机械产品 MBD 标准体系与相关标准研究

第一章 绪论

1.1 MBD 技术概述
1.1.1 MBD 的基本概念
随着数字化制造技术的迅猛发展，现代企业特别是航空、航天、船舶、汽车等领域的机械产品制造企业，为了缩短产品生产周期、提高产品质量、降低生产成本，提高企业的市场核心竞争力，正在关注并大力推进 MBD 技术的发展[2]。MBD（Model Based Definition），即基于模型的定义，有时也被称为数字产品定义，是一种面向计算机应用的产品数字化定义技术，其核心思想是用一个集成的三维实体模型来完整地表达产品定义信息，实现面向制造的设计。MBD 改变了传统的由三维实体模型来描述几何信息，而用二维工程图来定义尺寸、公差和工艺信息的产品数字化定义方法。同时，MBD 使三维实体模型成为生产制造过程中的唯一依据，改变了传统以二维工程图纸为主，而以三维实体模型为辅的制造方法[3-7]。MBD 零件模型一般由设计模型、三维注释和属性组成。设计模型以简单几何元素构成，并用三维图形的方式描述了产品几何形状信息。三维注释和属性统称为非几何信息，前者包含了产品的尺寸与公差范围、制造工艺和精度要求等生产必须的工艺约束信息，后者则表达了产品的原材料规范、分析数据、测试需求等产品内置信息。而 MBD 装配模型则是由一系列 MBD 零件模型组成的装配零件列表加上以文字表达的非几何信息（包括配合公差、BOM 表等）组成。
1.1.2 MBD 技术的发展历程
进入工业化时代以来，随着计算机技术的发展和三维 CAD 技术的成熟、普及，产品定义技术经历了从二维工程图到三维模型发展的 3 个阶段[13-17]：
1、“二维设计、二维出图”阶段在近代工业革命的进程中，随着生产的社会化，1795 年法国科学家蒙日系统地提出了以投影几何为主线的画法几何，把工程图的表达与绘制高度规范化、唯一化，工程图便成为工程界常用的产品定义语言。上个世纪 60 年代起，又出现了以计算机绘图来代替图板手工绘图的 CAD 技术。1991 年，国家科技部提出“甩图板”口号，全国机械领域的研究院所、企业和高校经过不懈努力，应用了以 AutoCAD 为代表的二维 CAD 软件，逐步实现了工程图从手工绘制到计算机绘制的转变。这个阶段以二维工程图为唯一交付物。
2、“三维设计、二维出图”阶段随着三维建模技术的发展和应用，产品设计模式演变为先利用三维 CAD 软件构建三维模型，再利用软件自动完成投影、消隐生成二维工程图后进行必要修改和标注，以二维工程图为主、三维模型为辅，同时作为交付物向下游设计环节传递。这种设计模式充分发挥了三维 CAD 系统的几何表现能力，但由于缺乏有效的制造工艺、检验信息的三维表示方法，在产品加工过程中仍需要二维工程图作为辅助。
3、MBD 全三维数字化设计1997 年，美国机械工程师协会在波音公司的协助下发起了三维标注技术及其标准化的研究，并最早于 2003 年形成了美国国家标准“ASME Y14.41-2003 Digitalproduct definition data practices”[18]。2006 年，ISO 组织借鉴 ASME Y14.41 制定了ISO 标准草案“ ISO 16792-2006 Technical product documentation-Digital productdefinition data practices”[19]，为欧洲以及亚洲等国家的用户提供了支持。2009 年，我国 SAC/TC146 全国技术产品文件标准化技术委员会以 ISO 16792 为蓝本，制定了 GB/T 24734.1~24734.11-2009《技术产品文件 数字化产品定义数据通则》[20]。在软件实现方面，国际主流的知名的工业软件供应商 Dassault、Siemens、PTC 等公司分别在自己的 CAD 产品中实现了三维标注等 MBD 相关功能模块，使得产品设计和制造过程最终摆脱二维工程图的束缚成为了可能[21]。
在技术应用方面，国外发达国家在航空产品的设计领域，都已实现了 MBD 技术对传统生产方式的改造，如美国空军 JSF 战斗机和空客 A380 的研制都是成功的范例[22]。最典型的是波音公司，作为 MBD 技术的发起者之一，它制定了基于 MBD技术的应用规范——BDS-600 系列，并在 2004 年的波音 787 项目中大规模采用了这一技术，使得研发周期缩短了 40%，工程返工减少了 50%，带来了巨大的利益。近年来，波音公司在战神航天运载工具和 C130 中，采用 MBD、MBI 技术使得装配时间缩短了 57%，引发了三维数字化设计制造的第二次浪潮。作为上游企业，波音公司在合作伙伴中也全面推行了基于模型的数字化定义技术[23-26]。我国的 MBD 全三维数字化设计也是从波音公司的转包生产中开始逐步发展起来的[27]。如今在我国航空航天工业中，“三维模型下车间”等设计模式正在如火如荼地展开，基于 CATIA、UG、Pro/E 的全三维设计规范也在不断完善，应用水平也比较高，在飞机、卫星、火箭等典型产品的生产上也基本打通了整个数字化设计制造数据链。同时，在大型装配制造业中，南车集团、北车集团等在高速列车的设计生产中，也正在全面推行 MBD 全三维数字化设计工作。
1.1.3 MBD 技术的优势
从国内外 MBD 技术的应用情况中可以清楚地看到，MBD 技术所带来的一系列提升是以往任何技术进步所无法实现的。和传统的以二维工程图为交付物的设计方式相比，MBD 技术有着巨大的优势[28-31]：
1、MBD 技术摒弃了二维工程图，使三维数字化模型成为生产制造过程中的唯一依据，保证了数据的唯一性，减少了重复劳动。一般来说，产品的研制需要经历产品设计、工艺设计、工装设计、产品制造和检验 5 个环节[32]。对于传统的以二维工程图为交付物的设计方式，由于设计上游的需求不断更改以及三维 CAD 软件转化功能的限制，常常会造成数据冗余、冲突，导致二维和三维数据不一致。MBD 技术使得三维模型成为产品的唯一信息载体，所有工作都将在三维环境下完成，保证了数据的唯一性，也减少了纸质实物系统与计算机系统脱节而造成的重复性劳动。

    1.2 本文的项目背景 ....................20
    1.3 本文主要内容及创新点 ....................20-21
    1.4 本章小结 ....................21-22
第二章 机械产品 MBD 标准体系与相关标准研究 ....................22-34
    2.1 二维设计标准分析 ....................22-24
    2.2 三维设计标准分析 ....................24-27
    2.3 标准体系的创建 ....................27-32
    2.4 编写本系列标准的基本原则 ....................32-33
    2.5 本章小结 ....................33-34
第三章 三维表达关键技术研究 ....................34-55
    3.1 图样视图角度的确定 ....................34-36
    3.2 字体与比例的确定 ....................36-37
    3.3 指引线和基准线的表达 ....................37-40
    3.4 尺寸注法的表示 ....................40-43
    3.5 精度特征的表示 ....................43-50
    3.6 剖面线的绘制 ....................50-52
    3.7 图样的简化 ....................52-54
    3.8 本章小结 ....................54-55
第四章 三维标注辅助工具的开发 ....................55-71
    4.1 软件平台的确定 ....................55-61
    4.2 确定主要功能模块 ....................61-63
    4.3 确定二次开发接口及语言 ....................63-64
    4.4 编码的实现方法 ....................64-70
    4.5 本章小结 ....................70-71
第五章 标准与辅助工具的实例应用 ....................71-80
    5.1 典型产品介绍 ....................71
    5.2 二维工程图分析 ....................71-72
    5.3 三维标注的实现 ....................72-79
    5.4 本章小结 ....................79-80

总结

1. 整理总结了二维设计与三维设计方面现行的相关国家标准、行业标准和企业标准。接着提出了“基于 MBD 的机械产品三维数字化设计与管理”的标准模型与技术体系框架，分析了各子体系所涉及的技术标准，并确定了本系列三维设计标准编写中应遵循的原则。
2. 首次提出了三维图样的概念，并对三维图样的视图角度、字体比例、指引线和基准线的表达方式、尺寸的注法、精度特征的表示、剖面线的绘制、图样的简化等关键技术进行了研究，确定了本系列标准的主要内容。
3. 分析了国内外主流三维 CAD 软件的三维标注功能，针对目前三维软件操作不便，有些标注的显示方式也不符合标准的情况，开发了一套三维标注辅助工具，为本系列标准的实际应用提供方法和手段。
4. 选择上汽通用五菱汽车股份有限公司的花键套叉产品，结合其所使用的 NX 7.5软件平台，对本系列标准及三维标准辅助工具进行了试点应用。
虽然本文在研究基于 MBD 的机械产品三维标准的体系、关键技术、软件实现与应用等方面取得了一定的成果，但是由于时间和精力等因素的限制，还有很多内容需要进一步地研究：
1）由于 MBD 技术还在不断发展中，可供借鉴的成熟标准、规范或应用经验不多，而国内外 MBD 技术应用比较好的单位大多是航空航天企业，这些单位存在保密要求，收集资料比较困难，使得本文的研究不够深入，很多观点和方法还不成熟。我们还需紧跟国际标准，密切关注 MBD 技术的发展与应用。
2）标准中的一些规定可能与实际工作习惯不符或者用三维 CAD 软件目前还无法实现，我们还需要选择一些典型行业、典型企业开展标准试点工作，加强与软件商的交流协商，进一步完善本系列标准，使本系列标准来源于生产实际，服务于生产实际。

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