0 引言

    機械加工工藝是指采用用機械加工方法改變零件毛坯的形狀、尺寸、位置、性質(zhì)，使其成為合格零件的全過程，加工工藝是工人進行加工的依據(jù)。第一代工程語言（二維圖紙模式）和第二代工程語言（CAD技術的標準方式）已落后于現(xiàn)代社會發(fā)展的需要。隨著計算機和信息技術的普及運用，產(chǎn)品開發(fā)過程（產(chǎn)品設計、工藝設計、工裝設計、產(chǎn)品制造、檢驗檢測）不再像以往的各模塊分立（首先產(chǎn)品設計，然后工藝設計，接著工裝設計，進行產(chǎn)品制造，最后檢驗檢測，各模塊之間只負責自己的工作，很少協(xié)同工作，產(chǎn)品開發(fā)過程不僅周期長，而且質(zhì)量得不到保證）�，F(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)更強調(diào)的是一種協(xié)同，實現(xiàn)產(chǎn)品設計（含工藝設計）、工裝設計、零件加工、部件裝配、零部件檢測檢驗的高度集成、協(xié)同、融合，建立三維數(shù)字化設計制造一體化集成體系。因此，很多國家已經(jīng)開始運用第三代工程語言——MBD技術（基于模型的工程定義），例如波音公司推行的新一代產(chǎn)品定義方法。

1 MBD技術概述

    基于模型定義的技術MBD（Model Based Definition）是指：零部件的三維模型中，集成尺寸、公差等注釋性標注，同時輔以零件表面制造文件等對產(chǎn)品進行全面描述的一種方式，見圖1和圖2。MBD技術是用集成的三維實體模型來完整表達產(chǎn)品定義信息的方法體，它通過圖形和文字表達方式，詳細描述實體模型中產(chǎn)品尺寸、公差、制造技術要求等產(chǎn)品制造工藝信息的三維表達方法，改變了傳統(tǒng)由三維實體模型來描述幾何形狀信息，而用二維工程圖來定義尺寸、公差、工藝信息的分步產(chǎn)品數(shù)字化定義方法。

    圖1 基于MBD技術的零件模型

    圖2 MBD的零件模型需要標注的信息

2 MBD技術分析

    2.1 MBD技術的提出

    基于模型定義技術在波音787型飛機上的成功應用，使得設計制造一體化技術得到空前發(fā)展。民用飛機上的鈑金材、復材件、大型件的三維數(shù)字化檢測，對于提高飛機制造裝配的質(zhì)量和效率發(fā)揮了重要作用。我國對于基于MBD的三維產(chǎn)品數(shù)字化檢測技術的研究處于起步階段，尚未形成規(guī)范的技術體系。但是由于這種技術的先進性與廣泛適用性，很有必要推廣到更多的制造業(yè)中。

    MBD技術的核心思想是全三維基于特征的表述方法、基于文檔的過程驅(qū)動；融入知識工程、過程模擬、產(chǎn)品標準規(guī)范等。它用一個集成的三維實體模型可完整地表達產(chǎn)品的定義信息，可將制造信息和設計信息（三維尺寸標注、各種制造信息、產(chǎn)品結(jié)構信息等）共同定義到產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型中，從而取消二維工程圖，保證設計數(shù)據(jù)的唯一性。但MBD不是簡單的三維標注+三維模型，它不僅描述設計幾何信息，并且定義了三維產(chǎn)品制造信息和非幾何的管理信息（產(chǎn)品結(jié)構、PMI、BOM 等)，使用人員僅需一個數(shù)模即可獲取全部信息，減少了對其他信息系統(tǒng)的過度依賴，使設計和制造之間的信息交換可不完全依賴信息系統(tǒng)的集成而保持有效連接。它通過一系列規(guī)范的方法能夠更好地表達設計思想，具有更強的表現(xiàn)力，打破了設計與制造間的壁壘，其設計和制造特征能夠方便地被計算機和工程人員解讀，而不像傳統(tǒng)的定義方法只能被工程人員解讀，有效解決了設計/制造一體化的問題。但是MBD模型的建立，不僅是設計部門的任務，工藝、工裝、檢驗都要參與到設計的過程中，最后形成的MBD模型才能用于指導工藝制造與檢驗。MBD可以融入知識工程、過程模擬、產(chǎn)品標準規(guī)范等，將抽象和分散的知識變得更加形象和集中，使得設計和制造過程演變?yōu)橹�識積累和技術創(chuàng)新的過程，成為企業(yè)知識的最佳載體。

    2.2 MBD技術的特征

    1）于特征的建模方法。MBD不是只關注幾何定義，而是完全基于特征定義；MBD的實質(zhì)不是三維實體+三維標注，而是特征的定義和控制；這是與其他工程定義方法的本質(zhì)區(qū)別。因此要使它有更強表現(xiàn)力，能更真實地表現(xiàn)工程特征，更好、更準確、更容易地表達設計意圖，并使工程信息的抽取和知識的挖掘變得更為容易。2）字化信息集成。MBD中的數(shù)據(jù)集以三維模型為核心，集成了完整的產(chǎn)品數(shù)字化定義信息。MBD數(shù)據(jù)集的內(nèi)容包含：設計、工藝、制造、檢驗等各部門的信息，形成單數(shù)據(jù)源，避免多源數(shù)據(jù)的信息不一致，打破長期存在的設計/制造/服務的信息壁壘。3）知識工程的融合。長期以來知識工程僅停留在理論和研究階段，未能有效地在企業(yè)實際應用并體現(xiàn)其價值，重要的原因之一是缺乏有效的知識表述工具，不能將其融入到設計和生產(chǎn)環(huán)節(jié)中�；�于標準的特征表述的MBD技術可有效地描述設計、制造等工程特征，并將蘊涵與其中的知識通過標準的數(shù)字化的方式表達。MBD可融入工程知識、過程模擬、產(chǎn)品標準規(guī)范等，將抽象和分散的知識更加形象和集中，使得設計和制造的過程演變?yōu)橹�識積累和技術創(chuàng)新的過程，成為企業(yè)工程知識的最佳載體。

    2.3 MBD技術的應用

    1）MBD技術在產(chǎn)品生命周期管理(PLM)中的應用。當今，計算機輔助設計，計算機輔助工程、計算機輔助制造都使用了3D人機互動和模擬，在它們的幫助下，產(chǎn)品在虛擬環(huán)境選中可被設計、仿真、確認，見圖3。這種新方法在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)上要增加新的功能，使其能清晰地管理產(chǎn)品、過程、實物資料，還應按布局和預期效果去建立他們之間的關系。這個新的集成和信息驅(qū)動方法被命名為產(chǎn)品生命周期管理，它是一種控制方法，允許制造企業(yè)去管理他們的產(chǎn)品貫穿于整個生命周期（從一個產(chǎn)品的設想到它的整個生產(chǎn)過程結(jié)束）。PLM是PDM的一種延伸，并在CAD、數(shù)字化制造和仿真之間傳遞必要環(huán)節(jié)。

    圖3 MBD模型的產(chǎn)品生命周期樣例

    2）MBD技術在產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）中的應用。PDM系統(tǒng)是集成并管理與產(chǎn)品有關的人員、數(shù)據(jù)、流程的軟件系統(tǒng)；該系統(tǒng)自身具有強大的功能，并且能與其他應用軟件集成。不同的應用系統(tǒng)可從PDM系統(tǒng)提取各自所需的數(shù)據(jù)，再將結(jié)果返回PDM系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)基于PDM系統(tǒng)的集成應用�；�于PDM系統(tǒng)的應用方案，見圖4。其中，由于零件設計系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理也是PDM系統(tǒng)，因而可以實現(xiàn)與制造模型管理的緊密集成，確保設計與制造模型數(shù)據(jù)的一致性。

    圖4 基于PDM系統(tǒng)的集成方案

    3）MBD制造模式下，產(chǎn)品工藝數(shù)據(jù)、檢驗檢測數(shù)據(jù)的形式與類型，發(fā)生了很大變化。采用MBD技術后，設計部門不再向制造部門發(fā)放二維工程圖紙，因此減少了設計工作量，簡化了管理流程。工藝部門通過三維數(shù)字化工藝設計與仿真，依據(jù)基于MBD的三維產(chǎn)品設計數(shù)模建立三維工藝模型，生成零件加工、部件裝配動畫等多媒體工藝數(shù)據(jù)。檢驗部門通過三維數(shù)字化檢驗，依據(jù)基于MBD的三維產(chǎn)品設計數(shù)模、三維工藝模型，建立三維檢驗模型和檢驗計劃。與此同時，設計數(shù)模的版本變化將直接引發(fā)工藝數(shù)模、檢驗數(shù)模的版本變化。因此，需要以零部件為對象，建立產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、檢驗數(shù)據(jù)與BOM 結(jié)構樹的關聯(lián)關系，一起納入PDM系統(tǒng)進行管理，通過檢入與檢出，確保產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、檢驗數(shù)據(jù)版本信息的一致。

3 MBD的現(xiàn)狀及其前景

    1）MBD技術對現(xiàn)行飛機研制的業(yè)務流程、管理方法、技術基礎等產(chǎn)生較大影響。主要體現(xiàn)如下：（1）對傳統(tǒng)的工程管理制度帶來較大沖擊。傳統(tǒng)模式已形成了基于二維圖紙的管理制度，采用三維的MBD技術，要對傳統(tǒng)的圖紙發(fā)放、技術單、更改單、細目單等的管理制度進行進一步的研究和探索。（2）應用MBD對基礎資源、標準化等提出了全新的支持模式：MBD技術推動了數(shù)字化技術在航空制造業(yè)的深度應用，同時也對基礎資源、標準化等工作提出了全新的要求。波音公司建立了集成化產(chǎn)品標準管理系統(tǒng)（integrated Product Standards Management，iPSM），它使波音所有的設計、工藝、制造、檢驗過程具有統(tǒng)一編碼的數(shù)字化標準系統(tǒng)，并實現(xiàn)了與三維設計工具（CATIA）的集成。任何授權的供應商都能檢索到相關的標準，這保證了所有供應商執(zhí)行統(tǒng)一標準，從而達到統(tǒng)一的質(zhì)量要求。（3）對產(chǎn)品的設計工作提出更高的要求：為了提供準確、完整、規(guī)范的MBD數(shù)據(jù)集，設計人員需要投入更多精力和時間來完成，甚至包括以前由制造方完成的工作。

    2）盡管數(shù)字化檢測技術在航空領域應用較早，但是由于數(shù)字化應用環(huán)境不完善，基礎理論研究、設備和系統(tǒng)研發(fā)等方面的滯后和不協(xié)調(diào)等諸方面的原因，國內(nèi)數(shù)字化檢測技術研究與國外同領域還有較大差距。尤其是對于一些普通常用零件的制造，國內(nèi)還是采用傳統(tǒng)的制造加工方式，這種新型的技術尚未普及應用。若將這種新型技術應用到更多的制造領域中，必將會有意外的收獲。

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本文標題：基于模型定義技術（MBD技術）的分析研究

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