基于模型定義（Model-Based Definition,MBD）技術(shù)是一種采用全三維實體模型的方式來完整表達(dá)產(chǎn)品定義信息的技術(shù)，它將與三維實體模型相關(guān)的產(chǎn)品尺寸、公差、基準(zhǔn)、表面粗糙度等詳細(xì)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(jié)構(gòu)設(shè)計過程中以二維CAD圖紙來表達(dá)實體模型的方式，從而使得整個產(chǎn)品生命周期內(nèi)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(shè)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(shù)自2003年7月被正式批準(zhǔn)為美國國家標(biāo)準(zhǔn)后，達(dá)索、西門子和PTC等公司便相繼將該項標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用到自己的商用化三維CAD系統(tǒng)中，支持基于MBD技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)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(biāo)注，詳見圖1。

圖1 PMI信息標(biāo)注

自從波音公司將MBD技術(shù)首次應(yīng)用到波音787項目的產(chǎn)品設(shè)計中以來，國內(nèi)的航空企業(yè)也逐漸開始學(xué)習(xí)MBD技術(shù)并嘗試將其應(yīng)用到實際的產(chǎn)品設(shè)計中，并取得了極大的進(jìn)展。然而國內(nèi)部分航空企業(yè)發(fā)現(xiàn)，雖然MBD技術(shù)在航空企業(yè)中應(yīng)用范圍已非常廣泛，但是MBD技術(shù)依然僅僅停留在產(chǎn)品的設(shè)計過程中。也就是說，基于MBD技術(shù)的三維實體模型已逐漸取代了用二維CAD圖紙來表達(dá)實體模型。但是航空企業(yè)的工藝設(shè)計環(huán)節(jié)依然是采用二維CAPP系統(tǒng)的方式進(jìn)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(shù)已經(jīng)在制造企業(yè)得到了大范圍應(yīng)用和普及，NC程序的編制也是針對三維實體模型進(jìn)行的。從而產(chǎn)生了一個嚴(yán)重影響工藝設(shè)計效率的問題，即國內(nèi)航空制造企業(yè)的產(chǎn)品制造模式：采用基于MBD技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計，然后根據(jù)MBD設(shè)計模型，采用二維CAPP系統(tǒng)進(jìn)行工藝規(guī)劃，工藝設(shè)計完成后發(fā)布二維工藝卡片，再在三維實體模型上進(jìn)行數(shù)控編程。可見CAD/CAPP/CAM三者脫節(jié)、互相獨立。MBD技術(shù)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(jìn)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(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計和制造，生產(chǎn)效率大大降低，產(chǎn)品質(zhì)量更是難以得到保證。因此從實踐角度來看，MBD技術(shù)不應(yīng)僅僅只是停留在產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)，更需要將MBD技術(shù)貫穿于產(chǎn)品的整個生命周期中，即將MBD技術(shù)應(yīng)用到工藝設(shè)計、工裝設(shè)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(shè)計單一數(shù)據(jù)源傳遞的目的。

02MBD應(yīng)用場景

零件MBD設(shè)計模型的組織定義如下圖2所示。零件MBD設(shè)計模型由三部分組成，即設(shè)計模型屬性、幾何元素構(gòu)成的實體模型和文字表達(dá)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息等；設(shè)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(nèi)置信息；而文字注釋則表達(dá)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(zhǔn)、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(shè)計模型組織結(jié)構(gòu)

1.1設(shè)計MBD信息

在產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計和制造整個的過程當(dāng)中，二維工程圖是產(chǎn)品制造信息最基礎(chǔ)的表達(dá)方式，在每個環(huán)節(jié)，產(chǎn)品設(shè)計師和技術(shù)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(shè)計獨到的見解與其他人員進(jìn)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(shè)計人員完成了產(chǎn)品設(shè)計之后，生產(chǎn)部門需要根據(jù)設(shè)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(jìn)行比對來了解產(chǎn)品加工的技術(shù)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(shè)計PMI信息

因此PMI標(biāo)注技術(shù)能高效地處理這個難題，產(chǎn)品設(shè)計師可以將產(chǎn)品制造信息直接在三維模型上進(jìn)行標(biāo)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(zhǔn)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(guān)信息，切實提高了工作效率，保證了產(chǎn)品的加工質(zhì)量。PMI信息標(biāo)注是將產(chǎn)品制造信息直接標(biāo)注在三維模型表面或剖面上，使設(shè)計師的產(chǎn)品設(shè)計意圖表達(dá)的更加直觀、清晰。但是三維標(biāo)注并不是硬生生地將二維工程圖中的信息標(biāo)注到三維模型上，而是要遵循三維模型標(biāo)注的基本原則，規(guī)范三維標(biāo)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(yīng)的建模規(guī)范，確保三維模型信息正確性與有效性。當(dāng)模型視圖、幾何圖形集和特征等要素在三維模型標(biāo)注中出現(xiàn)時，應(yīng)具備自己獨有的名稱，并按照一致性的原則進(jìn)行命名，保證符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

2.信息完整性原則。

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

3.關(guān)聯(lián)性原則。

使標(biāo)注內(nèi)容與幾何特征之間的關(guān)聯(lián)關(guān)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(biāo)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(dá)一個產(chǎn)品的制造信息方式就是通過二維圖紙來表達(dá)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(biāo)準(zhǔn)符號，但是，當(dāng)零件模型需要表達(dá)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(guān)的錯誤，那么它就會導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)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(zhǔn)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(shù)要求，很容易使產(chǎn)品開發(fā)周期的負(fù)擔(dān)更加的重大。通過PMI技術(shù)，用三維模型來表達(dá)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(shè)計師的產(chǎn)品設(shè)計理念。

PMI技術(shù)提供了以下利益：

1.將設(shè)計意圖與三維模型之間構(gòu)建一種關(guān)聯(lián)關(guān)系，并使它與模型建立關(guān)聯(lián)，不再需要根據(jù)二維信息來推導(dǎo)和解釋設(shè)計意圖。

2.使不完整或不準(zhǔn)確的制造信息導(dǎo)致的產(chǎn)品質(zhì)量問題大大的減少了。

3.在每個地方重復(fù)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(shè)計師不必再等待二維工程圖就能向生產(chǎn)部門傳達(dá)產(chǎn)品的設(shè)計意圖與要求。

PMI技術(shù)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(zhì)量以及工作效率，體會到了PMI技術(shù)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(dá)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(dāng)前兒何實體對后續(xù)生產(chǎn)加工的數(shù)據(jù)繼承、傳遞、應(yīng)用所具備的便利性。

2.工藝模型的坐標(biāo)和基準(zhǔn)信息

工藝模型的坐標(biāo)系統(tǒng)一般分為全局坐標(biāo)系、局部坐標(biāo)系和輔助坐標(biāo)系。全局坐標(biāo)系用來確定模型的真實空間位置；局部坐標(biāo)系用來確定模型相對某一特定點的空間位置；輔助坐標(biāo)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(zhǔn)系統(tǒng)主要包括定位基準(zhǔn)、工序基準(zhǔn)、測量基準(zhǔn)和裝配基準(zhǔn)。工藝模型的坐標(biāo)和基準(zhǔn)系統(tǒng)是產(chǎn)品數(shù)字化定義及后續(xù)工裝設(shè)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(shè)計模型信息的基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)化創(chuàng)建的。設(shè)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(zhuǎn)化來實現(xiàn)的，也就是利用標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換模型來傳遞數(shù)據(jù)時，可能存在一定的風(fēng)險，需要進(jìn)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(dá)和設(shè)計過程的復(fù)現(xiàn)，同時中間狀態(tài)工序模型能夠成為下游工藝設(shè)計階段的基準(zhǔn)，保證數(shù)據(jù)信息的有效傳遞和表達(dá)。

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(shè)計信息

特征設(shè)計信息指創(chuàng)建中間工序模型過程中涉及的設(shè)計尺寸信息、基準(zhǔn)信息、公差信息、粗糙度信息等。設(shè)計類信息一般是從產(chǎn)品設(shè)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(shè)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(shè)計的主要內(nèi)容，工藝信息的可視化表達(dá)也是三維工藝技術(shù)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(zhì)量、描述等）、模型管理類信息（版本、版次、狀態(tài)、有效性等）、批準(zhǔn)發(fā)放類信息、制造技術(shù)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(shè)計和改進(jìn)過程的有效信息進(jìn)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(shè)計流程

基于MBD的數(shù)控加工工藝設(shè)計系統(tǒng)在傳統(tǒng)二維CAPP系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，做出了較大的改進(jìn)，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(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝設(shè)計、數(shù)控編程以及到后續(xù)的仿真、產(chǎn)品制造和質(zhì)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(shù)就是將產(chǎn)品的設(shè)計信息、工藝屬性信息、加工信息等詳細(xì)標(biāo)注于模型上，便于查看和交流。CAD構(gòu)設(shè)計人員設(shè)計好MBD型后，不再同以往一樣生成紙質(zhì)的CAD圖紙，而是直接將MBD設(shè)計模型傳遞到工藝設(shè)計人員那里，工藝設(shè)計人員從三維實體模型上提取相關(guān)的特征信息、公差、基準(zhǔn)、表面粗糙度、技術(shù)要求等注釋信息后進(jìn)行下一步的工藝設(shè)計，并集成各種機床庫、刀具庫、工裝庫、切削參數(shù)庫后進(jìn)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(yīng)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(jìn)行表達(dá)和管理，下游的CNC數(shù)控編程環(huán)節(jié)集成CAPP工藝設(shè)計中的信息，并且直接利用工藝設(shè)計中生成的工序MBD模型進(jìn)行數(shù)控編程。因此可以看出，基于MBD的數(shù)控加工工藝設(shè)計系統(tǒng)的設(shè)計流程完全依托三維CAD模型，將MBD設(shè)計模型作為唯一的數(shù)據(jù)源進(jìn)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(zhì)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(xì)流程見下圖4所示。

圖4 MBD的數(shù)控加工工藝設(shè)計流程

因此基于以上分析傳統(tǒng)二維CAPP工藝設(shè)計系統(tǒng)和基于MBD的工藝設(shè)計系統(tǒng)，不難看出，基于MBD工藝的設(shè)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(shè)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(shè)計

以MBD三維設(shè)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(biāo)注信息，快速地設(shè)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(yīng)用到生產(chǎn)制造工藝現(xiàn)場中。

2.全三維模型的工藝設(shè)計

工藝設(shè)計完全在全三維模型環(huán)境下進(jìn)行，從而保證工藝設(shè)計的直觀性和可視化；在工藝設(shè)計過程中的工藝數(shù)據(jù)同樣采用三維化的方式進(jìn)行傳遞和表達(dá)，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(shè)計系統(tǒng)中，三維工序模型的生成是其中關(guān)鍵技術(shù)之一，工序模型中不僅保留了設(shè)計模型的基本設(shè)計信息，還包含了本道工序相關(guān)的工藝屬性信息，并且工序模型和工藝過程的關(guān)聯(lián)同樣也提高了工藝設(shè)計的表現(xiàn)能力，為后續(xù)的數(shù)控編程設(shè)計提供了數(shù)據(jù)來源。

4.工藝文件有效管理

工藝設(shè)計過程中會生成一系列的工序MBD模型，并且是每一道工序?qū)?yīng)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(guān)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(shè)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(shè)計系統(tǒng)由于完全依托三維模型進(jìn)行表達(dá)，因此工藝發(fā)布時同樣在軟件平臺上進(jìn)行發(fā)布，通過電子文檔和三維工序模型相結(jié)合的方式來達(dá)到工藝可視化的目的，更直觀形象地表達(dá)每一道工序內(nèi)容和加工特征。

03結(jié)論

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

相對于傳統(tǒng)的CAPP系統(tǒng)，基于MBD技術(shù)的三維CAPP系統(tǒng)得到高度重視和關(guān)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(yīng)用。

審核編輯：湯梓紅