基於MBD的產品設計製造技術研究

本篇節選自論文《基於MBD的產品設計製造技術研究》，發表於《中國電子科學研究院學報》第8卷第6期，作者為中國電子科技集團公司第14研究所專家朱建軍。本文經授權轉載自公眾號學術plus，版權歸原作者所有。

作者：中國電子科技集團公司第14研究所專家 朱建軍 | 來源：學術plus

「目前以雷達整機、電子對抗等產品為代表的軍事電子裝備，為了適應快節奏、高質量的研製要求，正在開展數位化的產品設計製造技術研究和應用工作，取得了一些階段性成果，並逐步形成了行業或國家標準。但是與國內外航空企業相比，仍存在較大的差距，主要表現在三維模型並沒有貫穿於整個軍事電子裝備研製過程中，基於MBD技術的產品定義工作仍處於起步階段，以MBD為核心的數字樣機設計、數位化工藝設計和產品製造模式尚不成熟，MBD的設計、製造和管理規範還有待完善。

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MBD技術介紹

1.1 MBD的內涵

MBD（Model Based Definition），即基於模型的工程定義技術，是一個用集成的三維實體模型來完整表達產品定義信息的方法，它通過圖形和文件表達的方式，直接地或通過引用間接地揭示了一個物料項的物理和功能需求，三維實體模型中包含產品尺寸、公差、技術要求等製造信息定義和表達。

1.2 MBD技術的應用

MBD技術起源於波音公司，以波音、洛·馬和空客公司為代表的飛機製造業在數位化技術應用領域取得了巨大的成功。尤其是以波音787為代表的新型客機研製過程中，利用達索（Dassault）公司的PLM系統創建了全球協同研製平臺，採用MBD技術，將三維產品製造信息（Product Manufacturing Information，PMI）與三維設計信息共同定義到產品的三維數模型中，直接使用三維標註模型作為產品研製的依據，實現了產品設計、工藝設計、製造、檢驗的高度集成、協同和融合，建立了三維數位化設計製造一體化集成應用體系，成功地研製了787客機。

而美國機械工程師協會也於1997年在波音公司的協助下開始了有關MBD標準的研究和制定工作，並於2003年使之成為美國國家標準（ASME Y14.41-2003）；我國參照ISO/DIS 16792標準，結合國內製造業的現狀制定了GB/T 24734-2009標準。該標準明確了產品定義數據集所應包含的內容、規範了對設計模型的要求、定義了尺寸公差表示規則，規定了基準應用方面的要求。

國內目前也正在開展MBD技術研究和應用工作，尤其以航空製造業為代表，與國際接軌較早，已先期開展MBD技術的應用，制定了適應於本行業的三維設計製造標準，並主要與CATIA、DELIMIA等軟體集成，在典型產品中開展試點應用，特別是基於MBD的產品設計方面具有示範意義，而在基於MBD的產品製造方面由於軟體和製造設備的局限，仍處於探索階段。

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基於MBD的產品研製技術體系

在基於MBD的產品研製技術體系中，MBD模型是產品信息的唯一載體，貫穿於產品的設計、工藝、製造、檢驗、維修等各個環節中，從而有效地保證了數據的唯一性。基於MBD的產品研製技術體系如圖1所示，在該技術體系中，基於MBD的數位化產品定義標準規範是整個體系的基礎，依據該定義標準，開展基於MBD的產品設計、工藝設計和製造。

圖1 基於MBD的產品研製技術體系圖

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關鍵技術

3.1 基於MBD的數位化產品定義技術

基於MBD的數位化產品定義是實現數位化製造的基礎，它以數字量方式對產品進行準確地描述。MBD是一種超越二維工程圖實現產品數位化定義的新方法，使工程人員擺脫對二維工程圖的依賴，為了滿足產品研製各階段對數據的要求，必須按MBD的要求、根據產品研製各階段的要求對產品數據進行分類組織和管理。

在MBD模型的基礎上，如何面向產品研製生命周期，更方便、更直觀、更便於理解、更有效率地表達、傳遞產品信息，在產品研製等環節中保證數據的一致性和可追潮性，不能完全照搬二維工程圖的產品定義體系。因此軍事電子行業要開展MBD技術的應用，就必須根據行業、研製對象、軟體平臺的特點，在國內外標準的基礎上，制定適合於本行業的基於MBD 的數位化產品定義。

3.2 基於MBD的數位化工藝設計仿真技術

MBD技術以三維模型作為唯一的製造依據，使軍事電子裝備的工藝設計工作發生了根本的變化。現有的基於二維工程圖的、卡片式的工藝規程已無法繼承上遊的MBD模型，也無法有效地將設計信息傳遞至製造後端，因此，現有的工藝設計模式和方式已經很難滿足基於MBD模型的工藝設計要求，並將直接影響到產品的工藝設計周期和產品製造質量。

隨著設計端MBD技術應用的不斷推進，結構數位化樣機的不斷完善，使得PBOM設計、裝配過程仿真、幹涉檢查等工作成為可能，對工藝設計質量的要求也越來越高。另一方面，隨著MBD技術的應用，產品信息使用數字量進行傳遞，對於使用數位化設備的製造過程（如數控加工等）將更為有利，但對於多工序的裝配、普通加工、鈑金、特種加工等工作，如何基於MBD模型快速開展工藝設計仿真工作，生成有效指導製造過程的工藝規程仍是目前急需解決的問題。因此，必須預先開展基於MBD的數位化工藝設計仿真技術的研究。

3.3 基於MBD的數位化檢測技術

在基於MBD的產品數據基礎上，開展數位化檢測技術的研究，有效提取產品設計和工藝設計數據作為檢驗檢測依據，為檢驗數據記錄提供方便；同時配合引入新型的數位化檢測設備，探索將MBD模型轉換為數位化檢測設備能識別的數字信息的技術方法，真正實現基於MBD模型的數位化檢測。但是，數位化檢測設備並不能完全覆蓋軍事電子產品的所有對象和檢驗內容，因此還需建立一套適合於本行業的基於MBD的數位化檢測標準和方法，以確保MBD技術的落地。

3.4 基於輕量化模型的數位化裝配可視化技術

隨著軍事電子裝備的發展，產品結構的複雜程度越來越高，尤其是軍事電子裝備MBD模型具有零部件數量巨大、零件特徵複雜的特點，無論是對MBD模型的操作或顯示，都特別消耗計算機軟硬體資源；而為了能完成整個產品的數位化樣機，產品的表達方式多樣，往往又與工藝設計的要求不符。為了確保裝配工藝設計工作的高效開展、裝配現場能夠及時獲取有效的設計、工藝信息，必須解決大裝配模型的輕量化問題，有必要開展基於MBD模型的輕量化設計、輕量化轉換技術的研究以及基於MBD模型的三維裝配工藝設計工具的開發工作。

3.5 基於MBD的產品數據管理技術

現有的產品數據管理是以產品結構樹為基礎，對產品CAD模型、二維工程圖、技術文檔進行文件式管理。在基於MBD的產品研製過程中，MBD模型包含了幾何和非幾何的產品數據集，如果仍採用現有的文件式的產品數據管理方式，基於MBD的數位化產品定義的優勢將無法充分展示和利用，必須細化MBD模型的管理粒度；而細化管理粒度的MBD模型將貫穿於整個產品設計、工藝設計、檢驗檢測等環節，各個階段的MBD模型的更改和相關性控制也成為基於MBD的產品數據管理的難題之一。因此，要保證MBD技術的應用，必須開展基於MBD的產品數據管理技術研究。

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MBD技術在軍事電子行業的應用分析

4.1 基於MBD的數位化產品定義是MBD技術應用的基礎

原有基於二維工程圖的產品定義是經過長期實踐驗證的，是工程應用的基礎。採用MBD技術後，不能將二維工程圖的表達方式照搬至MBD模型中，通過全標註的方式來解決產品定義的問題。此外，MBD是一種管理和技術的體系，並不僅僅是一種帶三維標註的數據模型，還要反映各類數據的表達方式及其相互之間的關係，將產品定義結構化、數位化，將幾何特徵、非幾何特徵關聯起來，實現產品的有效定義。如波音公司作為MBD技術應用的成功企業，其有關模型定義的標準規範（BDS－600）就有15項之多（如表1所示），包括數據集的一般要求、數據集和模型的識別、數據集修訂版、各專業的數據集定義等方面。

但是目前在MBD技術的應用過程中，往往以設計部門牽頭，開展產品數據定義工作，對工藝、製造、維修等階段的需求考慮較少。因此，在基於MBD的數位化產品定義標準制定的初期就應充分考慮設計後端的需求，以避免出現設計信息不全、無法傳遞、獲取等問題。一般而言，基於MBD的產品數據集包含以下幾個層次：

此外MBD技術的應用也從來就不是一個獨立的技術，它與CAD軟體的成熟度、特徵建模技術、信息化管理等技術的發展息息相關，因此在制定產品定義標準時還應充分考慮到本行業的特色、企業特點、產品對象等方面，建立適合本企業的數位化產品定義標準。

4.2 基於MBD的工藝設計是MBD技術應用的關鍵

目前國內外在基於MBD的產品設計方面開展了大量的工作，形成了一系列的標準和規範，CAD軟體也相對較為成熟，但在基於MBD的工藝設計方面尚無成功的工程應用經驗可借鑑，尤其在國內仍是以技術研究、典型示範為主，尚未大規模推廣應用。

當產品研發上下遊之間由二維工程圖、技術文檔等載體的工程信息傳遞轉變為以MBD模型為載體的數字信息傳遞時，工藝人員在產品研製過程中的審籤行為由二維工程圖的審查轉變為基於MBD模型的審查模式；工藝設計由藉助二維工程圖表達工藝意圖轉變為生成工序模型來表達工藝意圖，導致工藝工作量激增，這些都對軍事電子行業中流程式工藝設計模式產生了巨大的衝擊。而工藝作為設計、製造的橋梁，承擔了理解設計意圖、指導製造生產的雙重角色，這種在MBD技術應用過程中產生的陣痛是不可避免的。尤其是在工藝設計過程中，工序模型的生成成為工藝設計過程中的一大瓶頸（如圖2所示），而零件工序模型與裝配工序模型遇到的問題又截然不同：零件工序模型生成的問題在於每個工序都要生成工序模型時，如何快速生成工序模型，並將製造信息完整地表達在工序模型上；而裝配工序模型生成的問題在於如何快速分配裝配對象、生成裝配模型，如何解決裝配模型輕量化規則與工藝設計不符的矛盾，如何保證PBOM調整時與MBD模型的對應關係等等。

以上這些都是基於MBD模型的工藝設計面臨的問題，除了技術層面、工具層面要開展大量的研究，突破關鍵技術瓶頸，在工藝人員能力方面也需要進一步提升，才能保證MBD技術在工藝設計過程中的應用。

圖2 基於MBD模型的工藝設計

4.3 基於MBD的製造是MBD技術應用的前提條件

MBD技術的應用是否成功很大程度取決於企業的數位化製造能力和水平。據介紹飛機製造業中80%以上的零部件都實現了數控加工，而檢驗過程也多採用三坐標測量機、便攜測量臂系統或IGPS等數位化測量系統，並在設計信息的自動提取、首件檢驗表單的自動生成方面的研究，為其實現基於MBD的產品研製提供的條件。對於軍事電子行業而言，產品對象的數控程度以及數位化檢測能力遠低於航空企業，大量的製造設備仍是傳統設備，較低的數位化製造能力和水平很大程度制約了MBD技術在製造過程中的應用，這也是MBD實施緩慢推進的重要因素之一。因此，在MBD技術的應用過程中要充分考慮製造端的能力和水平，確認MBD技術應用的實施步驟。

圖3 數位化檢測設計和執行

4.4 基於MBD的設計管理系統是MBD技術應用的保障

MBD技術的成長是與CAD/PDM技術的發展相輔相承的，其應用很大程度依賴於軟體的成熟度。目前在基於MBD的設計中，CAD軟體較為成熟，能滿足國內外標準的要求，僅是在產品定義數據的組織、管理和表達方式不同。但在工藝設計方面，其軟體的成熟度遠低於產品設計軟體的成熟度，尤其是在工藝設計工具層面上，軟體功能弱，尚不足以支撐工藝人員高效地開展工作。隨著CAD/CAM/CAT/PDM/PLM軟體的不斷完善，MBD技術的應用也將越來越成熟。

4.5 分步實施是MBD技術應用的實現方法

MBD技術是一門新興的技術，要消化、吸收、再應用地分步實施，以典型產品為應用對象，以裝配、數控加工為應用範圍開始，建立MBD應用推廣的實施模式，逐步向全專業、全部產品上推廣應用。整個MBD技術的分步實施策略如圖4所示。

圖4 MBD技術的分步實施策略圖

結 語

MBD技術作為產品研製的發展方向，隨著在國內航空企業的應用，軍事電子行業已著手開展相關技術研究工作，但MBD技術的應用應與適合本行業的數位化產品定義標準、信息化程度、數位化製造能力相匹配，不可能一蹴而就。需要在技術體系建設、基於MBD的管理體系變革、基於MBD的設計管理系統建設、人員能力培養等方面開展大量工作，合理、有效、平穩地推進MBD技術在軍事電子行業的應用。