姜紅明，張豐華，吳慧杰，任 召，楊 林

（西安航空計算技術研究所，西安 710119）

0 引言

在復雜零部件的結構設計過程中，目前大部分企業(yè)實現(xiàn)了以三維建模為主要設計手段，但在向生產車間傳遞制造信息過程中，還依賴于二維與三維結合的圖紙表達方式，圖紙的空間局限性限制了圖紙的表達能力，也因此限制了復雜模型從設計向生產的順利轉化，制約著設計和生產能力的進一步發(fā)展。

1 傳統(tǒng)設計面臨的主要問題

傳統(tǒng)的設計生產流程如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)設計流程

圖2 復雜零件局部尺寸標注

在傳統(tǒng)設計生產流程中，由于所有設計內容及工藝內容全部以二維圖紙的形式傳遞，導致產品的實際構型需要在設計、工藝和生產等環(huán)節(jié)中不斷進行三維、二維投影轉換，各環(huán)節(jié)中容易出現(xiàn)理解偏差等問題，并且對于結構復雜的零件，從設計人員開始就面臨繪制設計圖紙的難題，對于一個復雜的結構件，由于內腔的多凸臺和多銜接面特性，設計圖紙內往往需要包括大量的標注信息，在圖紙設計過程中，隨著所需標注數量的增加，遺漏或過約束的可能性隨之提高，在有限的圖紙空間內，如何有效的布置尺寸標注，方便審簽人員、工藝人員和加工車間準確快速地理解設計意圖，已成為設計人員在繪制圖紙時面臨的主要難題，對于圖紙中特別復雜的結構，如圖2所示，為了完成該圖紙的標注，設計人員花費幾倍于方案設計過程的時間，而得到的圖紙在隨后的審簽、工藝編制和加工過程中還是容易發(fā)現(xiàn)遺漏尺寸等問題，并且由于圖紙篇幅有限，尺寸過于密集，圖紙在曬藍后線條難以分辨，容易導致圖紙理解錯誤，以致產品需要維修或報廢，因此復雜零件的二維設計方法已經難以滿足越來越多的復雜零部件設計需求。

2 MBD技術的應用優(yōu)勢

近年來MBD技術在多行業(yè)得到了較為迅速的推廣，MBD（基于模型的數字化定義）可以理解為把一個零部件進行完整定義的技術，包括構造、注釋、基本屬性、材料、審批和更改等信息，還可以包括工藝過程、加工仿真等內容，完整的基于MBD技術的零部件模型定義應能夠滿足所有模型使用者的要求，提供各類必須的信息。

對于設計研發(fā)部門來說，上述二維圖紙所要表達的信息都可以通過MBD技術來實現(xiàn)，基于MBD技術的主要設計生產流程如圖3所示。

圖3 基于MBD技術主要設計生產流程

在基于MBD技術的設計生產流程中，產品從設計到生產全部是在三維模型的基礎上進行，模型中同時集成了工藝、生產和檢驗等環(huán)節(jié)中必須的信息，保證了產品設計數據在任何環(huán)節(jié)的一致性，能夠有效解決基于圖紙進行設計生產面臨的問題；同時，基于模型數據唯一性的優(yōu)勢，產品的技術狀態(tài)管理過程更為簡單準確。

3 MBD模型實例

在三維建模軟件（如CATIA等）環(huán)境下，建立MBD模型如圖4所示。

圖4 MBD模型實例

模型中各種基本特性定義包含于特征樹上，如圖5所示。

圖5 MBD模型特征樹實例

圖6 MBD模型標注實例

對于各類尺寸標注，由于模型是可測量的，一般認為無特殊要求的尺寸不再特別標注，對于外形尺寸、基準面、配合安裝孔和特殊精度要求尺寸等，則需要分類標注，具體標注方法根據所遵循的標準（規(guī)范）不同而存在較大區(qū)別，但相比于二維圖紙而言，MBD模型空間中的標注等信息通常由于非常簡潔，可以分類查看，并且具有關聯(lián)特性，因此其易于理解的特性是顯而易見的，如圖6所示。

通過選擇其中任意標注尺寸，其關聯(lián)特征即被高亮顯示（CATIA中默認高亮顯示為橘黃色），如圖7中選擇“3-Φ10 通”尺寸所示，關聯(lián)孔及基準面均已高亮顯示。

圖7 特征與標注尺寸的關聯(lián)效果

對于未在模型中標注的尺寸，可以通過模型查閱工具或者CATIA內部的測量工具獲得相應尺寸，尺寸的公差等按照特征樹上技術要求中所依據的標準確定，如圖8所示，通過查詢，得到板厚為9mm。

圖8 通過查詢獲得所需尺寸

4 MBD技術實施面臨的問題

MBD技術能夠很好地解決基于二維圖紙進行復雜零件結構設計面臨的難題，但是從設計人員的角度考慮，MBD建模的過程需要非常熟練地掌握相應的設計工具，并依據全新的設計標準和規(guī)范來建立模型，建模過程中的每一處細節(jié)都必須按照全新的基于MBD模型定義技術的相關標準和規(guī)范執(zhí)行，其理解與運用的過程也是一個較為漫長的過程，因此往往受到較大的實施阻力。此外，從設計人員的工作量角度考慮，其所需的建模時間與設計二維圖紙相比，可能還需要更多的時間。這是因為，MBD模型在建模過程中通常是在二維草圖的基礎上變換而來的，二維草圖的繪制效率通常比傳統(tǒng)的AUTOCAD軟件效率要低，如圖9所示，模型通常含有多個草圖，每個草圖都需要有相應的尺寸約束，多個草圖中的約束總數比傳統(tǒng)二維圖紙的尺寸標注數量可能還要多。MBD模型的最大優(yōu)勢體現(xiàn)在建模完成后為之后的仿真、審簽、工藝編制及加工等后續(xù)環(huán)節(jié)提供了準確、直觀和易于被電腦識別的數據源，是后續(xù)開展基于MBD技術工藝編制、加工等工作的前提條件。

圖9 建模過程草圖

當然，對于設計人員來說，MBD建模技術最大的優(yōu)點在于可以進行協(xié)同設計，以及和辦公系統(tǒng)集成后的基于生命周期的技術狀態(tài)管理方式，發(fā)揮MBD技術的這兩方面優(yōu)勢將能有效提高產品的設計質量和質量管理水平。

5 MBD技術實施主要內容

MBD技術建模過程中，相對二維AUTOCAD軟件來說，三維建模過程更為復雜和靈活，其模型信息的承載可以通過圖層、模型視圖、特征樹等形式和模型的創(chuàng)建可以通過草圖、特征和自由形狀建模等方法，因此在模型的創(chuàng)建和信息組織方式上更加復雜多樣，為了使設計人員方便地使用三維軟件開展MBD相關工作，或者對MBD模型實現(xiàn)標準規(guī)范的計算機輔助檢查，需要對MBD設計制造軟件進行一些符合企業(yè)使用要求的二次開發(fā)工作。二次開發(fā)的內容一般包括：三維標注輔助工具、材料庫、制造工藝庫、工程圖紙或工藝卡片的標準模板、模型檢查工具、標準件庫、知識庫和快速設計系統(tǒng)等等。

MBD技術是一個系統(tǒng)的技術，需要從軟件基礎環(huán)境、數據庫支撐平臺、網絡信息環(huán)境、信息安全體系等基礎方面進行較大投入和建設，特別是軟件基礎環(huán)境的建設，其中支撐軟件包括CAD、CAPP、PDM等軟件；數字化仿真軟件，如CAE、CFD等等，以及數字化制造軟件、數字化管理軟件等等，MBD技術的實施是對傳統(tǒng)設計方法的根本變革。

6 結論

MBD技術作為設計制造業(yè)未來發(fā)展的趨勢，將為企業(yè)帶來管理和效率上的飛躍。從傳統(tǒng)基于圖紙的設計制造體系向MBD技術體系發(fā)展將是企業(yè)提高競爭力的必要過程，當前許多航空企業(yè)已開始推行MBD技術，在現(xiàn)有大量圖紙數據的基礎上向MBD技術體系過渡都會遇到許多困難，如何平穩(wěn)過渡是MBD技術實施過程中的最大難題，解決好各環(huán)節(jié)中的思維慣性帶來的阻力將會取得事半功倍的效果。

[1] 梅中義. 基于MBD的飛機數字化裝配技術[J]. 航空制造技術.

[2] HB 7756.1-2005. 基于CATIA建模要求[S]. 第1部分:通用要求.

[3] HB 7796-2005. 航空產品數據管理通用要求[S].

[4] HB 7757-2005.飛機數字樣機通用要求[S].

[5] QAVIC 01800-2011基于模型的定義 通用要求[Z].

[6] 基于MBD的三維數字化工藝方案介紹[Z]. 安托公司.