盧健釗，方 偉，王 東

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036）

1 引言

隨著數(shù)字化技術(shù)的高速發(fā)展，基于模型定義（Model-based Definition，MBD）的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)信息化的發(fā)展趨勢(shì)[1]。MBD最為一種全新的產(chǎn)品數(shù)字化定義方法，它是指產(chǎn)品定義的各類信息按照模型的方式組織，其核心是將產(chǎn)品所有的工藝描述信息、屬性信息、管理信息等都附著在三維模型中，一般情況下不再需要二維圖紙。MBD使三維模型作為產(chǎn)品全生命周期的唯一依據(jù)，改變了傳統(tǒng)以工程圖紙為主，而以三維實(shí)體模型為輔的生產(chǎn)制造方法[2-3]。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面，我所較早地開(kāi)始了三維設(shè)計(jì)應(yīng)用，在三維環(huán)境下進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，通過(guò)二維圖紙發(fā)布生產(chǎn)，形成了目前以二維工程圖紙為主，三維實(shí)體模型為輔的設(shè)計(jì)、工藝、制造模式?，F(xiàn)有工作模式勢(shì)必會(huì)給我所未來(lái)的數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造工作帶來(lái)一系列的不利影響[4-6]：

（1）數(shù)據(jù)的冗余傳遞降低了各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)之間的協(xié)作效率，集成度低，影響了設(shè)計(jì)制造周期；

（2）在轉(zhuǎn)換過(guò)程中容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤、信息失真，造成產(chǎn)品信息的不一致，產(chǎn)品數(shù)據(jù)維護(hù)難度大；

（3）嚴(yán)重抵消了三維設(shè)計(jì)所帶來(lái)的積極作用，阻礙了后續(xù)新技術(shù)、新工藝的開(kāi)展和深入；

（4）缺乏數(shù)據(jù)的統(tǒng)一定義可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)等方面對(duì)產(chǎn)品定義的誤解，進(jìn)而影響最終產(chǎn)品的品質(zhì)。

面對(duì)這些挑戰(zhàn)，有必要實(shí)現(xiàn)MBD設(shè)計(jì)系統(tǒng)的建設(shè)，以三維模型為核心建立唯一的數(shù)據(jù)源，集成完整的產(chǎn)品數(shù)字化定義信息，在后續(xù)的各個(gè)業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)中應(yīng)用，全面推行MBD，向未來(lái)的三維制造、三維工藝和現(xiàn)場(chǎng)可視化、無(wú)紙化應(yīng)用邁進(jìn)。

2 建設(shè)目標(biāo)

根據(jù)前期調(diào)研及應(yīng)用需求分析，在原有的應(yīng)用基礎(chǔ)之上制定了MBD設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用目標(biāo)，建成的MBD數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)符合我所長(zhǎng)期發(fā)展的需要，將大幅提升設(shè)計(jì)指導(dǎo)性，縮短項(xiàng)目研制周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，為我所未來(lái)數(shù)字化設(shè)計(jì)、智能化制造打下基礎(chǔ)。

項(xiàng)目建設(shè)詳細(xì)目標(biāo)如下：

（1）實(shí)現(xiàn)真正的單一數(shù)據(jù)源，保證設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的唯一性，方便數(shù)據(jù)管理。

（2）制定和完善相關(guān)的MBD標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，設(shè)計(jì)人員依據(jù)此規(guī)范建立符合要求的三維數(shù)字化產(chǎn)品，確保上游數(shù)據(jù)能在下游有效使用，上游更改能快速地驅(qū)動(dòng)下游數(shù)據(jù)的更新。

（3）建立基于NX平臺(tái)的MBD設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

*開(kāi)發(fā)MBD設(shè)計(jì)輔助工具集，實(shí)現(xiàn)三維PMI的快速標(biāo)注及有效管理；

*建立基于MBD的材料庫(kù)和標(biāo)準(zhǔn)件等資源庫(kù)，補(bǔ)充完善我所基礎(chǔ)庫(kù)；

*建立模型檢查工具，在提高設(shè)計(jì)效率的基礎(chǔ)上讓標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范落地。

3 MBD設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體規(guī)劃

3.1 MBD設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架

圖1 MBD數(shù)據(jù)的信息流向Fig.1 The Information Flow of MBD Data

針對(duì)我所產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及制造現(xiàn)狀，基于MBD的數(shù)字化設(shè)計(jì)工作主要涉及MBD產(chǎn)品設(shè)計(jì)、MBD工藝標(biāo)注兩大方面。

MBD設(shè)計(jì)系統(tǒng)的建設(shè)將遵循MBD設(shè)計(jì)模式，基于NX軟件平臺(tái)，以MBD標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系為依托，定義產(chǎn)品零件、裝配的MBD設(shè)計(jì)流程，建立基于MBD的材料庫(kù)、標(biāo)準(zhǔn)件等工程知識(shí)庫(kù)及MBD模型檢查工具，構(gòu)建基于MBD的全三維設(shè)計(jì)環(huán)境，有利于提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率，MBD設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體框架，如圖2所示。

圖2 MBD設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體框架Fig.2 The Overall Framework of MBD Design System

將MBD設(shè)計(jì)系統(tǒng)分為三個(gè)層次，如圖3所示。

第一層：工具層

主要針對(duì)在MBD設(shè)計(jì)過(guò)程中NX軟件自身工具功能或?qū)I(yè)工具功能的不足之處，提出的相應(yīng)工具型軟件的開(kāi)發(fā)，如MBD設(shè)計(jì)輔助工具集、MBD工藝輔助工具及MBD模型檢查工具等。

第二層：工程知識(shí)層

主要指在產(chǎn)品全生命周期過(guò)程中各階段所參考、借用的各類工程知識(shí)，大致分為兩類：文檔類和模型類。

第三層：基礎(chǔ)層

主要針對(duì)MBD設(shè)計(jì)模式的數(shù)據(jù)管理和流程管理，保證數(shù)據(jù)集的讀取性和流程的可跟蹤性。

3.2 MBD數(shù)字化設(shè)計(jì)流程

圖3 MBD數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The Diagram of MBD Data Structure

MBD模型數(shù)據(jù)包括：設(shè)計(jì)模型、標(biāo)注、屬性，其中標(biāo)注是不需要進(jìn)行查詢等操作即可見(jiàn)的各種尺寸、公差、文本、符號(hào)等注釋內(nèi)容；而屬性則是為了完整地定義產(chǎn)品模型所需的名稱、設(shè)計(jì)者、版本號(hào)等信息，這些信息可通過(guò)查詢模型獲取?？紤]到零件與裝配的MBD模型數(shù)據(jù)集有所差異，分別從零件MBD、裝配MBD出發(fā)，提出了相應(yīng)的數(shù)字化設(shè)計(jì)流程。

3.2.1 零件MBD數(shù)字化設(shè)計(jì)流程

圖4 零件MBD數(shù)字化設(shè)計(jì)流程圖Fig.4 The MBD Digital Design Process of Parts

結(jié)合實(shí)際工作需要，將零件MBD的數(shù)字化設(shè)計(jì)流程需要分為4個(gè)部分：

（1）MBD產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)境要求

在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)前，必須安裝MBD產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境。MBD環(huán)境設(shè)置基于原建模標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境，增加三維標(biāo)注、注釋等缺省項(xiàng)的設(shè)置。

（2）MBD模型創(chuàng)建

創(chuàng)建過(guò)程相當(dāng)于原設(shè)計(jì)模式下三維模型的建立，其創(chuàng)建過(guò)程須遵循相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

（3）MBD模型PMI信息

通過(guò)PMI工具集，基于三維幾何模型，創(chuàng)建模型視圖、三維標(biāo)注、注釋和屬性等信息。

（4）工程圖設(shè)計(jì)

在項(xiàng)目過(guò)渡階段，數(shù)據(jù)傳遞有必要提供MBD設(shè)計(jì)模型和二維工程圖的雙數(shù)據(jù)格式?；贛BD設(shè)計(jì)模型，將其PMI信息隨模型視圖投影并做適當(dāng)調(diào)整可快速生成二維工程圖。

3.2.2 裝配MBD數(shù)字化設(shè)計(jì)流程

裝配MBD模型的數(shù)字化設(shè)計(jì)流程同樣分為4個(gè)階段，與零件的設(shè)計(jì)模式大致相同，只是在模型創(chuàng)建過(guò)程中是通過(guò)約束確定各零部件之間的連接關(guān)系。與此同時(shí)，在模型PMI信息的表達(dá)上目前主要有2種形式，一種是保留二維工程圖中的明細(xì)欄和件號(hào)，并將其表達(dá)在三維環(huán)境下，這種形式保留了原有的設(shè)計(jì)習(xí)慣；另一種則是去掉原有的明細(xì)欄、件號(hào)等信息，結(jié)合裝配導(dǎo)航器中的BOM結(jié)構(gòu)樹(shù)，通過(guò)高亮顯示等手段實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)的三維表達(dá)，這種形式簡(jiǎn)易直觀，但勢(shì)必會(huì)改變?cè)械难b配工藝編制模式。

4 詳細(xì)解決方案

4.1 制定MBD設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系

MBD標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范體系是MBD應(yīng)用的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字化產(chǎn)品定義的前提，是形成三維數(shù)字化技術(shù)體系的有力保障。它的建立將確保設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的規(guī)范性以確保上游數(shù)據(jù)能在下游有效使用，上游更改能快速地驅(qū)動(dòng)下游數(shù)據(jù)的更新。設(shè)計(jì)人員必須依據(jù)MBD標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范體系，建立符合要求的三維數(shù)字化產(chǎn)品，建立起滿足要求的三維數(shù)字化樣機(jī)。

MBD產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的規(guī)范性指導(dǎo)文件，需對(duì)MBD相關(guān)的設(shè)計(jì)模型、三維標(biāo)注、工序模型、工藝標(biāo)注、模型檢查等方面進(jìn)行詳細(xì)明確的規(guī)范要求，如圖5所示。

圖5 MBD設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系Fig.5 The Standards&Specifications System of MBD Design

4.2 MBD設(shè)計(jì)環(huán)境的集成開(kāi)發(fā)

4.2.1 MBD設(shè)計(jì)環(huán)境初始化

MBD標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境設(shè)置是MBD設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。針對(duì)設(shè)計(jì)環(huán)境不統(tǒng)一、版本更新不及時(shí)、有標(biāo)準(zhǔn)不執(zhí)行及如何遵循標(biāo)準(zhǔn)等方面的問(wèn)題，有必要進(jìn)行MBD設(shè)計(jì)環(huán)境初始化的開(kāi)發(fā)以提供程序化的集成管理。

MBD設(shè)計(jì)環(huán)境初始化，就是調(diào)用開(kāi)發(fā)好的標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境包。標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境包主要包含三方面內(nèi)容，一是NX環(huán)境默認(rèn)設(shè)置，生成*.dpv文件；二是各類三維、二維模板；三是依據(jù)設(shè)計(jì)流程，對(duì)工具條菜單重新組織而形成的*.mtx文件[7]。

采用C/S架構(gòu)方式，將設(shè)置好的標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境文件置于服務(wù)器，通過(guò)選取命令將服務(wù)器上的文件直接加載至客戶端，保證了MBD設(shè)計(jì)環(huán)境的統(tǒng)一性和標(biāo)準(zhǔn)性。在標(biāo)準(zhǔn)更新的情況下，會(huì)自動(dòng)提示客戶端用戶，完成標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境的升級(jí)。

4.2.2 MBD設(shè)計(jì)輔助工具集

為了實(shí)現(xiàn)MBD模型數(shù)據(jù)在三維空間的有效表達(dá)及應(yīng)用，需要通過(guò)有效的工具按照一定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范組織管理和描述。MBD設(shè)計(jì)輔助工具集通過(guò)開(kāi)發(fā)提供關(guān)于三維產(chǎn)品制造信息的標(biāo)注、管理、查詢、導(dǎo)出等一系列功能，輔助工程技術(shù)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中方便快捷地完成MBD模型的設(shè)計(jì)，如圖6所示。

圖6 MBD設(shè)計(jì)輔助工具集示意圖Fig.6 The Diagram of Assistant Toolset for MBD Design

MBD設(shè)計(jì)輔助工具集的特點(diǎn)：

（1）通過(guò)模板定義MBD設(shè)計(jì)規(guī)范，使標(biāo)注符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；

（2）數(shù)據(jù)采用配置形式，既可與PDM無(wú)縫集成，也可通過(guò)服務(wù)器客戶端部署；

（3）通過(guò)組、模型視圖、層等方法對(duì)PMI信息進(jìn)行組織和管理；

（4）系統(tǒng)提供基于MBD技術(shù)的標(biāo)注功能，包括尺寸公差、形位公差、編號(hào)注釋、技術(shù)要求、自由公差等功能。公差、技術(shù)要求等通過(guò)圖形化界面顯示，方便設(shè)計(jì)人員查詢使用。

4.2.3 材料庫(kù)

材料庫(kù)基于我所常用金屬和非金屬材料優(yōu)選清單，涵蓋各種材料的物理性能、化學(xué)性能及力學(xué)性能等信息，如材料名稱、材料牌號(hào)、材料品種、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、供應(yīng)狀態(tài)、規(guī)格、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、熱處理狀態(tài)、導(dǎo)熱系數(shù)、密度、彈性模量、剪切模量、泊松比等多種材料屬性，并可直接賦予給NX部件屬性。

材料庫(kù)的系統(tǒng)特點(diǎn)，如圖7所示。

*便捷地查詢材料庫(kù)中的材料信息，可賦予給NX部件屬性；

*材料庫(kù)數(shù)據(jù)統(tǒng)一，管理方便；

*材料信息能被下游的工藝、仿真、加工編程等業(yè)務(wù)流程重用。

圖7 材料庫(kù)示意圖Fig.7 The Diagram of Material Library

4.3 MBD模型檢查工具

MBD模型檢查工具將根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和個(gè)性化需求定制驗(yàn)證規(guī)則，通過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)文件中存在的問(wèn)題，幫助設(shè)計(jì)師提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。NX提供了NXCheck-Mate功能，但只是一個(gè)框架，有必要在NXCheck-Mate功能基礎(chǔ)上通過(guò)定制明確所需的各類檢查項(xiàng)及相應(yīng)的錯(cuò)誤級(jí)別，進(jìn)而使模型檢查工具得到推廣應(yīng)用。

MBD模型檢查工具通過(guò)與NX Check-Mate的無(wú)縫集成，可實(shí)現(xiàn)單個(gè)文件的交互式檢查和多個(gè)文件的批處理檢查。檢查結(jié)果可以通過(guò)可視化3D的方式輸出，同時(shí)可提供多樣式檢查報(bào)告。錯(cuò)誤結(jié)果描述通過(guò)ID與模型特征進(jìn)行關(guān)聯(lián)，點(diǎn)擊錯(cuò)誤描述行可實(shí)現(xiàn)模型相關(guān)錯(cuò)誤特征的高亮顯示。在檢查出錯(cuò)誤后，會(huì)按照對(duì)設(shè)計(jì)的影響程度，將模型檢查項(xiàng)的錯(cuò)誤級(jí)別分為3級(jí)（1級(jí)：嚴(yán)重錯(cuò)誤；2級(jí)：一般錯(cuò)誤；3級(jí)：輕微錯(cuò)誤），同時(shí)會(huì)用不同符號(hào)進(jìn)行錯(cuò)誤等級(jí)顯示，并提供快速修改錯(cuò)誤功能。MBD模型檢查工具主要包括通用檢查、模型檢查、裝配檢查、PMI檢查、草圖檢查及工程圖檢查，其中工程圖檢查主要用于項(xiàng)目過(guò)渡階段。

4.4 MBD工藝標(biāo)注

4.4.1 工序模型創(chuàng)建

基于NX軟件平臺(tái)，工藝設(shè)計(jì)人員可通過(guò)WAVE幾何鏈接器、同步建模等技術(shù)途徑實(shí)現(xiàn)工序模型的制作。NX WAVE幾何鏈接器可保持設(shè)計(jì)模型與工序模型、工序模型與工序模型之間的繼承關(guān)系。使用NX同步建模技術(shù)進(jìn)行工藝模型設(shè)計(jì)，可直接對(duì)幾何模型進(jìn)行操作并且可繼承設(shè)計(jì)模型的三維標(biāo)注信息。

4.4.2 條框式工藝標(biāo)注

為了形象化地表達(dá)機(jī)加工藝信息，結(jié)合相關(guān)研究思路[8-10]，試圖在三維模型上采用條框式的標(biāo)注符號(hào)來(lái)表達(dá)機(jī)械加工工藝信息的相關(guān)內(nèi)容。通過(guò)建立常用機(jī)械加工工藝方法圖形符號(hào)和機(jī)械加工刀具的圖形符號(hào)，實(shí)現(xiàn)條框式的工藝標(biāo)注，如圖8所示。

圖8 三維機(jī)加工藝信息標(biāo)注Fig.8 The Annotation of Three-Dimensional Machining Process Information

5 結(jié)語(yǔ)

基于我所現(xiàn)狀，依據(jù)MBD系統(tǒng)建設(shè)總體思路規(guī)劃，從MBD數(shù)字化設(shè)計(jì)流程、MBD設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系的建立、NX設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)的集成開(kāi)發(fā)、模型檢查工具及MBD工藝標(biāo)注等方面提出了較為詳細(xì)的建設(shè)思路。通過(guò)制定MBD設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系及MBD設(shè)計(jì)環(huán)境的集成開(kāi)發(fā)，可以用集成的三維模型來(lái)完整表達(dá)產(chǎn)品定義信息，實(shí)現(xiàn)真正的單一數(shù)據(jù)源，保證設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的唯一性。全面推廣MBD設(shè)計(jì)理念、大力推進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用，有助于MBD數(shù)字化設(shè)計(jì)和智能化制造的早日實(shí)現(xiàn)。