基于模型的数字化制造工程技术

一、引言图以

基于模型的定义（Model Based Definition，MBD）技术是以三维数模完整地表达产品形状、尺寸、公差和制造技术要求等产品定义信息的方法。它不是简单地将传统二维图纸上的信息搬到三维模型中，而是充分利用了三维模型的表达能力，通过图形和文字直接或间接地揭示了一个物料项的物理和功能需求，是一种便于理解且效率很高的设计信息表达方式。MBD技术的出现虽然只有几年时间，但行业得到了迅速地推广和应用。MBD技术引起的制造过程变革，使得产品生命周期的所有过程发生彻底的变化，也将驱动整个企业的业务管理理念和企业构架的再造，从而走向基于模型的数字化制造工程（Model Based Manufacturing Engineering，MBE）技术时代。3D打印、快速原型等可以从3D设计模型直接、快速地制作出成品的各种先进制造工艺技术的出现，为虚拟的三维数模落地转化成现实的物理产品提供了有效手段，从而进一步推动MBD和MBE技术在制造过程中的推广应用与深入发展，将使数字化技术成为制造创新的强大动力。

二、MBE的内涵

在产品研发的全生命周期中，产品设计环节通过MBD方法形成产品MBD模型，成为后继包括工艺设计仿真、产品制造、产品检测、产品使用维护、工装设计、工装工艺设计、工装制造以及工装检测等所有环节的工作依据。在产品开发团队的协同工作过程中，形成的产品MBD模型包含了相关的工艺信息，不仅满足了工艺性要求，还成为工装人员开展工装设计的直接依据。工艺设计人员依据产品MBD模型在三维环境中开展工艺设计，结合工装MBD模型和设备MBD模型，建立以工艺活动为中心的产品、工装和工艺数据组织模型，对产品制造过程进行规划仿真，分析检测产品与工装资源之间的碰撞与干涉情况，确保产品结构与工装结构设计的合理性、工艺操作过程的可行性与准确性，并最终输出各类三维工艺设计仿真（Model Based Process Planning，MBP）模型，成为后继产品制造、检测和使用维护环节的操作依据。同时，对于工装工艺设计，也有相同的设计过程，并形成工装MBP模型，成为工装制造和检测的操作依据。因此，在产品研发的上下游之间，传统由图样、技术文档和报告等形式为载体的信息传递模式转变为如图1所示的以MBD、MBP模型为载体的信息传递模式。

因此，在基于模型的数字化制造工程中，结构MBD模型和工艺MBP模型贯穿在产品研发的全生命周期中，是MBD和MBP模型的生成、传递与使用的全过程，并通过基于模型的数字化定义技术、基于模型的工艺设计仿真技术进一步驱动并实现了基于模型的制造技术、基于模型的检测技术及基于模型的维修技术。

三、模型内容分析

1.MBD模型

MBD模型是产品数字化定义信息的载体。在MBD技术支持下产品协同设计流程中，结构、工艺及工装设计工作在MBD模型的驱动下同步进行，使工艺人员、工装人员全面参与产品结构设计，及时向设计部门提供结构修改的反馈意见，使产品结构满足制造工艺要求，从而减少了设计返工。同时，工艺、工装人员提出工艺、工装设计思路，反馈给结构设计人员，从而使MBD模型具有完整的工艺、工装设计信息，成为后继工艺、工装设计的工作依据。

工艺方案阶段需要确定产品结构单元划分、主要安装顺序、工装需求信息、完工状态、关键特性、检测方法等工艺策划信息，它们以标注与属性的形式定义到MBD模型中。图2所示是在CATIA平台上通过MBD模型对产品零部件工装定位需求信息的描述。它通过标注方法在三维视图区域以特殊符号 的形式标识出定位结构特征，而在结构规范树中建立信息组织结点对所有的工装需求信息进行详细描述。

2.MBP模型

在基于模型的数字化制造工程中，MBP模型成为工艺信息的载体，它是三维工艺设计仿真过程的结果。三维工艺设计仿真过程依赖于数字化工艺设计与验证环境，它应提供一系列工具，用于开发、创建和实施与工艺规划和工艺细节验证的完整解决方案。在该环境中，通过导入产品MBD模型、工装和资源MBD模型，在三维可视化环境中对产品对象的制造工艺过程进行规划和详细设计，建立起以工艺活动为中心的产品、工艺、资源数据组织模型，并最终对工艺流程进行可行性仿真验证。在产品实际制造工作开始之前，通过仿真及时地发现产品设计、工艺设计及工装设计存在的问题，保证生产过程的正常开展，减少因干涉等不合理问题而产生的重新设计和工程更改，从而保证缩短制造周期，提升产品质量，降低生产成本。

工艺设计形成的工艺指令信息是生产管理和指导工人操作的依据。因此，作为三维工艺设计仿真过程形成的MBP模型应包括传统工艺规程文件所包含的相关指令信息。不同工艺类型会有不同内容要求的工艺指令信息，从而对应形成不同信息内容的MBP模型，如图3所示。同时，对于不同类型的MBP模型，其对应的三维工艺设计仿真环境及其操作功能模块也有所差异。

图4所示是DELMIA制造过程管理平台的DPM装配工艺设计仿真环境及其MBP模型内容展现形式。从图4中可看出，其内容包括装配对象与工装资源的MBD模型，装配工艺流程，零部件装配顺序与装配运动路径，以及为增加装配工艺仿真过程的真实性、实用性设置的修饰类工艺活动，如显示文本消息、变换视角、暂停和延时、隐藏对象以及超链接等。

四、模型轻量化和可视化

在基于模型的数字化制造工程中，MBD模型和MBP模型分别承载了产品的结构信息和工艺信息，数据信息量大，不利于部门场所之间通过网络传阅，给信息交流造成了巨大的阻碍。同时，不同厂家的软件系统形成的MBD模型和MBP模型都有其独特的数据格式，不能通用。为了解决三维模型在应用过程中的这些缺点，需要提供模型轻量化、可视化的技术解决方案。

1.MBD模型轻量化与可视化

所谓模型轻量化是指在保留三维模型基本信息、保证必要精确度的前提下将原始的MBD模型格式文件压缩成只有原格式1/10大小甚至更小的轻量化格式文件，从而可以通过网络快速传输，并使用通用浏览器软件或其他方式对产品三维模型进行查看、批注等交互操作，使该模型的可视化与三维设计软件完全脱离。借助轻量化的三维模型和强大的三维可视化解决方案，使得企业各部门之间的信息交流更加容易、更加直观，并摆脱了各类人员对软件操作技术水平的要求。

目前，MBD模型轻量化及三维可视化解决方案种类很多，所具备的功能、特点及实现技术手段也各不相同。各国际厂商推出的具有典型代表性的轻量化模型数据格式及其三维可视化方案如表所示。另外，国内的重要制造业信息化方案提供商也在积极跟踪国外先进技术，开发并推出了自己的轻量化技术解决方案。

Acrobat3D是基于AdobeReader的三维可视化方案，它能够从多种工具中导入多种格式的三维MBD模型文件，并转换成U3D格式，然后将其嵌入到PDF文件中，并通过Adobe Reader来操作和使用这些，实现对三维MBD模型的旋转、缩放或断面等多种操作，如图5所示。

2.MBP模型可视化

MBP模型作为指导生产工人现场操作和使用者维护产品的直接依据，其模型可视化非常重要。当前，支持三维工艺可视化设计仿真的软件系统只有达索的DELMIA与西门子PLM的Tecnomatix，这两种系统生成的MBP模型都有各自的可视化解决方案，如达索公司采用跟MBD模型轻量化和可视化一样的3D XML解决方案。但这两种系统的解决方案价格昂贵，实施成本高，所以需要找到MBP模型可视化的其它解决方案。如图6所示，MBP模型除厂商原版的解决方案外，还有另外两种选择。

第一种方案是针对三维工艺可视化设计仿真软件系统作一些简单开发，在其原始MBP模型中，提取信息生成XML格式的工艺操作过程描述文件，对各操作步骤截取操作图解，并对整个仿真过程制作视频动画。然后按照XML工艺描述文件的信息组织格式，开发格式化显示网页页面，通过链接的方式实现零部件MBD模型的可视化，而通过视频播放插件的动画呈现。对于装配工艺MBP模型，其XML工艺描述文件信息组织格式及其格式化显示方案如图7所示。装配单元工艺信息按照层次关系分别格式化显示参装件列表及其工序操作图文信息，通过链接可以查看参装零部件对象的MBD轻量化模型实现可视化显示，并可浏览视频动画。通过这种可视化的装配工艺信息，可以使操作人员更直观、更容易地了解装配工艺过程，指导操作工人顺利完成装配操作，减少人为差错，保证装配过程一次成功。

第二种方案是将MBP模型转化成如VRML的第三方轻量化工艺格式文件，内容包括工艺设计与仿真过程的全部设计信息，如产品制造对象模型、工装设备模型、工艺流程、工艺操作信息、路径规划信息及其它操作活动信息等，并按特定的数据结构组织这些信息，与三维工艺可视化设计仿真软件系统实现互操作；同时，开发与第三方轻量化工艺格式文件对应的动画播放插件，嵌入管理平台的浏览页面实现工艺操作过程的完整动画播放与可视化显示。在整个工艺设计仿真及其应用过程中，该方案只需要一个通用的轻量化工艺格式文件，数据操作与管理过程非常简单，是最适合的一种解决方案。但该方案中轻量化工艺文件格式的设计与动画播放插件的开发是难点。

五、基于模型的制造工程管理平台建设

基于模型的制造工程技术以数字化的MBD和MBP模型作为数据信息的载体。因此，其数据传递模式需要从传统以人工为主的数据传递模式转变为网络传递模式。为了实现产品数据信息在整个产品开发与制造过程中的有序传递，需要对数据的生成、变迁和使用过程进行全面控制。所以，一个强大的基于模型的制造工程管理平台成为关键。

基于模型的制造工程管理平台应以企业技术资源为中心，对包括MBD模型、MBP模型等在内的产品数据及其生成变化过程实行全生命周期管理。制造工程管理平台的结构体系如图8所示，主要包括以下几个方面的功能。

（1）角色职责及分配管理方面：根据企业业务流程，制定详细的工作职责、数据输入输出要求，定制对应的软件操作功能，并分配给相关角色人员。

（2）产品研制过程管理方面：对产品项目的研制过程进行工作分解，并将其作为任务分配给相关角色人员生成完整的产品结构、工艺流程及工装数据。同时，对整个研制过程的进度进行全面、实时监控。

（3）产品数据管理方面：对产品数据的技术状态进行全面跟踪管理，使其达到一致性、完整性要求，包括产品结构管理、工艺流程管理、工装数据管理、更改管理及其有效性管理等。

六、结语

MBD技术引起了数字化产品定义技术的变革，为发展基于模型的数字化制造工程技术奠定了基础。通过数字化产品定义阶段形成产品MBD模型、工艺设计仿真阶段形成工艺MBP模型，以及其轻量化技术的突破，将使MBD模型、MBP模型成为信息传递的依据，并贯穿于整个产品制造过程中。基于模型的数字化制造工程技术进一步推动了数字化制造工程管理平台的开发建设，使数字化技术覆盖产品开发、生产管理和经营管理的方方面面，从而全面提升企业的核心竞争力，使企业在技术和经济方面取得双重效益。