0 引言

    機械加工工藝是指采用用機械加工方法改變零件毛坯的形狀、尺寸、位置、性質，使其成為合格零件的全過程，加工工藝是工人進行加工的依據。第一代工程語言（二維圖紙模式）和第二代工程語言（CAD技術的標準方式）已落后于現代社會發展的需要。隨著計算機和信息技術的普及運用，產品開發過程（產品設計、工藝設計、工裝設計、產品制造、檢驗檢測）不再像以往的各模塊分立（首先產品設計，然后工藝設計，接著工裝設計，進行產品制造，最后檢驗檢測，各模塊之間只負責自己的工作，很少協同工作，產品開發過程不僅周期長，而且質量得不到保證）。現代產品開發更強調的是一種協同，實現產品設計（含工藝設計）、工裝設計、零件加工、部件裝配、零部件檢測檢驗的高度集成、協同、融合，建立三維數字化設計制造一體化集成體系。因此，很多國家已經開始運用第三代工程語言——MBD技術（基于模型的工程定義），例如波音公司推行的新一代產品定義方法。

1 MBD技術概述

    基于模型定義的技術MBD（Model Based Definition）是指：零部件的三維模型中，集成尺寸、公差等注釋性標注，同時輔以零件表面制造文件等對產品進行全面描述的一種方式，見圖1和圖2。MBD技術是用集成的三維實體模型來完整表達產品定義信息的方法體，它通過圖形和文字表達方式，詳細描述實體模型中產品尺寸、公差、制造技術要求等產品制造工藝信息的三維表達方法，改變了傳統由三維實體模型來描述幾何形狀信息，而用二維工程圖來定義尺寸、公差、工藝信息的分步產品數字化定義方法。

    圖1 基于MBD技術的零件模型

    圖2 MBD的零件模型需要標注的信息

2 MBD技術分析

    2.1 MBD技術的提出

    基于模型定義技術在波音787型飛機上的成功應用，使得設計制造一體化技術得到空前發展。民用飛機上的鈑金材、復材件、大型件的三維數字化檢測，對于提高飛機制造裝配的質量和效率發揮了重要作用。我國對于基于MBD的三維產品數字化檢測技術的研究處于起步階段，尚未形成規范的技術體系。但是由于這種技術的先進性與廣泛適用性，很有必要推廣到更多的制造業中。

    MBD技術的核心思想是全三維基于特征的表述方法、基于文檔的過程驅動；融入知識工程、過程模擬、產品標準規范等。它用一個集成的三維實體模型可完整地表達產品的定義信息，可將制造信息和設計信息（三維尺寸標注、各種制造信息、產品結構信息等）共同定義到產品的三維數字化模型中，從而取消二維工程圖，保證設計數據的唯一性。但MBD不是簡單的三維標注+三維模型，它不僅描述設計幾何信息，并且定義了三維產品制造信息和非幾何的管理信息（產品結構、PMI、BOM 等)，使用人員僅需一個數模即可獲取全部信息，減少了對其他信息系統的過度依賴，使設計和制造之間的信息交換可不完全依賴信息系統的集成而保持有效連接。它通過一系列規范的方法能夠更好地表達設計思想，具有更強的表現力，打破了設計與制造間的壁壘，其設計和制造特征能夠方便地被計算機和工程人員解讀，而不像傳統的定義方法只能被工程人員解讀，有效解決了設計/制造一體化的問題。但是MBD模型的建立，不僅是設計部門的任務，工藝、工裝、檢驗都要參與到設計的過程中，最后形成的MBD模型才能用于指導工藝制造與檢驗。MBD可以融入知識工程、過程模擬、產品標準規范等，將抽象和分散的知識變得更加形象和集中，使得設計和制造過程演變為知識積累和技術創新的過程，成為企業知識的最佳載體。

    2.2 MBD技術的特征

    1）于特征的建模方法。MBD不是只關注幾何定義，而是完全基于特征定義；MBD的實質不是三維實體+三維標注，而是特征的定義和控制；這是與其他工程定義方法的本質區別。因此要使它有更強表現力，能更真實地表現工程特征，更好、更準確、更容易地表達設計意圖，并使工程信息的抽取和知識的挖掘變得更為容易。2）字化信息集成。MBD中的數據集以三維模型為核心，集成了完整的產品數字化定義信息。MBD數據集的內容包含：設計、工藝、制造、檢驗等各部門的信息，形成單數據源，避免多源數據的信息不一致，打破長期存在的設計/制造/服務的信息壁壘。3）知識工程的融合。長期以來知識工程僅停留在理論和研究階段，未能有效地在企業實際應用并體現其價值，重要的原因之一是缺乏有效的知識表述工具，不能將其融入到設計和生產環節中。基于標準的特征表述的MBD技術可有效地描述設計、制造等工程特征，并將蘊涵與其中的知識通過標準的數字化的方式表達。MBD可融入工程知識、過程模擬、產品標準規范等，將抽象和分散的知識更加形象和集中，使得設計和制造的過程演變為知識積累和技術創新的過程，成為企業工程知識的最佳載體。

    2.3 MBD技術的應用

    1）MBD技術在產品生命周期管理(PLM)中的應用。當今，計算機輔助設計，計算機輔助工程、計算機輔助制造都使用了3D人機互動和模擬，在它們的幫助下，產品在虛擬環境選中可被設計、仿真、確認，見圖3。這種新方法在傳統的數據管理系統上要增加新的功能，使其能清晰地管理產品、過程、實物資料，還應按布局和預期效果去建立他們之間的關系。這個新的集成和信息驅動方法被命名為產品生命周期管理，它是一種控制方法，允許制造企業去管理他們的產品貫穿于整個生命周期（從一個產品的設想到它的整個生產過程結束）。PLM是PDM的一種延伸，并在CAD、數字化制造和仿真之間傳遞必要環節。

    圖3 MBD模型的產品生命周期樣例

    2）MBD技術在產品數據管理（PDM）中的應用。PDM系統是集成并管理與產品有關的人員、數據、流程的軟件系統；該系統自身具有強大的功能，并且能與其他應用軟件集成。不同的應用系統可從PDM系統提取各自所需的數據，再將結果返回PDM系統中，從而實現基于PDM系統的集成應用。基于PDM系統的應用方案，見圖4。其中，由于零件設計系統的數據管理也是PDM系統，因而可以實現與制造模型管理的緊密集成，確保設計與制造模型數據的一致性。

    圖4 基于PDM系統的集成方案

    3）MBD制造模式下，產品工藝數據、檢驗檢測數據的形式與類型，發生了很大變化。采用MBD技術后，設計部門不再向制造部門發放二維工程圖紙，因此減少了設計工作量，簡化了管理流程。工藝部門通過三維數字化工藝設計與仿真，依據基于MBD的三維產品設計數模建立三維工藝模型，生成零件加工、部件裝配動畫等多媒體工藝數據。檢驗部門通過三維數字化檢驗，依據基于MBD的三維產品設計數模、三維工藝模型，建立三維檢驗模型和檢驗計劃。與此同時，設計數模的版本變化將直接引發工藝數模、檢驗數模的版本變化。因此，需要以零部件為對象，建立產品設計數據、工藝數據、檢驗數據與BOM 結構樹的關聯關系，一起納入PDM系統進行管理，通過檢入與檢出，確保產品設計數據、工藝數據、檢驗數據版本信息的一致。

3 MBD的現狀及其前景

    1）MBD技術對現行飛機研制的業務流程、管理方法、技術基礎等產生較大影響。主要體現如下：（1）對傳統的工程管理制度帶來較大沖擊。傳統模式已形成了基于二維圖紙的管理制度，采用三維的MBD技術，要對傳統的圖紙發放、技術單、更改單、細目單等的管理制度進行進一步的研究和探索。（2）應用MBD對基礎資源、標準化等提出了全新的支持模式：MBD技術推動了數字化技術在航空制造業的深度應用，同時也對基礎資源、標準化等工作提出了全新的要求。波音公司建立了集成化產品標準管理系統（integrated Product Standards Management，iPSM），它使波音所有的設計、工藝、制造、檢驗過程具有統一編碼的數字化標準系統，并實現了與三維設計工具（CATIA）的集成。任何授權的供應商都能檢索到相關的標準，這保證了所有供應商執行統一標準，從而達到統一的質量要求。（3）對產品的設計工作提出更高的要求：為了提供準確、完整、規范的MBD數據集，設計人員需要投入更多精力和時間來完成，甚至包括以前由制造方完成的工作。

    2）盡管數字化檢測技術在航空領域應用較早，但是由于數字化應用環境不完善，基礎理論研究、設備和系統研發等方面的滯后和不協調等諸方面的原因，國內數字化檢測技術研究與國外同領域還有較大差距。尤其是對于一些普通常用零件的制造，國內還是采用傳統的制造加工方式，這種新型的技術尚未普及應用。若將這種新型技術應用到更多的制造領域中，必將會有意外的收獲。

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本文標題：基于模型定義技術（MBD技術）的分析研究

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