中，人员与数据以角色为纽带关联。以国内某制造企业为例，与零件制造相关的部门主要包括制造工程部、加工厂和工装设计部。制造工程部的总工艺师主要负责制造模型的查询和统计，因此其可以查询零件制造模型中的所有MBD零件模型，以及模型上的所有三维注释。该部的工艺管理员主要负责制造模型的复审，因而具有与总工艺师相同的权限。加工厂的主管主要对所有MBD零件模型上注释的审定；设计员负责MBD零件模型中3D几何模型及其注释信息的标注；具体的加工人员则只能看见零件该工序下的几何实体模型和相应的标注。工装设计部的主管审定每个MBD零件模型的成形模具；工装设计人员根据MBD零件模型完成相应的工装设计。

综上所述，针对零件制造中部门组织与人员角色的特点，制造模型的管理采取了基于角色的权限控制管理方法。其基本原则是：最高权限赋予产生该模型的角色；高级别角色可以修改低级别角色的操作权限；在对模型进行管理时，不同角色只能选择各自所属的部门，这样消除了非法用户对模型安全的隐患。在MBD体系下的零件制造模型集中管理中，将所有产品的相关信息集成到3D几何模型上，以多视图的方式表达制造数据，不同角色拥有不同的查看视图、修改视图的权限，因此不仅有利于制造模型的存取、共享和重用，而且满足了数据安全性的要求。

节点数据即为对应零件制造过程中某个状态的MBD零件模型。根据基于MBD的零件制造模型构建可知，节点数据具有很强的时序性，前一节点通常是后一节点的输入。将制造模型按照时序关系组织成制造模型树，每个树节点对应一个MBD零件模型。该方法便于对制造状态所包含的各种数据进行管理，有效解决了零件制造过程中不同阶段对数据的使用和管理问题。图3为零件制造模型树的示意图。

图3 基于MBD的零件制造模型树

零件的制造模型为工艺设计和工装设计提供了依据。MBD体现下的零件制造模型的应用改变了传统制造的串行工作流程，促进了各个制造部门的协同工作。在流程管理的设计中，结合人员管理的角色和权限，建立了“设计一校对一审定”三级流程管理方法。设计人员在设计阶段完成制造模型的设计，工艺、工装管理员完成模型的校对，主管则完成模型的审定。

PDM系统是集成并管理与产品有关的人员、数据和流程的软件系统。该系统自身具有强大的功能，并且能与其他应用软件的集成。不同的应用系统可以从PDM系统提取各自所需的数据，再将结果返回PDM系统中，从而实现基于PDM系统的集成应用。在本文研究的方案中，通过对神舟软件的AVPDM系统进行人员、数据构型和流程的定制开发，使之满足零件制造模型管理的需求，保证零件制造全过程中制造模型的一致性管理。基于PDM系统的应用方案如图4所示。其中，由于零件设计系统的数据管理也是PDM系统，因而可以实现与制造模型管理的紧密集成，确保设计与制造模型数据的一致性。

图4 基于PDM系统的集成方案

MBD技术是CAD技术发展的新趋势，本文通过借鉴波音公司的MBD技术，结合我国现阶段制造业的状况，通过分析零件制造模型的特点，提出了一种在MBD体系下的零件的制造模型管理方法。该方法是实现MBD模型贯穿整个数字化制造过程的基础，必将推动我国制造业的发展。

导读： 随着国内外大型装备制造企业数字化技术的迅速发展，三维数字化设计/仿真/加工/检测一体化技术得到了广泛应用，基于模型定义（MBD）的数字化设计加工技术已经成为高端制造业信息化发展的趋势。测井仪器产品长期采用“2D工程图+3D模型”的传统设计加工检测模式，这种模式落后于数字化技术的发展趋势。为提高复杂测井仪器设计制造的精度、可靠性与效率，提出了基于MBD技术的测井仪器数字化设计制造方法。通过分析总结MBD技术构成内涵，在NX平台下，以典型复杂测井仪器基体产品为例，建立了基于MBD的全三维数字化模型，最终实现复杂测井仪器数字化设计仿真加工检测一体化技术。

随着油气勘探进程的不断深入和开发对象的日趋复杂，以高可靠性、高集成化、高精度和高温高压为主要特征的高端测井装备成为未来测井仪器发展的趋势。

测井仪器长期采用传统的“2D工程图+3D模型”设计制造模式，落后于数字化技术的发展，越来越不能满足高精度、高效加工需求。

基于模型的定义（MBD）是用全三维数字化模型来完整表达产品设计和制造信息，能够实现制造过程的高度集成。以MBD技术为核心的数字化设计、加工、检测、制造模式，开展适用于石油装备产品的数字化设计制造模式对提高复杂测井仪器设计制造的精度、可靠性与效率具有重要意义。

复杂测井仪器普遍具有较高的精度和检测要求，采用的高性能材料加工难度较大，以保证满足产品使用性能及环境的要求。基体产品是测井仪器重要组成部分。本文以中海油服地层测试器（EFDT）模块基体为例来说明复杂测井仪器基体结构和加工工艺上特点，具体如下：

1）基体多为轴类细长零件，尺寸大，结构异常复杂。工艺特征多达上千个，且内部高压管路纵横交错。基体尺寸及位置精度要求高，工艺密封堵孔及密封面加工精度要求小于0.03mm，定位孔位置度要求一次装卡加工完成，重复定位精度0.005mm。

2）基体产品价值高。基体多为单件、小批量生产，仅其钛合金毛坯、精锻毛坯就在几十万元至百万元。基体材料是加工难度很高的航空钛合金材料，对工艺参数及刀具的要求极高，加工风险很大。