MBD工艺（精选9篇）
MBD工艺 篇1
MBD (Model Based Definition) 源于美国机械工程师协会 (ASME) 1997年提出, 并在2003年正式成为美国国家标准——“Y14.41 Digital Product Definition Data Practices”。国际标准有ISO16792 ——Digital Product Definition data practices, 我国公布的标准有GB/T24734-2009——数字化产品定义数据通则。MBD技术在国际航空企业中广泛应用, 波音在Y14.41标准此基础上制订了“BDS-600”技术规范系列, 并在客机787研制中采用MBD技术作为整个飞机产品制造过程中的唯一依据。达索、普惠、GE航空等企业也在大量应用MBD技术。国内的航空企业也在展开积极探索和应用。
传统产品设计模式是由二维图纸或者三维实体模型来描述几何形状信息, 用二维工程图纸来定义尺寸、公差和工艺信息的分步式产品数字化定义方法, MBD技术使三维实体模型成为生产制造过程中的唯一依据, 改变了传统二维工程图纸的制造方法, 是数字化设计、制造领域的一大革新。
本研究应用的PDM系统为Teamcenter8, MBD三维模型的设计软件为UG NX7.5, 采用UG NX7.5的PMI (Product Manufacture Information) 工具在三维模型上标注, 满足MBD技术的要求。
1 MBD模型定义
MBD模型, 包含有三维模型 (如模型几何信息) 、模型属性 (如设计属性、模型prt编号、名称、零件类型等) 、标注 (对应模型的尺寸公差、表面精度等信息) 等信息 (见图1) 。
由于MBD模型具有产品的所有信息, 基于单一数据源的数据传递和共享在研发和制造各环节广泛应用, 可以实现零件制造信息的快捷传递, 加快产品上市时间, 消除重复工作, 消除3D模型和2D图纸之间的信息冲突, 减少研制成本。
2 MBD工艺主要内容
2.1 结构化的MBD工艺 (见图2)
在PDM系统内, 制造工艺与产品零件关联, 制造工艺下链接各类加工工艺, 包括机加工艺、热表工艺、毛坯工艺等。MBD工艺与设计数据版本 (XX.12.812/A) 相关联 (见图3) 。在该工艺下, 各工序对象依次排列, 从0~180工序都是独立的, 并按版次管理。工序模型下可以关联设备、工装等资源。设备、工装、材料等信息在PDM系统内建立相应的资源库。
2.2 工艺模型创建
MBD工艺设计是以设计模型为单一数据输入源。工艺的最终产品为设计模型, 工序模型从最终工序 (即设计模型) 逆推到毛坯, 下一道工序为上个工序建模基础。工序模型的设计, 其转变过程如图4所示。
UG NX7.5提供有同步建模的功能, 主要为:移动面、拉出面、偏置区域、调整面大小、替换面, 删除面, 镜像面, 线性尺寸, 设为共面等功能。同步建模功能非常适合工艺模型的创建, 可以对设计模型WAVE复制之后, 根据加工要求, 对模型建模特征进行同步建模操作。
创建工序模型, 也可以在NX建模模块下, 采用直接建模的方式进行操作。
2.3 工艺模型的表达
2.3.1 模型视图命名
UG三维模型部件导航器下的模型视图 (Model Views) 主要放置PMI标注信息, 系统默认8个视图 (俯视图、后视图等) 。在MBD工艺中模型视图对应着工序、工步的加工信息。视图编号对应加工顺序, 必须采用自定义模式, 并做到规范、标准。
所有视图应具有唯一标识。工序视图命名由字母“OP (operation) +工序号”构成, 工步视图命名由“OP+工序号+工步顺序号”构成, 工序序号、工步顺序号中间以“-”连接。
2.3.2 PMI标注
使用NX7.5提供的PMI工具对MBD模型进行标注, 图5为典型的MBD工艺模型。标注的模型尺寸、加工精度、公差、位置度等信息, 同时, 可以在视图中进行文字表达, 如添加“支靠”、描述加工要求等信息, 以达到加工操作者能更好地理解加工要求。
2.3.3 加工特征标识
在三维工序模型上, 对加工面、基准面、夹紧面等与加工特征相关的信息, 可以对特征面颜色进行定义。对加工特征标识的系统设定, 达到规范定义。
3 MBD工艺输出
对编制好的MBD工艺输出, 通过开发IE与PDM的接口程序, 可以实现在制造现场登陆WEB页, 查阅和调用工艺, 可以查阅轻量化的工艺模型和工艺文档。
4 结语
本研究对MBD工艺技术关键要点:结构化工艺、工艺模型创建、模型视图命名、PMI标注和加工特征标识、MBD工艺输出等内容进行研究, 对制造企业应用MBD工艺技术有指导意义。
摘要：文章对MBD工艺技术的结构化工艺、工艺模型创建、模型视图命名、PMI标注和加工特征标识、MBD工艺输出等内容进行了研究, 对企业应用MBD工艺技术有指导意义。
关键词：MBD工艺技术,工艺模型,模型表达,MBD工艺输出
三维模型定义（MBD）实施经验 篇2
一、不要省略关键标注
省略关键标注是三维模型定义受到下游生产环节、尤其是供应链抵触的一个常见原因。甚至有的加工厂误解三维模型定义是“不负责任的偷懒”。因为他们的客户一意孤行只提供三维模型。没有二维工程图、也没有三维标注。理由是信息在模型当中，加工厂只需要测量模型就可以了。但现实当中，车间还是需要关键尺寸和公差标注来加工和检测，所以被迫根据缺失标注的三维PDF或模型，自己生成二维工程图，添加标注，然后打印图样供车间使用。加工厂不但没有感受到任何改进，相反吃了亏：“可能我们的客户节省了点时间，因为他们不需要二维工程图，也不需要标注了。但是工作量被转嫁到我们头上。”更有甚者，一旦加工厂自行生成的二维图样违背了客户设计意图（工厂利益决定了其简化加工的倾向），或者零部件加工出现质量问题，互相指责很难避免：“你们没有测量模型！”“你们没有标明加工尺寸和公差！”由此对簿公堂也不罕见。
如下六点总结了在三维设计模型中，明确标注关键特征可以带来的好处和避免的问题。
（l）企业设计部门最了解产品用途、设计意图、重要特征和技术要求，因此最具权威在清晰的标注中传达关键信息。如果省略这些标注，而放手任人解读，很容易造成误会。而且下游制造环节本身会受利益驱使，倾向对制造过程最有利的解读，但并不一定对整个产品质量最有利。
（2）设计环节的标注不光是单向传递制造信息，而且是一个督促设计人员反思、审核乃至改进设计和可制造性的机会。跳过这个步骤意味着失去了一个审核改进的过程。
（3）制造信息量很大，如果下游部门每次都要重新测量得到关键尺寸，不仅费时费力，更重要的是容易遗漏设计要求甚至忽视加工错误，因为关键信息隐藏在模型中不可见。由此会危及质量、延长工期且提高成本，尤其是供应商的报价会升高。反之，明确的标注不仅方便每条信息的读取，而且还作为视觉提醒，呈现了一个完整的检查清单。
（4）下游环节不一定能够准确熟练的使用Adobe阅读器或CAD软件当中的测量工具。以图1中的Adobe阅读器为例：测量螺丝的长度，但是得到上下两个尺寸5.076mm和5.Omm，该相信哪一个？这就体现了正确使用工具的重要性。表2对比了错误和正确的使用。然而要得到正确的结果，还需要提前按下图2的两个按钮：面捕捉和垂直尺寸。由此可见一些细节很容易导致误读以及制造失误。而且这还只是一个简单的螺丝，试想在复杂的装配体成千上万个零件当中，如此测量失误在所难免，所以还不如把关键尺寸都标注出来，尽量避免不必要的麻烦。
（5）从转变流程的角度讲，如前面“流程篇”所述，在初始阶段信息交流宁多勿少。清晰的标注避免不必要的冲突，让读图人员体会到“三维模型定义不会比二维图样减少信息，而只会提供更多的清晰度和功能，我的工作会更容易。”这样实施会更容易接受和成功。
（6）另外注意区分对待公差和尺寸。模型几何体本身可以提供尺寸信息，但是不一定具备公差。公差的缺失显然容易导致歧义：幸运的话，车间可能按照约定俗成的常规公差加工和检测。即使这样，真正设计的公差要求也无从知晓。也许某些零件常规公差即可；但也可能更严格的公差要求因为没有标注而被忽视，导致废品。不幸的话，有些模型连常规公差都没有要求，让生产人员无所适从。当然还有一种可能性是设计人员专门在草图或特征当中定义了尺寸和公差。如果这样，还是不如把这些定义明确显示成标注，既避免了重新创建，又避免了多次手动查找。
注意关键标注并非要求完全定义整个模型，因为并非所有特征都是关键，反而可能重要细节只在少数。所以在适当的场合完全可以简化标注。关于简化程度，表3是美国军标3IOOOA的划分和应用场合：完全定义、部分定义和最简定义。
当然，明晰的关键标注在未来完全集成的自动化生产流程中可能不再如此重要，因为机器和软件可以直接利用模型隐含数据进行公差分析、工艺规划、加工、报价、检测和采购等步骤（详见下节），但是当今绝大多数企业还没有达到完全无缝数字化集成。只要有一个环节需要人工读取制造信息，那么明晰的标注就比隐藏的更安全和有效。
二、不要停留在图像层次的三维标注
上节主要从人员读图的角度解释了三维标注的重要性，下面介绍比视觉图像更深的一个层次，即具备智能含义和关联性的标注。二者的区别可以由图3的示例说明：上图为图像层次的标注，供视觉读取。但实际上标注本身并不知晓16孔阵列：16可能是手工写入的，甚至可能标注中所有数字、字母或几何公差只是由形似的图像曲线构成，而非真正的数字、字母或几何公差。内含的缺失导致无法被其他软件程序读取，所以称为“人工可读标注”；下图是具备智能含义的关联标注。不仅可以视觉读取，而且真正解析了孔阵列特征，所以能够自动高亮16个孔，而且可以被其他软件如计算机辅助制造和坐标测量机直接利用，所以又称为“机器可读标注”。
尽管图像层次标注可供视觉读取，但是具备很多局限性，比如缺乏与特征的关联、无法随特征更新、更重要的是无法被下游智能制造软件直接利用，这其实是一个值得警觉的信息流断档。因为三维模型定义的功效远不止于设计环节。实际上设计只是一个前奏，更加宏伟的乐章奏响于计算机辅助制造、检测、增材制造（3D打印）、工艺乃至大数据分析等一系列应用。
数控机床程序可以读取三维表面处理标注及其关联特征，自动选择刀具，编排轨迹和步进速度。
三维坐标测量机可以根据模型和标注自动定义采样轨迹，而且比对实物采样点的坐标和模型理想坐标，自动判断产品是否满足标注公差要求，即合格与否。据有些厂商反映，仅采样轨迹编排一个步骤，智能关联标注可以极大的提高自动化程度，可以把原本4-8小时的手动编排任务降低到5-15分钟。
三维数字扫描检测的原理类似，只不过采样点扩大为整个实物扫描影像，与模型比对，根据公差自动判断是否合格，如图4所示。
有了三维模型检测，增材制造（三维打印）的流程也更加水到渠成：直接从模型打印和检测，而无需二维工程图。例如通用电气测量和控制部门计划扩展三维打印，因而需要三维定义和检测来理顺流程。
再如计算机工艺计划可以根据三维标注要求自动安排工序，如车、铣、刨、磨和冷热处理等步骤。
最后，上述三维信息和应用，使大数据分析有了用武之地。例如RollsRoyce分析大批量的三维检测数据，反馈给设计和制造部门，从而优化设计，提高成品率。一个常见的大数据案例就是挖掘合格率与公差要求、人员、机床、温度、时间等因素的相关性。
总结一下，关于标注，RollsRovce的心得是：正确创建三维标注是实现真正的三维模型企业的关键。标注应该尽量保证“机器可读”（数据来源：Technical DataPackage for the Digital Enterprise， Kong Ma， RollsRoyce Corp，2014年）。值得注意的是，2014年底发布的STEP 242第一版不仅包含三维标注，而且特意要求超越图像层次，实现“机器可读”（数据来源：Industrial automation svstems and integration——Product data representation and exchange——Part 242：Application protocol：Managed model-based 3D engineering， ISO10303-242：2014）。另外STEP还适合长时间（跨度大于70年）文件的保存和提取。新的STEP格式无疑让上述智能制造应用如鱼得水。
三、不要排除打印纸质文档
除了上述数字化应用，很多生产环境往往还需要纸质文档，比如在野外严寒环境中带着手套施工，在狭小的汽轮机内部装配，或在车间双手沾满润滑油操作机器，数字终端往往不适合使用。三维模型定义强调升级换代二维工程图，并不强求无纸化办公。事实上，美国Hill空军基地在AlO攻击机机翼维护项目的标书中明确规定：零件报告要适于打印。电子三维PDF文档中的可视信息在打印文档中要一览无余，而且无需特殊修改（数据来源：DraftPerformance Work Statement（PWS）ForAutomatic 3D Part Report Generation and Associated Engineering Services（A3DPRG），Hill Air Force Base，2014年）。表4总结了三维模型定义打印的若干注意事项。
四、不要停留在初级三维PDF
三维PDF只需要极为普及的Adobe阅读器就可以动态显示三维模型，受到广泛青睐。在过去的十多年里，这项技术突飞猛进，由最初的U3D格式，到PRC格式，再到2014年底PRC格式被国际标准化组织（ISO）认证为IS0 147392014标准（数据来源：IS0 147391：2014， Document management——3D use of Product Representation Compact （PRC）format——Part l：PRC10001）。最新技术的数据准确性、丰富性和关联性都有了很大的进步，因而推荐我国企业在良莠不齐的三维PDF当中注意甄别。尤其是U3D格式已经停止了更新，其最后一次发布还是2007年，所以尽量避免大规模使用。图5和图6对比了两种三维PDF差别。
最根本的是数据的准确性。如上节验证文件质量所述，数据转换一定要注意保真度，否则后患无穷。IS0 147392014标准的PRC格式三维PDF可以保证与CAD模型偏差小于1微米，满足绝大多数加工和检测要求。而其他形式的三维PDF保真度可能远达不到l微米。简单的视觉浏览或许差强人意，但是如果用于指导制造，就漏洞百出了。在保证准确性的基础上，PRC的格式还尽量压缩数据，方便交流传播。
其次是数据的丰富性。实际生产级别的三维PDF除了常见的一个三维视图，还应该严格遵循CAD模型当中的重要制造信息，如三维标注、技术要求、模型属性（零件号和版本等）、材质和材料明细表等。另外应该尽量匹配支持CAD模型当中的设计元素，如多配置、显示模式和订制视图等。更理想的是通过订制多视图、多页面、多表格的模板来管理输出形式，服务于不同类型的制造文档。
最后值得注意的是数据的关联性。如图3所示，具备智能含义的关联标注显然比图像层次更具优势，可以为下游智能制造铺路，应该是努力的目标。而且生产使用的三维PDF应该保持材料明细表与装配模型的双向关联性：选择一个零部件，相应的表格单元应该高亮显示；反向亦然。
五、结语
MBD工艺 篇3
现代数字化制造技术发展飞速,航空类企业逐步建立起全三维数字化设计、制造与检验相结合的现代化制造模式。三维产品设计技术的发展和广泛应用,使得传统的二维检测工艺已经很难满足现代航空制造业的发展。传统的二维检测工艺是这样的:设计部门将设计模型和检测规划以纸质的方式传递给质检部门,质监部门需要通过读取二维图纸信息进行一系列的检测工艺过程,这不仅使得质检人员需要花费大量的时间和精力分析图纸,设计部门和质监部门之间滞后的信息传递也大大降低了检测效率,而且检测数据的共享和传递也变得十分繁琐。而基于MBD检测工艺模型的数字化零件检测技术可以通过软件环境自动提取MBD数据集中的所有检测信息,生成一种可以由数字化测量设备直接读取并执行的文件格式,如DMIS文件格式,数字化测量设备执行测量程序,并通过软件算法直接对测量数据进行评价,最终生成测量报告。因此为了满足航空类零件的快速、高效、高准确率检验的要求,我们必须能够有效利用三维零件模型附带的各类信息,通过相关测量软件直接使用三维设计产品进行检测程序的编程,在三维设计产品的基础上进行检测工艺设计、检测工装设计、检测工艺仿真以及检测工艺发布。在实施这一系列阶段的过程中,将离不开一个非常关键的东西:三维检测工艺模型。
所谓三维检测工艺模型就是直接利用现有的三维模型进行检测工艺的设计和规划,将传统的二维检测工艺卡片信息集成到三维模型中,摒弃以往的二维图纸检测工艺卡片的检测工艺设计和发布方式。实现三维模型在检测工艺设计阶段的有效利用,使三维设计与检测工艺设计能够很好的进行无缝连接。
1MBD检测工艺模型信息组织结构
三维标注技术下的产品三维数字化实体模型通过图形和文字表达的方式,直接或通过引用间接地揭示了一个物料项的物理和功能需求[4]。图1所示是基于MBD的三维检测工艺模型信息的组织结构,由三维零件模型和非几何信息共同组成三维检测工艺模型;图2所示是UG/NX软件环境下检测工艺模型的MBD数据集表示。检测零件的几何形状信息由三维模型几何信息表达;检测零件的检测需求、原材料等辅助非几何信息由属性信息表达;检测零件的尺寸信息、公差信息、精度要求等工艺约束类非几何信息由标注信息表达。
2MBD检测工艺模型信息逻辑结构
在过去的二维检测工艺设计过程中,尺寸、公差、几何精度和表面粗糙度等检测过程所需要的信息是通过二维图纸表达的,这就使得检测信息与三维模型完全分离开,检测人员无法直接从三维零件模型上得到检测信息,检测前的准备过程花费了大量时间,不利于检测效率的提高,而且检测结果数据与检测结果报告也不便于管理和共享,这种检测工艺设计过程已经与快速发展的数字化制造相分离。
基于MBD的检测工艺设计过程中,检测工艺模型集属性信息、检测工序模型信息、检测工艺规程信息于一身,检测人员只需要通过一个模型信息便可知道检测过程所需要的全部信息,实现基于MBD检测工艺编程,取代二维图纸信息,实现无纸化检测。其中的关键技术就是基于模型的检测工艺信息规范定义,如图3所示。
根据检测 工艺规程,以检测工序模型为单位,实现对检测工艺模型信息的定义。检测工序模型是模型信息 定义的基础,它将作为检测工序信息、标注信息、模型信息的载体。检测工序信息由零件本道检测工序的检测设备信息、工时定额信息、工装信息、检测工步信息、检测特征信息等信息组成。检测工步节点下的检测工艺符号说明了本道检测工步的检测特征信息、检测设备信息、检测方法信息、测座型号信息、传感器型号信息、加长杆几何参数信息、测针几何参数信息以及检测工步序列号信息。并通过三维标注将这些信息关联在一起聚合成检测工序节点。
检测工序模型的标注信息由本道检测工序的几何精度、尺寸、公差和检测基准等组成的设计信息和由检测工序技术要求和检测工艺符号等组成的检测工艺信息组成。
根据检测工艺规程,定义检测工序模型信息,从而实现检测工艺模型信息的定义。零件的检测工艺过程中每道检测工序/检测工步之间的先后顺序关系由检测工艺规程确定,根节点相当于检测零件的检测工艺规程,一级子节点和二级子节点分别对应着检测工艺规程中的检测工序和检测工步,根节点和子节点之间的关系结构清楚的表示了检测工艺设计的具体内容和过程。检测工艺模型每个节点的信息可以方便地通过检测工艺规程查看,并且可以分析审核相对应的信息。
3MBD检测工艺模型检测信息分类与关联
检测工艺模型检测信息主要有属性信息表达和标注信息表达两种方式:属性信息表达是由属性标识名称与属性值描述的放置于三维模型属性项的文本字符串类型的独立参数组成,形式如“属性项=数据值”,该表达适用于与产品几何特征没有任何关联关系的文字描述类产品非几何制造信息;标注信息表达是将产品非几何制造信息通过具有与几何特征元素一致的操作方法的特定符号或文本标注在三维几何实体模型的各个视图区域。标注信息表达适用于通过指引线的方式与产品几何特征进行关联的所有文本或符号描述类产品非几何制造信息。属性表达和标注表达的关联性如图4所示。
检测工艺模型检测信息主要集中在三维模型标注信息上,其中标注信息分为三类:尺寸公差信息、几何公差信息、表面粗糙度信息。具体结构信息如图5所示。
检测信息定义为以下四种类型:
第一类检测信息是指可以通过简单的常用的测量仪器直接获得的检测结果信息。这类检测信息的特点是可以直接通过检测结果对检测内容完成评价。例如通过游标卡尺对一个尺寸的检测所获得的检测结果。
第二类检测信息是指需要通过三坐标数字化测量设备直接获得的检测结果信息。这类检测信息的特点是没有办法直接通过检测结果对检测内容进行评判。例如通过三坐标测量机获得的曲面轮廓度的信息评价。
第三类检测信息是指需要通过拍照或者摄影等影像测量设备直接获得的检测结果信息。这类检测信息的特点是没有办法直接通过接触式测量的方法对检测内容进行评价。例如通过影像仪测量设备获得的比细小的方槽的信息评价。
第四类检测信息是指需要通过特殊的测量设备直接获得的检测结果信息。这类检测信息的特点是没有办法通过测量点的坐标来对检测内容进行评价。例如通过粗糙度仪测量设备获得零件表面的粗糙度信息评价。
4结论
MBD工艺 篇4
对外，工程师与客户沟通需求，与外协企业、上下游合作伙伴的技术人员沟通技术信息；售后人员向客户描述应用注意点等。企业内部，工程师需要与部门内外的人员进行大量的技术交流：向采购描述外协件的技术要求、向制造部门的工艺或加工人员描述制造及装配关键要求、向质检人员描述设计关键。
技术交流在产品的不同阶段都非常重要，企业有赖于准确、高效的技术交流制造出用户真正需要的产品。
当前，虽然多数设计工作都已由三维软件完成，三维模型也已成为产品表达的核心。但多数技术交流目前仍以二维图纸为媒介进行，如同以二维设计工具进行产品设计。用二维表达三维产品的各种弊端在技术交流中也同样暴露无遗。
基于二维图纸进行的技术交流，首先需要设计工程师将三维模型投影为二维图，而后交流双方都需要解读二维图，将二维图在各自头脑中重新构建为三维模型，即需要从三维到二维，再回到三维。这不仅延长了流程环节、增大了工作量，而且交流麻烦，不符合人们常规的认知习惯，不直观，对交流双方要求高，且易于出错。
如果各个交流环节也可以以三维模型为媒介，那么就会有效地避免上述问题。另一方面，三维模型当中蕴含着丰富的信息，比如形状、尺寸、公差、材料、零件号、装配关系、技术要求和材料明细表等。如果忽视三维模型的内在价值，就仿佛智能手机只被用来打电话，或者互联网只被用来查电子邮件一样。因而直接进行以三维模型为基础的技术交流、指导生产制造也变得顺理成章。
一、SOLIDWORKS技术交流解决方案
SOLIDWORKS一直致力于帮助用户以三维数据媒介进行数据交流，提供了丰富的技术交流解决方案，以充分挖掘三维数据的内在价值，让有关产品的技术交流更加方便。
eDrawings Professional可让设计工程师通过浏览三维模型、动态查阅图纸等快速、高效地交流产品设计信息；SOLIDWORKS Composer可以让用户基于三维数据快速、准确地创建图形化的内容，从而让用户可以清晰、准确地介绍产品，尤其是让非技术人员通过直观的三维展示可以轻松理解产品的技术信息；SOLIDWORKS Inspection可以将工程图快速转换为质检用的尺寸序号图，并生成质检报告，可以帮助用户节省接近90%的时间。
SOLIDWORKS MBD是技术交流解决方案中的新成员，随SOLIDWORKS 2015的正式发布，可以让工程师抛开二维图纸，并直接在三维模型上表达所有工程信息，将帮助用户开启技术交流的新时代。
二、SOLIDWORKS MBD介绍
SOLIDWORKS MBD是SOLIDWORKS用户的无图纸解决方案。可以让SOLIDWORKS用户在三维模型中定义、组织及发布产品制造信息（Product ManufacturingInformation，PMI），并以行业标准的三维PDF和eDrawings等格式来发布三维模型。
通过三维模型来表达产品制造信息，将极大简化企业运行流程、缩短产品开发周期、减少各类错误。SOLIDWORKS MBD支持多种行业标准，如ASMEY14.41、ISO16792等。
通过SOLIDWORKS MBD，在三维模型上可以定义的产品制造信息包括尺寸、几何公差、表面粗糙度、焊接符号、注释及元属性等。
所定义的产品制造信息，还可以通过类似二维图纸中的视图及不同的显示设定，将所定义的产品制造信息清晰、简洁地展示给用户，甚至可以在旋转模型时动态地显示和隐藏三维注解信息，如图1所示。对于细长零件，还可以使用断开视图来表达。
如果用户计算机未安装SOLIDWORKS，可将包含产品制造信息的三维模型输出为eDrawings，并使用免费的eDrawings Viewer查看。或基于自定义的PDF模板，将三模型发布为PDF文件。浏览PDF不需要安装额外的阅读器，只需要使用免费的Adobe Reader即可查看，这将极大降低沟通的成本。
用户可以自定义三维模型输出的PDF模板，包括调整模板布局、调整三维视图、缩略图及文本描述等的位置，添加公司标识、嵌入文件元属性或加入BOM表格等，用以满足制造、质检和采购等不同部门对不同交付物格式的要求，如图2所示。
无论是在eDrawings Viewer还是Adobe Reader中，用户都不仅可以查看二维的信息，如工程注释、材料明细表及丰富的元属性（零件号、材料及审批信息等），还可以对模型进行多项操作，如移动、缩放、旋转和测量等，以更准确地理解设计信息。
三、以SOLIDWORKS MBD进行技术交流的优势
SOLIDWORKS MBD内嵌在SOLIDWORKS设计软件中，并可以在直观的三维模型中定义各类工程信息，因此使用SOLIDWORKS MBD进行技术交流，具有以下独特的优势。
（1）SOLIDWORKS MBD可以更有效地保证数据一致性。省略了二维图纸，先前需要在图纸和模型两处表达的信息，现在全部集中于三维模型中，真正实现了数据源的唯一。同时所有元属性，也可以由企业的产品数据管理软件驱动。这样通过软件做出的属性修改，可以自动更新到三维模型中。因此SOLIDWORKS MBD可以极大地避免由于数据不一致带来的沟通错误。
（2）SOLIDWORKS MBD可以方便下游部门或合作伙伴的应用。通过SOLIDWORKS MBD可直接在三维模型中定义产品制造信息，并直接将三维模型传递至下游部门或合作伙伴。SOLIDWORKS MBD同样支持中间格式，如果用户不方便发送带有特征的原始模型，也可考虑将三维模型转换为中间格式后再添加产品制造信息，如图3所示。直接传递包含PMI的三维模型，对于内部的下游部门，可以避免由于图纸更新不及时导致的各类问题。对于外部合作伙伴，再也不用根据二维图纸重新进行三维模型的构建，产品的开发周期可以大大缩短。
（3）SOLIDWORKS MBD的输出物更易于理解。在eDrawings Viewer或Adobe Reader中打开SOLIDWORKS MBD输出的eDrawings文件或PDF文件，选择大小尺寸或公差等标注，对应的几何元素即会高亮显示；对于装配体，在材料明细表或装配树中选择一项，模型区域对应的零部件也会高亮显示，反之亦然。工程信息非常易于读图者理解，可以有效避免产生歧义，如图4所示。同时，无论是eDrawings文件还是三维PDF，文件更小，更便于传输。
（4）SOLIDWORKS MBD可以方便读图者的反馈。读图者使用eDrawings Professional，可以直接在相应图形区域直接添加评述文字。如果以PDF格式进行输出，只要在定义模板时，在模板中预留反馈区域，读图者就可以在PDF中直接表达设计反馈意见，如图5所示。因此以SOLIDWORKS MBD进行技术交流，可以让读图者更方便地发表反馈意见，同时也更便于设计者查阅，避免通过邮件或多余文档再进行额外的描述。
四、结语
SOLIDWORKS提供了完备的基于三维的技术交流解决方案，让企业内外部所有相关人员可以享用三维带来的好处，进行直观、有效、高效的沟通。
SOLIDWORKS MBD是对SOLIDWORKS已有技术交流方案的增强，让企业内外部的技术交流更简便、更直接、更经济，最终可帮助企业将符合用户需求的产品更快速地推向市场。
MBD工艺 篇5
三维CAD系统目前已成为企业数字化设计制造的基础平台,基于三维CAD系统实现产品设计已非常普及。然而目前的机加工工艺设计都是以二维图纸为基础进行人工编制,过分依赖工艺人员的技术水平和经验,设计不规范且编制周期长,二维CAPP系统仅仅提供一个工艺编制的平台,辅助工艺人员生成二维工艺卡片,工艺的组织与管理比较困难,无法直观地、交互地反映加工过程的细节与要求,给下游人员理解和使用带来困难。
随着MBD(Model Based Definition,基于模型的定义)技术在国内外的迅速发展,开展三维环境的工艺设计,将尺寸、公差和几何精度等多种类型的PMI(Product Manufacturing Information,产品制造信息)信息集成到三维模型中,形成全三维工艺MBD模型已成为目前数字化设计与制造的研究热点,其旨在利用三维手段实现机加工工艺的设计与应用,取消二维图纸和工艺卡片,以三维工艺模型作为生产制造的唯一依据,指导加工。机加工三维工艺设计大体上可分为三维工艺设计、三维工艺信息管理和三维工艺现场应用三个阶段[1],涉及到工艺信息标识与标注、动态工艺模型构建、设计工艺数据关联存储和集成工艺模型可视化发布等关键技术。国内已有众多学者对全三维工艺实施过程中的工艺信息标识与标注[2,3]、动态工艺模型构建[4~6]进行了研究,但是对于数据的关联存储、全三维工艺规程卡的有效构建等未进行有效研究。
基于此,本文基于MBD技术,提出工艺模型可视轻量化发布算法,动态生成工艺设计过程中各工序/工步所包含的可视轻量化模型和过程参数标识信息,并分类有序存储到PDM平台中。通过构建全三维工艺规程卡模板,调用PDM平台后台模型和相关参数信息,实时生成规程卡实例,使车间工人能基于IE浏览器,快速直观地获取待制造信息。
1 全三维工艺规程卡生成流程
全三维工艺规程卡的生成过程如图1所示。该过程主要包括三维可视轻量化模型生成、信息的存储以及全三维工艺规程卡的网页化生成三个步骤:1)三维可视轻量化模型生成,主要是在工艺设计端,将Pro/E平台中的集成工艺模型通过一定的算法发布生成面向加工制造过程序列的可视轻量化工序/工步模型;2)信息存储,主要是将发布生成的可视轻量化模型、工艺模型属性参数信息等保存在PDM平台相应的文件夹和数据表中;3)全三维工艺规程卡生成,通过数据接口从PDM平台中读取轻量化工序/工步模型、工艺模型属性参数信息,并加载到基于IE浏览器开发的三维工艺规程卡模板相应区域,进而生成全三维工艺规程卡实例。
2三维可视轻量化模型生成
三维可视轻量化模型的生成,是基于工艺模型逆向发布生成。首先在Pro/E平台中创建出集成工艺模型,具体创建过程见另文阐述。图2所示为由工艺模型通过动态发布,生成轻量化工序/工步模型的过程。工艺模型包含有毛坯模型特征、各工序/工步的加工特征以及对应工序/工步的加工属性参数信息(通过三维标注方式实现)。待工艺模型生成后,通过交互式挂接的方式,挂接到构建的工艺规程各工序/工步节点上去,形成完备的工艺规程包数据。最后,通过特定的模型发布算法,逆向发布生成面向加工制造过程的系列轻量化模型。下面将重点阐述发布算法。
设某零件的三维工艺模型含有n个工序节点,第i个工序节点含有mi个工步节点(i=n,n-1,...,1,mi和n均为正整数)。轻量化动态工艺模型生成的具体算法为:
STEP1:将工艺模型复制一份作为发布基础,称为临时工艺模型,并隐藏临时工艺模型所有标注信息。
STEP2:基于工艺规程树,按工序节点恢复临时工艺模型中第i个工序节点下的所有标注信息,识别第i个工序节点下的特征并进行动态着色处理,通过发布生成第i个工序轻量化文件。
S T E P 3 : 判断mi> 1 是否成立。 若成立则执行STEP4,若不成立则直接执行步骤STEP6。
STEP4:通过动态着色处理将第i个工序节点的特征恢复为初始颜色,隐藏第i个工序节点下所有标注信息,恢复第j个工步节点的标注信息,并对第j个工步节点的特征进行动态着色处理,通过发布生成第i个工序节点下的第j个工步轻量化文件(j=mi,mi-1,…,1)。
STEP5:删除第j个工步节点的标注和特征信息,执行j--,判断j=0是否成立。若成立,则执行步骤STEP6,若不成立则执行步骤STEP4。
STEP6:删除临时工艺模型中第i个工序节点下的所有标注和特征信息,执行i--,判断i=0是否成立。若成立则发布结束,若不成立则执行步骤STEP2。
3 信息分类存储
如图3所示,全三维工艺设计过程产生了相应的工序/工步模型几何特征信息、全三维标注信息和工艺设计过程信息(如工艺过程参数信息、签审信息等)。这些信息基于上述的发布算法,发布生成相应的可视轻量化模型和相应的存储在数据库表中的工艺过程信息。可视轻量化模型存储在PDM平台中对应文件夹下,而工艺过程信息则存储在对应的数据库表中。数据库包含有基础信息库和产品工艺库。基础信息库存储了产品工艺设计过程中所需的最基础信息,包含有材料信息、机床信息、刀具信息和工装信息等;产品工艺库存储了具体的产品零件工艺设计过程动态产生的信息,包含基础模型信息、工序过程信息和工步过程信息等。数据库表之间存在着相互关联关系,如工艺信息组合符号表通过加工方法编号、刀具编号和加工参数编号等分别与基础信息库中的加工方法信息表、刀具信息表和加工参数信息表相关联。最后,在车间终端,通过信息的定区域加载与重现,在所构建的全三维工艺规程卡模板中派生出产品零件加工工艺规程卡的特定实例,为加工制造过程做指导。
4 全三维工艺规程卡模板与实例生成
图4所示为全三维工艺规程卡模板的布局。该模板由标题区、材料区、工艺规程树区、轻量化模型展示区、文本区、定额区和签审区七大区域构成。标准区主要记录了零件的图号、名称及版本等信息;材料区主要记录并显示了该零件的材料属性,包括材料编号、材料名称、材料牌号及材料规格等;工艺规程树区展示了零件的加工序列,由工序/工步节点构成;轻量化模型展示区主要展示了零件各工序/工步轻量化发布模型,涵盖了该工序/工步待加工信息,并通过颜色高亮显示所需加工的特征,车间工人可通过该区域方法、旋转等操作,清晰直观地获取所需加工信息;文本区主要描述了该道工序/工步相关的加工过程参数信息,包括工序/工步名称、切削液、加工参数等过程信息;定额区主要让定额人员根据工艺规程树和工艺发布结果,赋予准结及单件等定额信息;签审区主要是针对不同角色人员,如工艺设计师、定额员等,通过在签审区提交自己的意见,完成工艺审核。
可视轻量化模型以及工艺过程参数信息都已经关联存储到PDM平台中后,需要通过信息的合理提取,并进行Web化发布到车间终端,才能实现车间终端的Web化全三维工艺规程卡展示,便于车间工人的信息浏览。本文对于全三维工艺过程信息的Web化发布采用了B/S模式。该模式是随着Internet技术的兴起,对C/S模式的一种改进,有效克服了C/S模式的客户端臃肿、安全性差、维护困难等缺点,如图5所示。整个全三维工艺规程卡的Web化发布体系架构包含了客户端层、Web层、业务逻辑层和数据库。客户端层由Web浏览器支持,用于展示全三维工艺规程卡,其中对于轻量化工序/工步模型的展示,通过内嵌于网页的Product View浏览插件实现。Web层中用JSP实现全三维工艺规程卡相关静动态页面的展示,用Servlet调用业务逻辑层的Service。业务逻辑层中通过Service调用实体Bean来访问数据层相关信息,包括轻量化动态工艺模型的提取、工艺过程信息的提取和保存等。经过逐层转化和处理,最后将工艺过程各工序/工步节点信息返回给全三维工艺规程卡模板,以网页方式展示给操作者。
5 应用实例
全三维工艺设计系统包含有工艺设计端工艺模型的生成及标注等、工艺发布端Web化全三维工艺规程卡的生成等。系统以Visual C++为开发语言,利用Pro/Toolkit二次开发工具包对三维CAD软件Pro/E进行了二次开发,定制开发了全三维工艺设计系统的工艺设计端功能;以Java Script为开发语言,利用Pro/Web.Link二次开发工具包实现了工艺发布端的功能。以某壳体类零件(图号为AA8.034.11152)为例,图6所示为工艺设计端工艺规程包的生成与发布过程,包含有工艺模型的生成、工艺属性参数信息与工序/工步节点的挂接以及工艺模型的可视轻量化发布功能。该零件工艺规程树包含有备料、钳和热处理等10个工序节点,每个工序节点下又包含有相应的工步节点。在Pro/E设计环境下生成工艺模型后,工艺设计师通过挂接方式,将对应的工艺加工特征和属性参数信息挂接到工序/工步节点下,生成完整的工艺规程包。后续触发“产生轻量化文件”,将工艺模型逆向发布生成轻量化的工序/工步模型,“写入数据库”将工艺模型属性参数信息关联存入到PDM对应的数据表中,“结果发布”按钮是指将轻量化的模型信息和属性参数信息发布并检入存储到PDM中对应的文件夹和数据表中,如图7所示。后续,触发基于PDM平台开发的“查看三维工艺信息”按钮,系统将会基于三维工艺规程卡模板实时调取相应的轻量化模型和过程参数信息,生成全三维工艺规程卡实例,如图8所示。用户基于Web化三维工艺规程卡,通过触发工艺规程树区相应的工序/工步节点,实时浏览模型区待制造特征信息。
6 结束语
本文研究并突破了MBD环境下全三维工艺应用和实施过程中涉及的可视轻量化工序/工步模型生成、基于PDM平台的设计工艺信息关联存储以及全三维工艺规程卡实例的实时生成关键瓶颈技术,该系列关键技术的解决方案已在笔者开发的全三维工艺设计系统中得到了应用验证。本文研究对企业实施和应用三维工艺系统,实现全面三维工程化具有一定的参考价值。
关于全三维工艺设计系统与企业已有信息平台的集成,本文只是探讨了与PDM平台的数据集成通信,而对于与ERP、MES等的有效集成将是笔者下一步的重点研究方向。
参考文献
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[5]万能,赵杰,莫蓉.三维机加工序模型辅助生成技术[J].计算机集成制造系统,2011,17(10):2112-2118.
MBD工艺 篇6
随着飞机新研项目更迭速率的加快, 项目研制周期日益缩短, 如何在短期内高效高质量的完成工艺设计成为了零件加工车间研究的课题。当前三维数字化设计技术和数字化样机技术随着航空制造业数字化技术的迅猛发展得到了深入应用。同时, 随着计算机和数控加工技术的发展, 传统以模拟量传递的实物标工协调法被数字量传递为基础的数字化协调法代替, 缩短了新机研制周期, 提高了产品质量[1,2]。但是, 在当前我国的三维数字化技术并未完全成熟, MBD模式下的飞机结构零件工艺设计依然是航空制造业亟待解决的课题, 而随着装备技术的快速发展, 工艺设计已经成为飞机制造新的瓶颈。
本文在简要介绍MBD以及零件工艺设计的基础上, 结合飞机中小结构零件特点, 论述了MBD模式下的工艺设计流程及具体方法实施, 并在新机项目研制进程中取得了实效。
1 MBD模式下工艺设计概述
1.1 MBD的内涵
MBD (Model Based Definition) , 即基于模型的工程定义, 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体[3]。MBD数据涵盖了产品后续加工、装配、检测等环节的所有几何信息与非几何信息, 其包含的内容主要由以下元素构成:相关设计基准数据、实体模型、毛坯、零件坐标系统、三维标注、工程注释、材料信息、标注集以及其他定义数据。其内容构成如图1所示。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ASME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[4]。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、完善、规范和有效地产品信息。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[5]。
1.2 工艺设计
工艺设计是指工艺人员在产品设计的基础上, 从参加新产品的设计、工艺调研开始, 经过产品结构工艺性审查和工艺设计, 直至完成工艺验证、总结与整顿等一系列的工艺工作。工艺设计的质量与效率不仅直接影响产品质量, 而且对生产组织、生产效率、制造成本和生产技术准备周期等都有直接影响, 是生产技术准备工作的重要阶段, 也是工艺管理工作的中心环节。
在设计资料以二维图纸为主的传统工艺设计流程中, 产品设计、工艺审查、方案设计、工艺资料编制及试制一直以串行模式展开, 项目研制周期长, 且以常规机加占主导地位。随着MBD技术的成熟, 传统工艺设计流程也随之发生巨大变革, 工艺设计流程由传统的串行模式向并行模式转变 (如图2所示) , 工艺审查与产品设计在进程上融为一体, 方案设计在工艺审查阶段即可进行, 同时由于设计资料的三维化, 工艺资料编制时间大幅减少, 大大缩短项目研制周期, 并且数控机加逐渐占据主导地位, 提高了项目产品质量, 降低了项目研制成本。对比传统工艺设计及MBD模式下的工艺设计 (如表1所示) , 能明显看出MBD模式下工艺设计具有更快的反应能力, 对于项目研制具有更好的促进作用。
2 MBD模式下的工艺设计流程
MBD技术的应用对飞机产品的数据管理、信息传递、工艺规划、工艺文件编制与仿真、零部件制造都提出了全新的要求。以前需要三维数模和二维图纸同时表达的各种信息, 现在全部集中到MBD数据集中, 各部门获得信息的来源只有MBD数据集。在MBD数据集中获取零件信息对制造、装配的各个环节中至关重要。工艺人员在工艺设计规范的指导下, 直接依据三维实体模型开展工艺开发工作, 改变了以往同时依据二维工程图纸和三维实体模型来设计产品装配工艺和零件加工工艺的做法, 缩短了项目研制周期, 提高了产品质量。图3是MBD模式下的飞机零件工艺设计流程。
从零件工艺设计流程可以看出, 在初期工艺审查, 项目总体规划, 到具体零件工艺方案制定, 工艺规程、NC程序编制及仿真, 直至现场加工以及资料归零, MBD技术始终贯穿于零件工艺设计的整个流程。由于MBD技术的引入, 流程各阶段存在较多的交叉并行作业, 在产品设计成熟度M3阶段, 工艺人员通过VPM平台参与工艺审查, 就产品数模问题与设计进行沟通, 在产品数模正式发布前完成审查;在零件工艺方案制定完成后, 即可启动三表两单编制以及工艺规程编制, 同时根据工艺规程要求并行启动生产资源配置及生产排程, 有效提高新机项目的推进速度。
3 MBD模式下的工艺设计方法实施
MBD模式下技术的产品制造以MBD零件模型作为制造唯一依据, 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。一般的, 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[6]。工艺设计贯穿于产品工艺链的整个活动流程中, 工艺设计的质量及进度影响到整个项目的研制质量与进度。下文将以项目研制为载体, 详细阐述MBD模式下的工艺设计方法实施。
3.1 基于成熟度的项目工艺审查
当新项目设计数模进入成熟度M3阶段[7] (即设计MBD模型进入校对阶段) 时, 工艺人员通过VPM平台参与到数模设计环节进行工艺审查, 主要针对零件三维数模结构、工艺性、材料信息、特种信息、附注信息等进行审查, 确定零件的可加工性。当产品数模不利于加工工艺或者存在明显设计缺陷时, 工艺人员可直接与设计沟通, 围绕零件工艺性、结构符合性、设计初始意图进行讨论, 在满足设计要求的同时, 尽量使产品利于机械加工与检测。基于VPM平台的工艺审查界面如图4所示。
MBD模式下的三维设计数模, 具有更强的表现力, 能够更真实地表现设计制造特征, 更好、更准确地表达设计意图, 也容易进行工程信息的抽取和知识的挖掘。因此在工艺审查阶段, 借用VPM平台, 可轻松在MBD三维数模中确定零件特征 (如图5所示) 为后续工艺设计做准备。在分析零件特征基础上, 对零件附注信息、材料信息、特种信息等通过三维数模结构树可清晰的明确知悉, 如图6所示。通过项目工艺审查, 使工艺部门初步明确项目研制情况, 以便尽早进入项目工艺设计阶段。
3.2 车间级项目方案制定及实施
新研项目正式研制阶段, 需要由项目技术管理团队制定项目研制方案, 确定项目总体目标, 明确项目任务情况及任务难点, 从技术创新、进度控制、质量控制、成本控制方面入手, 对项目研制提出具体要求。
以某民机项目研制为例, 在项目正式研制阶段, 项目技术管理团队负责召开项目工艺技术准备工作会, 明确项目任务情况, 从零件项数、零件结构、零件材料、典型零件简介等方面对项目进行介绍。同时建立专业化团队 (如表2所示) , 针对技术创新、进度、质量、成本控制方面, 由专业化团队成员各司其职。在技术创新方面, 主要针对机床应用、工艺凸台设计、工艺方案设计、通用工装应用等方面开展工作;在进度控制方面, 落实工艺分工, 制定阶段任务节点, 确保项目节点目标;在质量控制方面, 落实工艺总方案, 控制工艺源头质量, 同时各职能部门各司其职控制技术状态;在成本控制方面, 通过应用新技术提高数控加工能力, 降低常规加工成本, 规范刀具应用, 提高刀具使用效率, 同时大量采用套裁方案提高材料利用率。
在制定项目总体研制方式的同时, 需要将项目零件按照零件族分类标准分为框、梁、接头、肋、型材、角盒等不同类型, 同时将难加工材料如钛合金零件单独进行分类。在完成零件族分类后, 按照专业化团队的理念将同类型零件分工给擅长的工艺团队, 同时按照数控机床选用原则确定零件加工机床, 使车间生产资源达到有效利用。
3.3 详细工艺方案设计及工艺资料编制与仿真
在零件方案设计阶段, 由方案设计团队成员根据零件制造工艺方案设计指导原则及工艺凸台设计规范针对项目典型零件设计工艺方案, 包括带凸台工艺数模, 零件具体加工流程, 特殊刀量具需求等方面内容。待工艺方案评审后正式启动零件工艺资料编制, 包括基于CAPP、PDM系统的订货单、工艺规程等工艺资料的编制与审签, 以及基于UG/CATIA的NC编制, 基于CGTech VERICUT的NC仿真。在工艺资料编制过程中, 工艺部门编制了各类规范标准, 诸如零件工艺规程编制规范、工艺草图绘制规范、铝合金程编规范等, 规范标准的引入, 使得工艺人员在工艺资料编制时有章可循, 使工艺设计工作规范化、模式化。
MBD数据集包含的相关设计基准数据、零部件坐标系、实体模型、毛坯、标注集、附注集及其他信息对工艺方案设计以及工艺资料编制有重要的作用。设计基准即零件基准面及装配所需的工艺孔、协调孔等设计特征, 这些设计特征需要在工艺方案设计及加工工序安排时用最可靠的手段进行保证, 也在一定程度上限制了零件方案及加工流程。毛坯信息包括零件加工的毛坯尺寸及材料信息, 在方案设计阶段确定后可以用于材料的先期准备, 已达到工艺设计与生产准备并行。标注集中包含的零件形位公差、重要尺寸等设计特征也同样限制了零件加工流程。附注集中包含的零件热表处理信息、特种检查信息、标记信息等定义了零件机加后的工序流程。总之, MBD数据集中包含的数据信息对方案设计提出了要求, 同时也规范了工艺规程的编制及工艺流程的安排。
3.4 零件资料归零
待现场试制完成后, 需要对零件制造过程中所有工艺资料归零, 包括设计MBD模型、工艺MBD模型、NC程序、工艺规程、工序说明书、VT仿真模型、测量工艺规划等, 归零数据形成如图7所示的压缩文件包。
3.5 项目技术状态控制
在新项目研制过程中, 技术状态控制尤为重要。一方面需要将现场试制合格的工艺资料归零, 同时新项目工程更改较为频繁, 需要严格控制工程更改的执行情况, 避免技术状态失控。MBD模型在设计部门采用构型批次管理, 即不同状态的零件构型模型对应不同的批架次, 每份工程更改对应一项MBD零件模型。零件加工车间即根据数模版本与工程更改进行对应, 获得相应架次的零件数模信息。图8所示的工程更改下的零件制造模型表示出了MBD模型、工程更改、数模版本及有效架次的关系。
根据图8所示的工程更改下的零件制造模型构建可以看出, 节点数据 (对应零件制造过程中某个状态的MBD零件模型) 具有很强的时效性, 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, 每个MBD零件模型对应相应的工程更改及对应版本的数模, 根据有效架次的管理, 不同版本数模应用于后续不同架次的零件生产。通过制造模型树的建立, 便于对制造状态所包含的各种数据进行管理, 在工艺设计阶段根据不同状态的MBD模型建立对应批架次的工艺规程、NC等工艺设计资料, 在生产制造阶段同样基于批架次进行工艺资料发放并指导生产。基于此模型树可有效解决零件制造过程中不同有效架次的工艺设计及生产制造的需要。
3.6 项目成效
通过MBD技术在新机项目研制中的应用, 提高了项目工艺设计效率及质量, 同时提升了整个项目的技术管理水平。以C919项目工艺设计为例, 整个项目根据PBOM分工有697项零组件, 通过MBD技术的应用, 整个项目在4个月内完成了工艺设计工作。在工艺设计效率方面, 项目工艺设计时间较之前项目相比提升了30%;在工艺设计质量方面, 各类工艺规范的建立, 使工艺工作规范化、模式化, 提高了项目质量, 在项目试制过程中因工艺原因造成的质量问题下降了近40%;在项目技术管理方面, MBD模型的电子数据作为唯一依据, 简化了管理幅度, 特别在项目技术状态控制方面, 以构型批次管理的工程更改更加利于管理;在技术提升方面, 在项目开展过程中, 对工艺规范进行了实际运用, 将工艺规范不合理的要求进行了更改, 使规范标准趋于实用化。
4 结束语
MBD技术使三维实体模型成为制造过程中的唯一依据, 通过三维数字化协调建模、三维工艺仿真设计与三维数字化工艺现场应用, 真正实现了无图纸三维设计制造技术。但是MBD模式下的工艺设计作为一项新兴技术, 在发展过程中仍有大量问题需要解决。首先, 在设计/工艺协同方面, 国内航空工业普遍存在着厂所分离的情况, 设计、工艺分属不同的单位, 交流和沟通存在天然的屏障, 设计、工艺之间无法充分沟通。其次, MBD标准不统一, 各机型项目各自制定自己的MBD标准, 给下游制造厂的工艺设计带来较大困难[8]。再次, 零件制造车间长期处于传统的工艺设计模式中, 对于MBD技术的认识与熟悉程度仍然不够, 现场生产时一直存在三维与二维转化的问题。当然, 随着MBD的技术成熟, 设计工艺化, 工艺设计化的实现, 零件车间工艺设计工作也必将随之发生变化, 诸如三维CAPP的应用, 无纸化工程的开展, 在线测量的普遍应用, 企业知识工程的开发应用等都将逐步实现。
参考文献
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MBD技术实施研究 篇7
在复杂零部件的结构设计过程中,目前大部分企业实现了以三维建模为主要设计手段,但在向生产车间传递制造信息过程中,还依赖于二维与三维结合的图纸表达方式,图纸的空间局限性限制了图纸的表达能力,也因此限制了复杂模型从设计向生产的顺利转化,制约着设计和生产能力的进一步发展。
1 传统设计面临的主要问题
传统的设计生产流程如图1所示。
在传统设计生产流程中,由于所有设计内容及工艺内容全部以二维图纸的形式传递,导致产品的实际构型需要在设计、工艺和生产等环节中不断进行三维、二维投影转换,各环节中容易出现理解偏差等问题,并且对于结构复杂的零件,从设计人员开始就面临绘制设计图纸的难题,对于一个复杂的结构件,由于内腔的多凸台和多衔接面特性,设计图纸内往往需要包括大量的标注信息,在图纸设计过程中,随着所需标注数量的增加,遗漏或过约束的可能性随之提高,在有限的图纸空间内,如何有效的布置尺寸标注,方便审签人员、工艺人员和加工车间准确快速地理解设计意图,已成为设计人员在绘制图纸时面临的主要难题,对于图纸中特别复杂的结构,如图2所示,为了完成该图纸的标注,设计人员花费几倍于方案设计过程的时间,而得到的图纸在随后的审签、工艺编制和加工过程中还是容易发现遗漏尺寸等问题,并且由于图纸篇幅有限,尺寸过于密集,图纸在晒蓝后线条难以分辨,容易导致图纸理解错误,以致产品需要维修或报废,因此复杂零件的二维设计方法已经难以满足越来越多的复杂零部件设计需求。
2 MBD技术的应用优势
近年来MBD技术在多行业得到了较为迅速的推广,MBD(基于模型的数字化定义)可以理解为把一个零部件进行完整定义的技术,包括构造、注释、基本属性、材料、审批和更改等信息,还可以包括工艺过程、加工仿真等内容,完整的基于MBD技术的零部件模型定义应能够满足所有模型使用者的要求,提供各类必须的信息。
对于设计研发部门来说,上述二维图纸所要表达的信息都可以通过MBD技术来实现,基于MBD技术的主要设计生产流程如图3所示。
在基于MBD技术的设计生产流程中,产品从设计到生产全部是在三维模型的基础上进行,模型中同时集成了工艺、生产和检验等环节中必须的信息,保证了产品设计数据在任何环节的一致性,能够有效解决基于图纸进行设计生产面临的问题;同时,基于模型数据唯一性的优势,产品的技术状态管理过程更为简单准确。
3 MBD模型实例
在三维建模软件(如CATIA等)环境下,建立MBD模型如图4所示。
模型中各种基本特性定义包含于特征树上,如图5所示。
对于各类尺寸标注,由于模型是可测量的,一般认为无特殊要求的尺寸不再特别标注,对于外形尺寸、基准面、配合安装孔和特殊精度要求尺寸等,则需要分类标注,具体标注方法根据所遵循的标准(规范)不同而存在较大区别,但相比于二维图纸而言,MBD模型空间中的标注等信息通常由于非常简洁,可以分类查看,并且具有关联特性,因此其易于理解的特性是显而易见的,如图6所示。
通过选择其中任意标注尺寸,其关联特征即被高亮显示(CATIA中默认高亮显示为橘黄色),如图7中选择“3-Φ10通”尺寸所示,关联孔及基准面均已高亮显示。
对于未在模型中标注的尺寸,可以通过模型查阅工具或者CATIA内部的测量工具获得相应尺寸,尺寸的公差等按照特征树上技术要求中所依据的标准确定,如图8所示,通过查询,得到板厚为9mm。
4 MBD技术实施面临的问题
MBD技术能够很好地解决基于二维图纸进行复杂零件结构设计面临的难题,但是从设计人员的角度考虑,MBD建模的过程需要非常熟练地掌握相应的设计工具,并依据全新的设计标准和规范来建立模型,建模过程中的每一处细节都必须按照全新的基于MBD模型定义技术的相关标准和规范执行,其理解与运用的过程也是一个较为漫长的过程,因此往往受到较大的实施阻力。此外,从设计人员的工作量角度考虑,其所需的建模时间与设计二维图纸相比,可能还需要更多的时间。这是因为,MBD模型在建模过程中通常是在二维草图的基础上变换而来的,二维草图的绘制效率通常比传统的AUTOCAD软件效率要低,如图9所示,模型通常含有多个草图,每个草图都需要有相应的尺寸约束,多个草图中的约束总数比传统二维图纸的尺寸标注数量可能还要多。MBD模型的最大优势体现在建模完成后为之后的仿真、审签、工艺编制及加工等后续环节提供了准确、直观和易于被电脑识别的数据源,是后续开展基于MBD技术工艺编制、加工等工作的前提条件。
当然,对于设计人员来说,MBD建模技术最大的优点在于可以进行协同设计,以及和办公系统集成后的基于生命周期的技术状态管理方式,发挥MBD技术的这两方面优势将能有效提高产品的设计质量和质量管理水平。
5 MBD技术实施主要内容
MBD技术建模过程中,相对二维AUTOCAD软件来说,三维建模过程更为复杂和灵活,其模型信息的承载可以通过图层、模型视图、特征树等形式和模型的创建可以通过草图、特征和自由形状建模等方法,因此在模型的创建和信息组织方式上更加复杂多样,为了使设计人员方便地使用三维软件开展MBD相关工作,或者对MBD模型实现标准规范的计算机辅助检查,需要对MBD设计制造软件进行一些符合企业使用要求的二次开发工作。二次开发的内容一般包括:三维标注辅助工具、材料库、制造工艺库、工程图纸或工艺卡片的标准模板、模型检查工具、标准件库、知识库和快速设计系统等等。
MBD技术是一个系统的技术,需要从软件基础环境、数据库支撑平台、网络信息环境、信息安全体系等基础方面进行较大投入和建设,特别是软件基础环境的建设,其中支撑软件包括CAD、CAPP、PDM等软件;数字化仿真软件,如CAE、CFD等等,以及数字化制造软件、数字化管理软件等等,MBD技术的实施是对传统设计方法的根本变革。
6 结论
MBD技术作为设计制造业未来发展的趋势,将为企业带来管理和效率上的飞跃。从传统基于图纸的设计制造体系向MBD技术体系发展将是企业提高竞争力的必要过程,当前许多航空企业已开始推行MBD技术,在现有大量图纸数据的基础上向MBD技术体系过渡都会遇到许多困难,如何平稳过渡是MBD技术实施过程中的最大难题,解决好各环节中的思维惯性带来的阻力将会取得事半功倍的效果。
摘要：MBD技术作为近年来越来越热门的技术,在企业中应用越来越广泛,许多企业通过多年的应用实践,已逐步实现了MBD技术的一些关键过程,发挥出了MBD技术的优点。然而,MBD技术作为一种先进的设计及管理技术,在推进过程中仍有很多困难需要克服。本文从传统基于图纸的设计加工技术与MBD技术对比的角度,来分析MBD技术实施诸多优点和对传统设计研发部门带来的挑战。
关键词：MBD,信息化
参考文献
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MBD在制造企业的实现 篇8
MBD (Model Based Definition) 基于模型定义, 有时也被称为数字产品定义, 它是使用三维实体模型及其关联数据来为产品进行定义的方法论。
二、背景
南车株洲电力机车有限公司 (以下简称株机公司) 经过多年三维设计持续推广, 在电力机车、城轨车辆产品设计中已经全面应用三维软件技术, 产品三维设计已经成为企业的产品设计方式, 而这种改变直接的受益者就是公司的开发部门, 他们在设计手段的改进方面取得了巨大的改进。三维设计的全面开展, 为株机公司打通设计、工艺、制造三维数据链, 实现基于模型的定义 (MBD) 打下了坚实的基础。
三、项目需求
1.建设产品设计、工艺设计一体化的管理平台
株机公司目前在产品设计开发过程中应用PLM/NX平台, 在工艺设计过程中应用ERP、CAPP系统, 产品设计和工艺设计的集成度不高, 还没有形成一体化的产品设计、工艺设计管理平台。在业务流程上, 产品设计与工艺设计目前还是采用传统串行的工作方式, 产品设计数据发布归档后统一下发给工艺部门, 在整个产品设计开发过程中, 工艺部门主要参与产品技术设计阶段的工艺评审工作, 介入度不高。这种串行的工作模式不利于尽早的对产品设计进行全面的工艺性、制造性分析, 有可能造成后续生产环节的返工、变更, 延长了设计制造周期, 增大了成本。在数据管理方面, 目前工艺设计主要还是以工艺卡片的编制为主, 数据是非结构化的, 没有建立起统一的产品设计数据、工艺设计数据模型, 需要打通产品设计、工艺设计、制造环节, 在统一的产品数据模型的基础上协调开展各项相关业务, 建立起产品设计、工艺设计一体化的管理平台, 实现并行、协同的业务模式。
2.建立起以三维产品模型为主线的业务模式
虽然株机公司在产品开发设计过程中已经建立起产品的三维几何模型, 但是在工艺设计和生产制造阶段还是以从三维模型投影生成的二维工程图为主要依据开展工作, 因为在二维工程图上表达了最完整的产品设计信息。这样, 就形成了目前以二维为主、三维为辅的设计、工艺、制造模式。在这种模式下, 产品设计信息从设计环节到工艺、制造环节经历了从三维到二维、再从二维提取信息的多个转换过程, 由此带来了一系列的影响, 需要建立起以产品三维模型为主的设计、工艺、制造业务模式, 以产品三维模型为主线, 统一描述、管理各个环节产品相关的各种数据, 避免产品信息的转换, 建立适应三维业务模式的管理机制, 真正发挥数字化产品设计的优势。
3.建设数字化工艺仿真、分析、验证能力
目前, 株机公司在工艺、生产准备、加工制造环节, 主要还是以依靠人的经验、手工操作、现场实物试制的方式为主, 在装配工艺、数控加工、切削参数、机器人焊接、数控弯管等方面, 缺乏虚拟仿真、分析、验证的手段, 难以开展工艺优化, 对生产准备周期、加工制造成本影响较大。同时, 也不利于提高各种先进数控设备的利用率, 设备综合效率的提高受到较大限制。
开展三维工程化应用, 需要加强数字化的工艺仿真分析验证, 在现场进行实物加工制造之前, 先在计算机虚拟环境下进行仿真分析, 提前发现、解决制造过程中可能存在的问题, 为生产现场的协调组织、高效加工奠定基础。
四、实施内容
以转向架产品所涉及的产品及工艺为试点, 完善产品全数字样机技术和三维设计标注、三维工艺标注, 实现转向架产品典型工艺的结构化管理, 初步实现转向架产品的三维模型指导生产, 实现转向架产品的设计工艺一体化及生产过程的无纸化。具体实施内容如下:
1.以转向架产品为试点, 继续完善产品数字样机设计, 开展干涉检查、间隙检查、装配校验提高设计质量。
2.以转向架产品为试点, 初步构建设计工艺一体化平台实现以三维模型按需提供的研发设计和工艺设计模式, 提高设计效率。
3.完善三维设计、三维工艺标准。
4.采用结构化工艺设计手段, 推行三维工艺设计, 实现三维数据向现场的传递。
5.选取转向架上的三个典型工艺 (车轴加工工艺、构架策略焊接工艺、转向架总成装配工艺) 及三维工装夹具设计, 探索基于三维数字化模型、单一数据源的产品研发制造模式, 打通设计、工艺、制造、检测的三维数据链, 研究三维工程化集成技术。
在上述成果基础上, 深入研究工艺的分析、仿真, 提高产品的工艺性、可制造性和产品质量, 实现设计、工艺、工艺仿真、生产制造、检验的数据闭环。
五、关键技术
1.三维工程化标注开发及实现
MBD数据集成为产品全生命周期研制过程中信息传递的单一产品数据源。三维设计工具是创建它的主要手段, 针对于MBD的应用, NX软件提供了产品与制造信息 (PMI) 功能模块, 使用户能够根据MBD标准完成三维数字化产品定义。
2.设计—工艺一体化数据管理平台建设
建立产品设计-工艺一体化数据管理平台的基础是合理与科学的数据管理业务建模。基于以产品数据为核心的PLM全生命周期管理模式, 将产品 (Products) 、生产工艺流程 (Processes) 、车间 (Plants) 和制造资源 (Resources) 四个方面进行相互关联, 作为产品从设计定义阶段到工艺生产阶段之间数据流程的核心, 通过统一的平台进行各阶段信息的管理。以Teamcenter为产品设计与工艺数据统一管理平台管理工艺设计过程和工艺设计数据, 实现设计、工艺、制造多视图BOM一体化管理 (见下图) , 确保设计更改能自动、及时传递到工艺制造环节, 保证设计更改的闭环控制, 实现设计、工艺、制造等环节的并行工程。
3.现场展示.
通过Teamcenter平台与MES系统集成, 实现在现场开工时查看相关联的的二维图、过程卡、3D附图卡、工序卡、工序物料、视频等工艺文件。
4.实施效果
通过MBD在株机公司的应用, 实现了以三维模型作为产品研发制造各个环节的载体, 三维模型贯穿设计、工艺、仿真分析与验证、制造、检测、服务等各个环节, 为基于全三维数字化技术的集成研究和应用示范。
参考文献
[1]卢鹄, 韩爽, 范玉青.基于模型的数字化定义[J].航空制造技术, 2008, (3) :78-81.
MBD技术条件下样板应用研究 篇9
在传统的飞机样板制作过程中,是以模线样板生产作为生产飞机的主要步骤,因此模线样板的制作进度直接影响了新飞机的出厂周期。飞机上的零件种类很多,因此在样板制造的过程中也会涉及很多样板品种的选择,在飞机的制造过程中,样板发挥着主导的作用。随着MBD技术的成熟与发展,我国在飞机样板的制作中,积极采用三维模型加二维数据的形式,建立数学模型,提高飞机制造效率。因此在MBD条件下,样板的应用空间还很大。
1 MBD技术条件下样板研究的优势
与传统的工程图纸相比,MBD技术拥有巨大的优势,样板应用在此基础上发挥最大的作用。主要有八大点:第一,MBD数据集是样板生产环节中的单一数据来源,避免出现数据不吻合、成本高的现象;第二,MBD技术可以展现样板的三维空间动态,直观的表达样板造型,尤其是一些有曲面的样板;第三,可以促进研制人员对样板设计的表达,可以让生产人员更加准确的把握样板设计的核心技术,更精确的制作样板;第四,可以更好的实现新型技术和产品的制造和加工;第五,MBD技术真正的实现了样板产品数字化定义,使产品在加工、装配、测量和检验的过程中实现高度的集成,生产人员即使在脱离图纸的情况下,也能进行产品的顺利制造和检验;第六,MBD技术借助CAD系统具备的隐藏、移动、旋转和缩放等功能,使得样板产品信息可以更加简洁、有效存取、管理和展示;第七,基于MBD技术的制造技术采用数字化研制体系,可以准确、高效的传递样板产品信息,可以避免在后期生产过程中生产人员阅读、输入产品信息的流程,减少产品研制过程中由于人为因素导致的操作失误,减少重复性劳动,提高整体生产效率;第八,在MBD技术条件下,样板应用研究可以给研发人员带来三维模型和二维数据对应,可以促进研发人员更准确的把握产品的信息。
2 MBD技术条件下隔板定位样板的应用研究
在飞机的装配过程中,传统的方式是通过在平面或近似平面的壁板上进行,主要是采用工装,一般要花费大量的设计时间、消耗大量的材料、延长加工时间。而在MBD技术条件下的隔板定位样板的设计可以利用三维模型进行模拟试验,得到精确的二维工程图纸数据,然后进行数字化生产,得到的产品用于飞机制造的时候也会有更高的利用率。在MBD技术的支撑下,将10到15天的设计研制周期缩短为1到2天,大大缩短了前期的设计时间,同时解决隔板间间距小的问题,隔板定位样板已经可以取代装配工装,达到隔板安装的要求。隔板样板以其简便、经济、实用的特点,广泛的用于航天制造业中。
3 MBD技术条件下装配检查样板的应用研究
在飞机的某些大型零件安装之后,需要对其在实际操作中的性能进行检测,需要非常精准的数据进行对比,而这些专业要求高的工作必须由专业的技术人员完成,因此占用大量的专业人员,增加飞机制造过程中的技术和人工成本,一旦检测不合格,又要花费大量的时间去更换,浪费大量的人力、物力和财力。而装配检查样板在设计时间上占有足够的优势,减少加工周期,还可以更准确的进行几何形状、定位尺寸的检查,关键是每个操作人员都可以使用,后期检查的过程中,不需要太多的技术要求。
装配检查样板的设计需要借助CATIA软件,将需要检查的数学模型装配在同一个catproduct中,样板的造型取自飞机外缘形状,保障检查工作环境的安全。采用20#的冷轧钢板制作装配检查样板,可以提高装配检查样板的使用效果。
4 MBD技术条件下型材类零件外形样板的应用研究
科技的进步带动数字化的进程,航天事业也积极引用数字化技术,提高了产品的质量和生产效率。在飞机零件制造过程中,经常会遇到一些曲面零件的加工,但是由于曲面的尺寸把握的高难度,时间生产中就会出现很多废品,浪费了不少资源。目前对这种曲面零件的制作还很难进行数控加工,因为很难找到零件的原点,定位的时候也比较困难,生产的进度很难掌控。因此在这类零件加工中还是建立传统的平面数模。
这种带有曲面零件的外形样板的设计不同于以往的外形样板的设计,是在展开数字模型的基础上进行外形样板的设计。科研技术人员根据工程数据将数字模型展开,得到准确的数据,再进行重新建模的工作,外形样板的模型可以提高曲面零件的精确度。外形样板是加工全面零件的重要依据,各项数据的建立和表达都需要十分的准确和清晰,最大程度的节省飞机制造的周期,提高飞机产品出厂时的质量。
5 MBD技术条件下模线样板的应用研究
国内外在军机生产中普遍运用MBD技术,新技术条件下,模线样板的应用价值也得到充分的发挥。模线样板作为检验产品质量的依据可以为检测带来更加直观、简便和准确的数据;作为大型零件的配置工作来说,可以更加经济、轻便;作为加工高难度的小型零件来说,可以准确的控制零件的尺寸和造型。模线样板技术还可以运用到更多零件的加工、配置、检查和工作中,需要技术人员不断挖掘新的价值,借助MBD技术的力量,简化飞机制造过程,缩短生产周期,提高工作效率和质量。
6 总结
随着科学技术的发展,产品数字化改革已经成为大势所趋,三维数学模型加二维工程图纸的生产方式逐渐替代二维图纸的生产模式,让生产前线的制造人员可以更好的领会技术人员表达的意图,准确的进行产品的加工与制造。在样板生产过程中积极采用MBD技术,可以为飞机、航天器的发展奠定坚实的基础,促进我国航天事业的发展。
参考文献
[1]姜红明,张丰华,吴慧杰,任召,杨林.MBD技术实施研究[J].制造业自动化,2012(23):1-3+12.
[2]潘康华,陆江峰,邵兰英.MBD技术的发展历程与展望[J].机械工业标准化与质量,2013(02):15-17.