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行业动态

【天拓智能制造】基于MBD的产品模型定义

文章出处:天拓四方    责任编辑:zhou 发布时间:2017-11-24
导读
近年来,随着产品三维设计的普及及软件功能的完善,在设计、工艺、制造各环节也产生了基于MBD的迫切需求。
MBD为Model Based Definnition(基于模型的定义)的简称,美国最早开展此类概念的研究,1997年美国机械工程师协会在波音公司的协助下开始有关MBD标准的研究和制定工作,并于2003年成为美国国家标准。MBD的主导思想不只是简单地将二维图纸的信息反映到三维数据中,而是充分利用三维模型所具备的表现力,往探索便于用户理解且更具效率的设计信息表达方式。它用集成的三维数模完整地表达了产品定义信息的方法,具体规定了三维数模中产品尺寸、公差的标注规则和工艺信息的表达方法。
MBD的必要性
MBD弥合了三维模型在设计、工艺和制造之间的断层。采用三维数字化模型对产品数字化信息的完整描述,实现对三维空间实体模型的尺寸、几何形状、公差、注释的标注,对产品的非几何信息进行标注。MBD使三维实体模型作为生产制造过程中的唯一依据,改变了传统以工程图纸为主,而以三维实体模型为辅的制造方法。 
 
图1 传统的二维向三维为主的转化
MBD将设计、制造、检验、管理信息融为一体,是目前被航空、兵器、航天普遍认同的解决数字化设计、制造的先进技术,是工程化应用的关键技术之一。在三维模型上用简明直接的方式加入了产品的制造信息,进一步实现了CAD到CAM(加工、装配、测量、检测)的集成,为彻底取消二维图纸创造了可能。MBD是产品定义方式的一次革命,它以更为丰富强大的表现力和易于理解的数字化定义方式极大地提高了产品定义的设计质量和利用效率。使设计、工艺、制造融为一体,是未来设计技术的发展方向,必将有着深远的影响。
 
图2 基于MBD的数据重用策略
MBD技术体系对产品研发有着很高的要求。首先,产品定义完全由三维模型表示,产品的所有相关信息都要关联到产品模型中,这对数据管理系统的集成功能、组织管理的方法都是极大的考验。其次,由于没有了二维工程图纸,产品信息的传递、对传递的控制和对产品信息的理解和执行,都必须借助计算机系统完成,因此在MBD技术体系中需要尽可能多地应用数字化的设备。同时由于统一性和众多企业参与带来的管理复杂性,使MBD技术体系不是一蹴而就的。
采用MBD技术体系将为产品设计、工艺、制造带来管理上和效率上的飞跃:
首先,由于在MBD体系中,数据集以三维模型为核心,集成了完整的产品数字化定义信息,在后续的各个设计、工艺、生产环节中,无须技术人员人工阅读图纸以理解设计要求,再经人工操作输入信息。这样数据流在研制全过程中不再中断,减少了人工干预并频频出错的问题。
其次,MBD技术体系改变了传统方法下纸质介质的产品定义表述模式,使得产品信息从设计开始到生产应用都能够满足数字化研制系统的要求,极大地方便了对产品数据的管理,减少了因纸质实物系统与计算机系统脱节而造成的重复性劳动和错误。
第三,结合产品数据管理,MBD技术体系提高了信息传递的准确性,同时也大大提高了信息传递的效率,方便使用者能够更加直观、准确地获取生产检验的信息。
第四,MBD技术体系带来的便利还体现在对并行工程的支持上。在MBD的技术体系中,MBD数据集内容包含设计、工艺、制造、检验等各部门的信息,在数据管理系统和研制管理体系的控制下,各职能人员可以共同在一个未完成的产品模型上协同工作,提高了设计效率,同时也提高了产品的可制造性。因此说MBD技术体系改变了传统的研制模式,更有效地提高了数字化技术带来的便利。
 
图3 基于MBD信息的表达
基于MBD的方案规划
MBD采用三维数字化模型对产品数字化信息的完整描述,对三维空间实体模型的尺寸、几何形状、公差、注释的标注,对产品的非几何信息进行标注和零件表的描述。产品定义完全由三维模型表示,产品的所有相关信息都要关联到产品模型中,MBD整体解决方案关注数据的参数信息、规范、模型数据的传递、以及与数据管理系统的集成等,涵盖在设计、工艺、制造、服务等全过程的管理,其整体解决框架如下:
 
图 4 MBD方案架构
MBD建设关注点
MBD 技术的核心思想是:全三维基于特征的表述方法,基于三维主模型的过程驱动,融入知识工程和产品标准规范等。它用一个集成的三维实体模型来完整地表达产品定义信息,将制造信息和设计信息(三维尺寸标注及各种制造信息和产品结构信息)共同定义到产品的三维数字化模型中,从而取消二维工程图纸,保证设计和制造流程中数据的唯一性。建立完整的MBD研发体系是一个逐步建设的过程,如何结合工厂的实际情况以合理的方式推进MBD的建设是各个企业面临的主要问题,需要考虑的问题包括:
1、如何定义基于MBD的产品定义:
借助基于模型定义(MBD,Model Based Definition)技术,深化产品三维设计应用,在产品三维设计模型中完成产品制造信息(PMI,Product Manufacturing Information)标注,将原来表达在二维工程图上的产品信息完整的表达在三维模型上,以三维模型作为唯一的产品数据源头,并用于后续传递到工艺、制造环节;
2、如何制定相关的规范和标准:
参考国内外的应用实践和标准基础,结合企业的应用现状,开展MBD应用相关标准规范制订、验证、实施工作,形成全面支持MBD应用的标准规范体系,并在系统建设时提供必要的系统工具以保障相关标准规范的落地;
3、需要有效MBD研发工具支撑以提升设计效率
根据MBD研发管理需求,结合PLM系统和设计工具,建立完善的MBD研发设计管理平台。MBD设计平台关注:
 MBD设计系统,基于PLM协同平台,结合NX等三维设计软件,为工程技术人员提供三维产品制造信息的标注、管理、查询、导出工具,辅助工程技术人员方便快捷地完成MBD模型的设计;
 工作图辅助设计:MBD设计逐步推进和转变过程中,需要必要的二维辅助。工程图快速设计工具集基于国家标准和企业实际需求开发,工具集结合实际工程运用,优化了在工程图设计中使用频率最高的标注相关命令,如孔轴配合公差、形位公差、自由公差、专业未注自由公差等,扩充了设计工具制图环境下的绘图功能;
 MBD检查系统:结合MBD标准规范体系要求,提供符合企业MBD标准的检测验证规则和工具,来检测产品模型及数据的正确性和规范性;
4、如何集中管控并重用设计经验和资源
设计资源库方面:MBD设计资源库包括常见的标准件库、原材料库,实现MBD设计资源的集中管理和规范化、统一化。
 标准件库的建立,可以减少设计人员的重复劳动,简化设计过程,提高设计质量,加快设计进度,从而使得设计人员能将其主要精力在产品设计创造性的工作。标准件库应包含GB、HB、GJB、JB等常见的四类标准,实现标准件的全参数化驱动,并支持模糊查询,支持与ERP等其他系统的集成;
 原材料库采用统一的数据管理,实现材料信息可智能转换成材料名称、材料牌号、材料技术条件、密度等设计信息,实现MBD设计过程原辅材料的统一性和规范性;
产品资源库方面:根据企业产品及零部件类型,建立常见产品零部件模块分类库,便于管理、查询和数据重用:
 建立常见零部件及产品分类库,形成MBD产品设计分类资源库(型谱库);
 实现设计工具NX与产品模块化资源库集成,通过对库中典型产品模块的调用,采用变型设计或组合设计,形成新的产品零部件,实现数据重用;
 对应比较成熟的部分模块化零部件,实现基于模块化库的快速设计导航(KBE设计),形成基于MBD的知识积累和重用;
5、如何实现基于MBD设计、工艺、制造一体化
基于PLM平台实现产品设计、工艺设计的一体化管理,建立统一的产品设计、工艺设计数据模型,支持产品设计和工艺设计的并行开展,实现一体化的流程管理、变更控制,实现产品设计、工艺设计的BOM关联。基于MBD数据定义有效实现设计三维模型在下游工艺、制造等过程中的应用,如下:
 
图 5基于MBD的应用扩展
总结
企业要认识到基于MBD的研制是一项长期、复杂而有艰巨的工作,不仅仅要解决技术问题,更主要的是要有效解决由此带来的对企业文化、管理体制、生产方式的冲突。以波音公司为例,早在20世纪90年代中期就已提出MBD的概念,由于在技术转型期间,波音内部的某些生产流程及大量供应商的设计、制造和检验手段还未达到MBD技术体系的要求,因此,为保证生产的稳定和平稳过渡,在此期间波音推行MBD技术并没有进行激进的改革,而是采取了许多“容忍”措施,如仍保留部分二维图为制造依据,承包商可选择使用三维或二维图纸等,目的是循序渐进而又坚定不移地推行MBD技术,直至波音787客机才全面采用MBD技术。
后续天拓四方会介绍到基于MBD的项目建设中需要重点关注的几个问题的详细实施方案,期待大家关注。(本文为原创文章,转载请注明出处,- 天拓四方官网)