基于MBD的设计工艺检测一体化技术研究与探索

2024年3月1日发(作者：拼音复韵母)

基于MBD的设计工艺检测一体化技术研究与探索

摘要：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、工艺、检测一体化技术得到了广泛应用，基于模型定义(MBD)

的数字化设计制造技术已成为未来研究的一个重点方向。本文围绕MBD技术的产品数字化设计制造方法，通过选取典型产品，开展了基于MBD的设计工艺检测一体化试验验证，最终打通了基于MBD的设计、工艺、检测一体化技术路径。该技术路径的实现能够有效地缩短产品研制周期，改善生产现场工作环境，提高产品质量和生产效率。

关键词：三维模型 MBD

三维数字化工艺

1 引 言

基于模型定义(Model Bad Definition，MBD)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标准性，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是近年来制造行业的研究重点和热点，特别是在航天、航空领域应用比较广泛。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，能够实现设计、仿真、加工、检测等一体化集成，大大提高了加工质量和生产效率。因此，借鉴国内外MBD 技术成功应用经验，开展适合于航天装备产品的数字化设计制造模式对提高装备产品设计制造的精度、可靠性与效率具有重要意义。本文以典型产品为例，主要总结基于MBD技术的产品数字化设计、加工制造与检测一体化技术方法，以期推动传统产品设计模式向数字化设计制造模式的变革。

2 MBD技术应用现状

随着数字化设计与制造技术在制造业的广泛应用，三维数模已经取代二维图纸，成为产品研制的唯一制造依据。在国内的很多复杂工艺产品生产企业，传统的以数字量为主、模拟量为辅的协调工作法开始被全数字量传递的协调工作法代替，并取得了一些阶段性成果。在国内复杂产品制造行业，基本实现了设计三维化，设计端向工艺端发放的只有三维模型、公差、配合关系以及材料等信息。随着三维标注技术的逐步成熟，我国的航天领域部分产品设计阶段应用了MBD技术，设计端向下游发放三维设计模型。但是与国外先进企业相比，我国复杂工艺的MBD应用中还存在以下问题。

（1）标准不统一。目前大部分设计单位根据自身需要分别建立了MBD应用规范，并开始在型号研制中使用，造成制造单位面临要贯彻多个MBD标准（根据型号标准）的困境，难以形成统一的MBD技术体系和应用环境。

（2）MBD数据集的“数字化”程度不高。多数单位的MBD标准仅把原来二维图纸上的信息“照搬”到三维MBD模型中，而没有对这些信息进行必要的“数字化”处理（如对技术条件等离散信息的统一信息编码处理），后续的制造、工艺人员仍然要靠人工理解的方式获取信息，不能很好的支持制造、装配等环节的数字化工作的开展。

（3）支持MBD数字化建模的手段落后。目前，虽然三维设计工具已经在产品设计中使用了多年，但仍以使用工具自身基本功能进行产品设计为主要手段，这既影响了设计效率、也影响了MBD数据集的规范性、稳定性和可靠性。MBD技术对数据的准确性、规范性、完整性提出了非常高的要求，所以对MBD数据集的建立、数据管理、数据使用等环节，仅靠手工操作难以完成，需要配套相应的辅助软件工具，以提高数据的标准规范性，以及后续环节使用的效率。

（4）产品数据管理的范围有待扩展。目前，采用PDM系统基本实现了产品设计信息管理。但是，部分制造信息还一直游离在信息系统的管理范围之外，需要加强对这类后续制造、装配和检测等环节所需数据信息的集成与管理。

3 基于MBD一体化技术路径的验证

根据航天产品特点，选取了某产品零件作为典型件，开展了三维数字化设计、数字化工艺、数字化检测试验验证工作。

3.1基于MBD的数字化设计

MBD数字化模型数据集必须完整准确地表达产品零部件本身的几何属性、工艺属性、质量检测属性以及管理属性等信息，以满足零件设计、制造、检测的要求。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，同时可实现MBD数据集的分类组织管理。而NX PMI完整三维注释环境不仅可以捕捉制造需求和在这些需求与三维模型之间建立关联关系，而且还允许下游应用软件重用数字化数据。对于选取的典型零件，先是利用PMI工具把三维注释直接附在零件模型上，在三维注释与几何体之间建立关联；然后通过MBD主模型进一步进行仿真分析，并将仿真结果反馈给设计人员进行优化设计，如图1、图2所示。

图1 设计模型 图2 模型PMI标注

3.2基于MBD的数字化工艺

针对试验选取的零件结构特征，结合本单位正在实施的TCM系统，编制了三维工艺文件，同时针对该零件的11道工序创建了三维工序模型。采用NX软件中WAVE LINK技术将设计模型链接到工艺规程节点文件，并基于设计模型，利用同步建模、余量偏置开发等命令，采用正向、反向或者两者结合的思路，创建总工序模型。链接总工序模型的不同特征节点至各工序模型，并添加注释、加工等信息，最终形成基于MBD的数字化工艺文件，如图3、图4所示。

图3 三维工序结构 图4 三维工序模型

3.3基于MBD的数字化检测

传统检测手段过程繁杂，检测精度低。随着基于MBD技术的全三维数字化产品的发展，三坐标测量机（CMM）坐标数控测量在产品制造中的应用越加普遍。基于MBD技术的三坐标测量技术可以对比产品的加工误差和理论误差之间的关系，对于分析误差、优化设计加工过程、减少产品不合格率有着重大的意义。对于该零件，利用基于MBD和特征的三坐标测量技术自动获取MBD模型中的检测特征和公差等信息，检测产品几何尺寸性能是否符合设计和使用要求。当零件加工完成后，再利用NX软件和后置处理技术，离线创建零件的检测路径和测量程序，研究出快速生成无碰撞测量程序的有效方法。在实际测量运行前，充分利用仿真功能进行干涉检查并及时修正，最后输出符合要求的检测报告，实现了加工测量一体化，如图5、图6所示。

图5 三坐标测量机模型 图6 三维模型检测仿真

4 结束语

本文简要分析了MBD技术的应用现状，以航天某产品为例，在NX平台下建立了基于MBD的零件数字化模型，并根据仿真分析结果进行优化设计；开展了基于MBD的产品加工工艺和数控编程技术研究，采用基于特征的标准化工艺及数控编程模板技术，有效地提高了加工与编程的效率和质量；采用基于MBD和特征的三坐标测量技术，大大提高了检测效率和精度，最终实现了基于MBD技术的产品设计、加工制造及检测的高度集成和一体化，显著缩短了产品研制周期，提高了产品质量和生产效率。

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作者简介：张科峰，男，1982年9月，汉族，陕西宝鸡，副高级工程师，研究生，信息系统架构设计及开发

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