基于模型定義（Model-Based Definition,MBD）技術是一種采用全三維實體模型的方式來完整表達產(chǎn)品定義信息的技術，它將與三維實體模型相關的產(chǎn)品尺寸、公差、基準、表面粗糙度等詳細信息統(tǒng)一定義于三維實體模型中，以三維實體模型作為數(shù)據(jù)交流和傳遞的載體，完全摒棄了傳統(tǒng)結構設計過程中以二維CAD圖紙來表達實體模型的方式，從而使得整個產(chǎn)品生命周期內的數(shù)據(jù)唯一性得到保證。消除了數(shù)據(jù)傳遞過程中產(chǎn)生的歧義，大大提高了產(chǎn)品設計的效率。

- 文章信息 -

本文作者：閔青、張震威，倫茨(上海)傳動系統(tǒng)有限公司。由e-works旗下「PLM之神」原創(chuàng)首發(fā)。

01前言

MBD技術自2003年7月被正式批準為美國國家標準后，達索、西門子和PTC等公司便相繼將該項標準應用到自己的商用化三維CAD系統(tǒng)中，支持基于MBD技術的產(chǎn)品設計。

以PTC公司的Creo為例，其通過三維注釋來實現(xiàn)PMI信息在模型中的標注，詳見圖1。

圖1 PMI信息標注

自從波音公司將MBD技術首次應用到波音787項目的產(chǎn)品設計中以來，國內的航空企業(yè)也逐漸開始學習MBD技術并嘗試將其應用到實際的產(chǎn)品設計中，并取得了極大的進展。然而國內部分航空企業(yè)發(fā)現(xiàn)，雖然MBD技術在航空企業(yè)中應用范圍已非常廣泛，但是MBD技術依然僅僅停留在產(chǎn)品的設計過程中。也就是說，基于MBD技術的三維實體模型已逐漸取代了用二維CAD圖紙來表達實體模型。但是航空企業(yè)的工藝設計環(huán)節(jié)依然是采用二維CAPP系統(tǒng)的方式進行，所發(fā)布的工藝文件還是二維卡片的形式，工藝過程卡片和工序卡片相分離。

另外，數(shù)控加工技術已經(jīng)在制造企業(yè)得到了大范圍應用和普及，NC程序的編制也是針對三維實體模型進行的。從而產(chǎn)生了一個嚴重影響工藝設計效率的問題，即國內航空制造企業(yè)的產(chǎn)品制造模式：采用基于MBD技術的產(chǎn)品設計，然后根據(jù)MBD設計模型，采用二維CAPP系統(tǒng)進行工藝規(guī)劃，工藝設計完成后發(fā)布二維工藝卡片，再在三維實體模型上進行數(shù)控編程?？梢奀AD/CAPP/CAM三者脫節(jié)、互相獨立。MBD技術沒有貫穿于產(chǎn)品零件的整個生命周期中，產(chǎn)品數(shù)據(jù)從三維到二維再到三維進行傳遞，難免會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失等問題，并且以這樣的模式進行產(chǎn)品設計和制造，生產(chǎn)效率大大降低，產(chǎn)品質量更是難以得到保證。因此從實踐角度來看，MBD技術不應僅僅只是停留在產(chǎn)品的結構設計環(huán)節(jié)，更需要將MBD技術貫穿于產(chǎn)品的整個生命周期中，即將MBD技術應用到工藝設計、工裝設計、數(shù)控編程和仿真驗證等等環(huán)節(jié)中。打通CAD/CAPP/CAM之間的壁壘，使得產(chǎn)品數(shù)據(jù)在傳遞過程中保證唯一性且能向下繼承。真正實現(xiàn)產(chǎn)品設計單一數(shù)據(jù)源傳遞的目的。

02MBD應用場景

零件MBD設計模型的組織定義如下圖2所示。零件MBD設計模型由三部分組成，即設計模型屬性、幾何元素構成的實體模型和文字表達的注釋信息。三維實體模型則以全三維的方式定義了產(chǎn)品的幾何形狀信息，包括特征的拓撲結構信息等；設計模型屬性數(shù)據(jù)則描述了產(chǎn)品的原材料規(guī)范、產(chǎn)品型號、產(chǎn)品名稱、分析數(shù)據(jù)等產(chǎn)品內置信息；而文字注釋則表達了零件實體模型的幾何尺寸與公差（尺寸公差、形狀公差和位置公差）、基準、表面粗糙度和精度要求等加工必須的工藝屬性信息。

圖2 零件MBD設計模型組織結構

1.1設計MBD信息

在產(chǎn)品研發(fā)、設計和制造整個的過程當中，二維工程圖是產(chǎn)品制造信息最基礎的表達方式，在每個環(huán)節(jié)，產(chǎn)品設計師和技術工作人員都要來提煉工程圖紙中的產(chǎn)品制造信息，把自己對產(chǎn)品設計獨到的見解與其他人員進行分享。但是目前企業(yè)存在一種影響產(chǎn)品制造加工的不好現(xiàn)象：那就是設計人員完成了產(chǎn)品設計之后，生產(chǎn)部門需要根據(jù)設計的二維圖紙來獲取產(chǎn)品加工的重要信息。在這個過程中，生產(chǎn)部門的工程師們不但需要對圖紙中的尺寸、公差、精度要求等制造信息去理解和消化，而且同時還要在自己的腦子里想像出需要加工的模型形狀，或是將三維模型與二維工程圖紙進行比對來了解產(chǎn)品加工的技術特點。無論是采用哪種方式，都會花費工程師大量的時間，從而降低了工作效率。然而若將二維工程圖中所具備的信息以三維方式展現(xiàn)，則將更為直觀，以圖3為例。

圖3 設計PMI信息

因此PMI標注技術能高效地處理這個難題，產(chǎn)品設計師可以將產(chǎn)品制造信息直接在三維模型上進行標注、體現(xiàn)，提高了生產(chǎn)過程中三維模型生產(chǎn)制造信息的準確性、易理解性。工程師們能更全面、清晰地解讀出產(chǎn)品制造的相關信息，切實提高了工作效率，保證了產(chǎn)品的加工質量。PMI信息標注是將產(chǎn)品制造信息直接標注在三維模型表面或剖面上，使設計師的產(chǎn)品設計意圖表達的更加直觀、清晰。但是三維標注并不是硬生生地將二維工程圖中的信息標注到三維模型上，而是要遵循三維模型標注的基本原則，規(guī)范三維標注方法，其基本原則表現(xiàn)在以下四個方面：

1.規(guī)范性與一致性原則。

在三維模型的創(chuàng)建過程中，三維模型必須由基本尺寸生成，必須遵循相應的建模規(guī)范，確保三維模型信息正確性與有效性。當模型視圖、幾何圖形集和特征等要素在三維模型標注中出現(xiàn)時，應具備自己獨有的名稱，并按照一致性的原則進行命名，保證符合標準的規(guī)定。

2.信息完整性原則。

三維模型標注的PMI信息應多于二維工程圖紙表達的產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息量。完備的模型設計細節(jié)要在三維模型中體現(xiàn)，為了能夠使產(chǎn)品結構以及各部分之間的相互關系完整、清晰且準確地表達出來，一定要保證視圖、剖切面放大和標注盡量少的出現(xiàn)。

3.關聯(lián)性原則。

使標注內容與幾何特征之間的關聯(lián)關系體現(xiàn)出來完整性和無歧義性。

4.面向使用人員的定義原則。

對于模型的標注信息能夠便捷的讀取出來，提高其可讀性，使用者更加容易的理解產(chǎn)品制造信息。

目前，人們所熟悉的表達一個產(chǎn)品的制造信息方式就是通過二維圖紙來表達出產(chǎn)品制造信息。雖然我們能夠從二維圖紙中獲取有助于我們分析產(chǎn)品制造信息的一些標準符號，但是，當零件模型需要表達出多種數(shù)據(jù)信息時，難免會出現(xiàn)一些差別，如果這樣就會致使產(chǎn)品制造成本的增加。如果犯了這些與產(chǎn)品制造有關的錯誤，那么它就會導致產(chǎn)品質量不合格等一系列問題。因此，PMI信息的價值就體現(xiàn)出來，它能夠在三維模型上清晰、準確的反映出產(chǎn)品制造信息，節(jié)約生產(chǎn)制造成本。

經(jīng)常使用二維工程圖紙來向生產(chǎn)部門傳遞生產(chǎn)技術要求，很容易使產(chǎn)品開發(fā)周期的負擔更加的重大。通過PMI技術，用三維模型來表達所有的產(chǎn)品制造信息，工程師們不再依賴二維工程圖紙就能理解設計師的產(chǎn)品設計理念。

PMI技術提供了以下利益：

1.將設計意圖與三維模型之間構建一種關聯(lián)關系，并使它與模型建立關聯(lián)，不再需要根據(jù)二維信息來推導和解釋設計意圖。

2.使不完整或不準確的制造信息導致的產(chǎn)品質量問題大大的減少了。

3.在每個地方重復使用這些PMI信息，可以提高了企業(yè)生產(chǎn)制造的效率。

4.設計師不必再等待二維工程圖就能向生產(chǎn)部門傳達產(chǎn)品的設計意圖與要求。

PMI技術能夠使二維圖紙上的產(chǎn)品制造信息以更加獨特的方式在三維模型中顯示，企業(yè)很大程度上在產(chǎn)品研制過程中提高了生產(chǎn)力、產(chǎn)品質量以及工作效率，體會到了PMI技術帶來的價值。

1.2工藝MBD信息

1.2.1三維工藝模型的幾何信息

1.工藝模型的幾何實體

三維工藝模型中的幾何實體是指在三維數(shù)字化環(huán)境下定義的產(chǎn)品制造幾何特征實體。這部分幾何實體以制造特征為幾何單元，可概括為外形幾何實體和邊界幾何實體。外形幾何實體表現(xiàn)了產(chǎn)品的輪廓特征，邊界幾何實體則表達了組件間的連接過渡特征，幾何實體通常還定義了產(chǎn)品所須的上下公差。幾何實體的建立必須與實際加工過程相吻合，并要充分考慮到當前兒何實體對后續(xù)生產(chǎn)加工的數(shù)據(jù)繼承、傳遞、應用所具備的便利性。

2.工藝模型的坐標和基準信息

工藝模型的坐標系統(tǒng)一般分為全局坐標系、局部坐標系和輔助坐標系。全局坐標系用來確定模型的真實空間位置；局部坐標系用來確定模型相對某一特定點的空間位置；輔助坐標系用來定義模型以外安裝件的相對空間位置。工藝模型的基準系統(tǒng)主要包括定位基準、工序基準、測量基準和裝配基準。工藝模型的坐標和基準系統(tǒng)是產(chǎn)品數(shù)字化定義及后續(xù)工裝設計、產(chǎn)品裝配、檢驗過程的主要參考數(shù)據(jù)。

3.工藝模型的參考模型信息

工藝模型是在繼承設計模型信息的基礎上轉化創(chuàng)建的。設計模型和工藝模型間信息的集成是通過中間參考模型的轉化來實現(xiàn)的，也就是利用標準化定義的模型，實現(xiàn)不同系統(tǒng)平臺間數(shù)據(jù)信息的傳遞，諸如Step、Iges等標準生成的產(chǎn)品參考模型可實現(xiàn)信息的傳遞和集成功能。但需要特別注意的是，通過標準轉換模型來傳遞數(shù)據(jù)時，可能存在一定的風險，需要進行檢查和修正。

4.工藝模型的建模中間狀態(tài)信息

建模的中間狀態(tài)信息即為多態(tài)工序模型信息，工藝模型就是多態(tài)工序模型順序演變的集合，工序模型的存在有助于工序信息的有序表達和設計過程的復現(xiàn)，同時中間狀態(tài)工序模型能夠成為下游工藝設計階段的基準，保證數(shù)據(jù)信息的有效傳遞和表達。

1.2.2三維工藝模型中的非幾何信息

1.工藝模型的特征設計信息

特征設計信息指創(chuàng)建中間工序模型過程中涉及的設計尺寸信息、基準信息、公差信息、粗糙度信息等。設計類信息一般是從產(chǎn)品設計模型中繼承而來，是工藝特征建模過程的信息依據(jù)。

2.工藝模型的制造工藝類信息

工藝模型的制造工藝信息是指產(chǎn)品在實際生產(chǎn)加工過程中所涉及的信息集合，包括加工方式、機床、裝夾設備、刀具、加工參數(shù)、切削液等信息。制造工藝信息的合理選取是工藝過程規(guī)劃設計的主要內容，工藝信息的可視化表達也是三維工藝技術研究的重點之一。

3.工藝模型的屬性信息

工藝模型的屬性信息包括模型說明類信息（名稱、代號、質量、描述等）、模型管理類信息（版本、版次、狀態(tài)、有效性等）、批準發(fā)放類信息、制造技術要求等信息。屬性信息是對工藝模型各類屬性的綜合性描述，能對工藝設計和改進過程的有效信息進行及時的跟蹤和控制，可以有效保證產(chǎn)品數(shù)據(jù)的一致性、完整性和可追溯性。

1.2.3 MBD的數(shù)控加工工藝設計流程

基于MBD的數(shù)控加工工藝設計系統(tǒng)在傳統(tǒng)二維CAPP系統(tǒng)的基礎上，做出了較大的改進，其主要表現(xiàn)在摒棄了利用二維圖紙作為數(shù)據(jù)傳遞和交流的方式，而是將三維實體模型作為唯一的數(shù)據(jù)源。從結構設計、工藝設計、數(shù)控編程以及到后續(xù)的仿真、產(chǎn)品制造和質量檢驗環(huán)節(jié)，三維實體模型均貫穿于產(chǎn)品的始終。這得益于三維實體模型上所依附的信息，基于模型定義技術就是將產(chǎn)品的設計信息、工藝屬性信息、加工信息等詳細標注于模型上，便于查看和交流。CAD構設計人員設計好MBD型后，不再同以往一樣生成紙質的CAD圖紙，而是直接將MBD設計模型傳遞到工藝設計人員那里，工藝設計人員從三維實體模型上提取相關的特征信息、公差、基準、表面粗糙度、技術要求等注釋信息后進行下一步的工藝設計，并集成各種機床庫、刀具庫、工裝庫、切削參數(shù)庫后進行工步、工序編制。一方面發(fā)布電子版的工藝過程文件，另一方面逆向生成每一道工序MBD模型，并且將工序號和工序模型相對應起來，大大突破了傳統(tǒng)二維CAPP系統(tǒng)中工序卡片和工序簡圖相脫節(jié)的問題，同時發(fā)布的電子版工藝文件依然可以用MBD模型進行表達和管理，下游的CNC數(shù)控編程環(huán)節(jié)集成CAPP工藝設計中的信息，并且直接利用工藝設計中生成的工序MBD模型進行數(shù)控編程。因此可以看出，基于MBD的數(shù)控加工工藝設計系統(tǒng)的設計流程完全依托三維CAD模型，將MBD設計模型作為唯一的數(shù)據(jù)源進行傳遞，打破了CAD/CAPP/CAM之間的“壁壘”，實現(xiàn)了三者之間的無縫集成，同時下游的生產(chǎn)制造和質量檢驗等環(huán)節(jié)也逐步繼承了上游的數(shù)據(jù)，使得數(shù)據(jù)的傳遞變得異常方便和直觀。詳細流程見下圖4所示。

圖4 MBD的數(shù)控加工工藝設計流程

因此基于以上分析傳統(tǒng)二維CAPP工藝設計系統(tǒng)和基于MBD的工藝設計系統(tǒng)，不難看出，基于MBD工藝的設計系統(tǒng)具有智能化水平高、工藝編制直觀且速度快、出錯率低及工藝知識繼承性好等優(yōu)點。基于MBD的數(shù)控加工工藝設計系統(tǒng)主要解決以下的幾大基本問題：

1.統(tǒng)一數(shù)據(jù)源快速工藝設計

以MBD三維設計模型做為數(shù)字化傳遞的唯一數(shù)據(jù)來源，能有效提取三維模型中的各類三維標注信息，快速地設計出三維數(shù)模的加工工藝信息，并在該模式下實現(xiàn)輸出的工藝文件能無縫集成到下游CAM系統(tǒng)中且直接應用到生產(chǎn)制造工藝現(xiàn)場中。

2.全三維模型的工藝設計

工藝設計完全在全三維模型環(huán)境下進行，從而保證工藝設計的直觀性和可視化；在工藝設計過程中的工藝數(shù)據(jù)同樣采用三維化的方式進行傳遞和表達，從而保證工藝執(zhí)行過程的高效性和可理解性。

3.工序MBD模型逆向生成

基于MBD的數(shù)控加工工藝設計系統(tǒng)中，三維工序模型的生成是其中關鍵技術之一，工序模型中不僅保留了設計模型的基本設計信息，還包含了本道工序相關的工藝屬性信息，并且工序模型和工藝過程的關聯(lián)同樣也提高了工藝設計的表現(xiàn)能力，為后續(xù)的數(shù)控編程設計提供了數(shù)據(jù)來源。

4.工藝文件有效管理

工藝設計過程中會生成一系列的工序MBD模型，并且是每一道工序對應著一個工序模型，并且使得工序模型和工藝文件的動態(tài)關聯(lián)，有效的管理這些工藝文件，能夠大大方便工藝人員之間的交流，也便于下游數(shù)控編程環(huán)節(jié)的查看。

5.工藝可視化

二維CAPP工藝設計系統(tǒng)發(fā)布的工藝文件是以二維表格的方式來呈現(xiàn)的，這在一定程度上并不便于工藝信息的查看，基于MBD的工藝設計系統(tǒng)由于完全依托三維模型進行表達，因此工藝發(fā)布時同樣在軟件平臺上進行發(fā)布，通過電子文檔和三維工序模型相結合的方式來達到工藝可視化的目的，更直觀形象地表達每一道工序內容和加工特征。

03結論

隨著計算機信息技術的高速發(fā)展，生產(chǎn)制造業(yè)也隨之突飛猛進，CAD/CAM技術得到了快速的進步和廣泛應用。雖然CAPP的研究和應用開始的時間比較早，但是相對于CAD/CAM來說，CAPP技術卻是遠遠滯后于后者，對制造業(yè)進一步的信息化發(fā)展起到了嚴重的阻礙作用，繼而成為制約制造企業(yè)進一步發(fā)展的瓶頸。

相對于傳統(tǒng)的CAPP系統(tǒng)，基于MBD技術的三維CAPP系統(tǒng)得到高度重視和關注，成為CAPP系統(tǒng)研究與發(fā)展的重要方向。從MBD所展現(xiàn)的能力及收益來看，未來一定會有越來越多的制造業(yè)企業(yè)著手深入應用。

審核編輯：湯梓紅