基于MBD的設計工藝檢測一體化技術研究與探索

2024年3月1日發(作者：拼音復韻母)

基于MBD的設計工藝檢測一體化技術研究與探索

摘要：隨著國內外大型裝備制造企業數字化技術的迅速發展，三維數字化設計、工藝、檢測一體化技術得到了廣泛應用，基于模型定義(MBD)

的數字化設計制造技術已成為未來研究的一個重點方向。本文圍繞MBD技術的產品數字化設計制造方法，通過選取典型產品，開展了基于MBD的設計工藝檢測一體化試驗驗證，最終打通了基于MBD的設計、工藝、檢測一體化技術路徑。該技術路徑的實現能夠有效地縮短產品研制周期，改善生產現場工作環境，提高產品質量和生產效率。

關鍵詞：三維模型 MBD

三維數字化工藝

1 引 言

基于模型定義(Model Bad Definition，MBD)是規范產品數字化定義的信息，實現產品數字化定義信息的完整性和標準性，其核心和基礎是產品的數字化定義技術，即用三維數字化定義工具（CAD系統平臺）定義出能夠為下游各應用環節所使用的準確、完整、規范和有效的產品信息。因此，MBD技術是實現數字化產品定義的手段，也是實現產品研制體系轉變的技術基礎。

MBD是近年來制造行業的研究重點和熱點，特別是在航天、航空領域應用比較廣泛。MBD是用全三維數字化模型來完整表達產品設計和制造信息，能夠實現設計、仿真、加工、檢測等一體化集成，大大提高了加工質量和生產效率。因此，借鑒國內外MBD 技術成功應用經驗，開展適合于航天裝備產品的數字化設計制造模式對提高裝備產品設計制造的精度、可靠性與效率具有重要意義。本文以典型產品為例，主要總結基于MBD技術的產品數字化設計、加工制造與檢測一體化技術方法，以期推動傳統產品設計模式向數字化設計制造模式的變革。

2 MBD技術應用現狀

隨著數字化設計與制造技術在制造業的廣泛應用，三維數模已經取代二維圖紙，成為產品研制的唯一制造依據。在國內的很多復雜工藝產品生產企業，傳統的以數字量為主、模擬量為輔的協調工作法開始被全數字量傳遞的協調工作法代替，并取得了一些階段性成果。在國內復雜產品制造行業，基本實現了設計三維化，設計端向工藝端發放的只有三維模型、公差、配合關系以及材料等信息。隨著三維標注技術的逐步成熟，我國的航天領域部分產品設計階段應用了MBD技術，設計端向下游發放三維設計模型。但是與國外先進企業相比，我國復雜工藝的MBD應用中還存在以下問題。

（1）標準不統一。目前大部分設計單位根據自身需要分別建立了MBD應用規范，并開始在型號研制中使用，造成制造單位面臨要貫徹多個MBD標準（根據型號標準）的困境，難以形成統一的MBD技術體系和應用環境。

（2）MBD數據集的“數字化”程度不高。多數單位的MBD標準僅把原來二維圖紙上的信息“照搬”到三維MBD模型中，而沒有對這些信息進行必要的“數字化”處理（如對技術條件等離散信息的統一信息編碼處理），后續的制造、工藝人員仍然要靠人工理解的方式獲取信息，不能很好的支持制造、裝配等環節的數字化工作的開展。

（3）支持MBD數字化建模的手段落后。目前，雖然三維設計工具已經在產品設計中使用了多年，但仍以使用工具自身基本功能進行產品設計為主要手段，這既影響了設計效率、也影響了MBD數據集的規范性、穩定性和可靠性。MBD技術對數據的準確性、規范性、完整性提出了非常高的要求，所以對MBD數據集的建立、數據管理、數據使用等環節，僅靠手工操作難以完成，需要配套相應的輔助軟件工具，以提高數據的標準規范性，以及后續環節使用的效率。

（4）產品數據管理的范圍有待擴展。目前，采用PDM系統基本實現了產品設計信息管理。但是，部分制造信息還一直游離在信息系統的管理范圍之外，需要加強對這類后續制造、裝配和檢測等環節所需數據信息的集成與管理。

3 基于MBD一體化技術路徑的驗證

根據航天產品特點，選取了某產品零件作為典型件，開展了三維數字化設計、數字化工藝、數字化檢測試驗驗證工作。

3.1基于MBD的數字化設計

MBD數字化模型數據集必須完整準確地表達產品零部件本身的幾何屬性、工藝屬性、質量檢測屬性以及管理屬性等信息，以滿足零件設計、制造、檢測的要求。NX軟件提供了產品與制造信息（PMI）功能模塊，使用戶能夠根據MBD標準完成三維數字化產品定義，同時可實現MBD數據集的分類組織管理。而NX PMI完整三維注釋環境不僅可以捕捉制造需求和在這些需求與三維模型之間建立關聯關系，而且還允許下游應用軟件重用數字化數據。對于選取的典型零件，先是利用PMI工具把三維注釋直接附在零件模型上，在三維注釋與幾何體之間建立關聯；然后通過MBD主模型進一步進行仿真分析，并將仿真結果反饋給設計人員進行優化設計，如圖1、圖2所示。

圖1 設計模型 圖2 模型PMI標注

3.2基于MBD的數字化工藝

針對試驗選取的零件結構特征，結合本單位正在實施的TCM系統，編制了三維工藝文件，同時針對該零件的11道工序創建了三維工序模型。采用NX軟件中WAVE LINK技術將設計模型鏈接到工藝規程節點文件，并基于設計模型，利用同步建模、余量偏置開發等命令，采用正向、反向或者兩者結合的思路，創建總工序模型。鏈接總工序模型的不同特征節點至各工序模型，并添加注釋、加工等信息，最終形成基于MBD的數字化工藝文件，如圖3、圖4所示。

圖3 三維工序結構 圖4 三維工序模型

3.3基于MBD的數字化檢測

傳統檢測手段過程繁雜，檢測精度低。隨著基于MBD技術的全三維數字化產品的發展，三坐標測量機（CMM）坐標數控測量在產品制造中的應用越加普遍。基于MBD技術的三坐標測量技術可以對比產品的加工誤差和理論誤差之間的關系，對于分析誤差、優化設計加工過程、減少產品不合格率有著重大的意義。對于該零件，利用基于MBD和特征的三坐標測量技術自動獲取MBD模型中的檢測特征和公差等信息，檢測產品幾何尺寸性能是否符合設計和使用要求。當零件加工完成后，再利用NX軟件和后置處理技術，離線創建零件的檢測路徑和測量程序，研究出快速生成無碰撞測量程序的有效方法。在實際測量運行前，充分利用仿真功能進行干涉檢查并及時修正，最后輸出符合要求的檢測報告，實現了加工測量一體化，如圖5、圖6所示。

圖5 三坐標測量機模型 圖6 三維模型檢測仿真

4 結束語

本文簡要分析了MBD技術的應用現狀，以航天某產品為例，在NX平臺下建立了基于MBD的零件數字化模型，并根據仿真分析結果進行優化設計；開展了基于MBD的產品加工工藝和數控編程技術研究，采用基于特征的標準化工藝及數控編程模板技術，有效地提高了加工與編程的效率和質量；采用基于MBD和特征的三坐標測量技術，大大提高了檢測效率和精度，最終實現了基于MBD技術的產品設計、加工制造及檢測的高度集成和一體化，顯著縮短了產品研制周期，提高了產品質量和生產效率。

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作者簡介：張科峰，男，1982年9月，漢族，陜西寶雞，副高級工程師，研究生，信息系統架構設計及開發

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