MBD技术在制造企业中的应用

作者：刘巍 | 来源：数字化企业

MBD（Model Based Definition）即基于模型的工程定义，是一个用集成的三维实体模型来完整表达产品定义信息的方法，它详细规定了三维实体模型中产品尺寸、公差的标注规则和工艺信息的表达方法。

MBD技术改变了传统由二维工程图样来定义尺寸、公差和工艺信息，而用三维实体模型来描述几何形状信息的分步产品数字化定义方法。同时，MBD技术使三维实体模型成为生产制造过程中的唯一依据，改变了传统以工程图样为主，以三维实体模型为辅的制造方法。

MBD模型通过图形和文字表达的方式，直接地或通过引用间接地揭示了一个物料项的物理和功能需求，其模型结构如图1所示。

MBD模型分为装配与零件模型。MBD零件模型由以简单几何元素构成的、用图形方式表达的设计模型和以文字表达的注释和属性数据组成。MBD装配模型则由一系列MBD零件模型组成的装配零件列表加上以文字表达的注释和属性数据组成。

零件设计模型以三维方式描述了产品几何形状信息，属性数据表达了产品的原材料规范、分析数据和测试需求等产品内置信息；而注释数据包含了产品尺寸与公差范围、制造工艺和精度要求等生产必需的工艺约束信息。

随着计算机技术的发展和广泛应用，计算机辅助绘图逐渐被设计和工艺人员使用。但是简单二维图的计算机化仍不能解决数据源不统一、定义不规范的问题。

MBD技术的出现将产品的所有相关设计定义、工艺描述、属性和管理等信息都附着在产品三维模型中。随着MBD技术的深入应用，在企业产品设计中，已经完全做到了模型级的设计，即设计数据不再通过纸质文件进行分发，取而代之的方式是在PDM（Teamcenter）系统中的统一管理。

但是产品从设计阶段到制造阶段时，在模型的使用上仍存在很多的问题。

生产工艺的编制虽然可以在PDM系统中进行，但在完成工艺规程编制、工艺审核、工艺批准和工艺规程发放后，仍需要进行图样的打印以用于指导现场生产。这种方式可以保证现场生产的顺利进行，但实际上完成的是从三维模型到二维工艺的转换，从企业应用的长远出发，这种方式存在着以下几点不足。

1.与MBD技术应用环节脱钩。MBD技术将设计、制造各个环节所需要的信息都放在模型上。依据三维模型进行二维工艺设计、用二维图样完成现场生产指导的现象，是一种技术倒退的现象，违背MBD技术的先进设计和制造理念，未达到三维工艺“无纸化生产”的要求。

2.查询不方便。生产现场提供的纸质文档具有笨重、携带不便等缺点，在获取生产过程所需要资料时，从厚重的纸质文档中找到相关文档的过程显得尤为困难，同时纸质文件在生产现场，增加了保管量和保管难度。

3.交互性差。对于新产品或新员工，复杂图样不易看懂，产品的加工过程掌握比较慢，易出现加工操作失误导致的产品缺陷，严重影响产品质量和生产进度。

4.一致性难以保证。设计的工艺规程在生产现场，根据实际的生产情况，部分内容需要进行微调，若采用纸质文档，可能存在修改后的纸质文档未能及时反馈至PDM系统的情况，造成数据的不一致；即使进行了图样修改，其可追溯性也很差。

要基于MBD技术的设计数据进行工艺设计和制造，首先应该按照结构化方式组织和管理工艺数据及关联产品，还要有效支持系统集成3D可视化表述，直观简洁，如图2所示。

2.MBD技术的应用

在制造企业应用MBD技术，主要是基于三维模型进行工艺的编制。工艺编制工作将在三维数字化环境下，直接依据三维实体模型展开，完成工艺方案制定及详细工艺设计，并将产生的三维数字化工艺，作为生产现场的操作依据。

三维数字化工艺的显著特点是在三维数字化环境下，工艺人员利用各类三维数字化实体模型建立起数字化工艺模型，通过模拟仿真，确定出合理的、可行的制造工艺。同时生成工艺图解和操作动画等多媒体工艺数据，编制成三维数字化制造工艺。

同时，基于三维模型进行数控编程：针对具体工程特征，包含有装配信息、工艺信息和制造信息，在产品加工模式下，可以将这些信息直接抽取出来，实现该工程特征的数控编程。

三维数字化产品、工装和工艺数据可以完全替代二维工程图样和纸质工艺规程，成为对工人进行技术培训的多媒体资料，以及在生产现场指导工人工作的技术依据。因此，需要建立面向三维产品数据的生产现场可视化应用系统，以工艺为中心，将三维产品工程数据、三维工装资源数据、操作过程工艺图解和操作动画组织起来，通过网络将三维数据传递到生产现场的数字化应用终端，实现无纸化生产现场的目标。

在三维工艺到达现场后，可创建一个制造现场数据中心，对工艺规程的归档审批完成时，自动（或手动）将该工艺信息及附带的设计模型、工装设备和工艺资源等传送至该中心，并进行结构化存储。制造现场开发制造工艺浏览工具，可全面查看工艺规程、设计数据和生产资源等信息。基于应用资源层数据对工艺结构树进行展示，对选定工序的工艺规程信息进行查看。利用与JT浏览器的集成，查看该JT模型，并可对该模型进行旋转、缩放和PMI浏览等操作。

若制造企业收到的设计数据已为三维模型，只需在加工制造时采用MBD技术进行工艺规程的编制。首先，通过在NX软件中开发客户化的菜单，将设计的三维模型复制后与工艺规程相关联。然后，创建结构化工艺，通过复制的功能，可以创建每道工序的工序间模型（图3）。

由于利用三维模型在制造现场指导生产还属于试验阶段，因此，在创建工序间三维模型的同时，我们还生成了便于打印、用于现场的二维工艺规程。

在三维和二维工艺规程编制完毕后，通过PDM系统二次开发，将用户选定的临时工艺规程（未审批归档）发送至现场工艺资源库。对进入审批流程的工艺规程，通过ITK开发，添加流程的处理程序。在审批完成后，自动将流程包含的工艺等所有信息发送至工艺资源库。

最后，提取工艺所属车间信息，与车间使用权限关联。创建工艺规程与JT模型浏览程序。根据用户权限，提取所属工艺规程信息，对产品结构树、工艺规程和JT模型进行有效浏览。

综上所述，MBD技术的应用，使一个集成化的三维数字化实体模型表达了完整的产品定义信息（包括产品结构、产品CAD数据以及各种描述和过程信息）。作为制造过程中的唯一依据，不用生成和维护二维工程图样，减少了设计工作量，简化了管理过程。同时，通过三维数字化工艺开发，生成操作过程动画、工艺图解及工艺规程等工艺数据。

在MBD制造模式下，产品工艺数据的形式与类型发生了很大的变化，需要通过以零部件对象为中心把所有的产品设计数据（如几何模型、原材料等）、工艺数据（如工艺规程、工艺操作动画、工艺图解等）和生产数据（如执行参数、供应商等）组织在BOM结构树上。同时，在MBD数据组织模式中，某工艺相关的操作动画、工艺图解和工艺参数与其工艺规程数据具有关联关系，它们归属于该工艺规程数据，并保持版本等信息的整体一致。

原文始发于微信公众号（PLM之神）：MBD技术在制造企业中的应用