MBD管理

产品MBD设计

       由于在通常的CAD系统中,工程技术人员所建立的产品数字化模型仅是三维几何模型,而制造工艺信息还在二维图纸上。这样仅依据三维几何模型往往难以进行产品的生产和检验。也就是说,三维模型中没有让技术人员以立刻明白的方式,将生产工艺、模具设计与生产、部件装配、部件与产品检验等工序所必须的设计意图添加进来。三维模型虽然包含了二维图纸所不具备的详细几何形状信息,但三维模型中却不包括尺寸和公差的标注、表面粗糙度、表面处理方法、热处理方法、材质、结合方式、间隙的设置、连接范围、润滑油涂刷范围、颜色、要求符合的规格与标准等仅靠几何形状而无法表达的(非几何)信息。另外在三维建模中,基于形状的注释提示、关键部位的放大图和剖面图等能够更为灵活而合理地传达设计意图的手段也存在不足。这在实际工程中就产生既用三维模型,又离不开二维图纸的矛盾状态。

    美国机械工程师协会于1997年在波音公司的协助下开始本标准的研究和制定工作,于2003年成为美国国家标准。随后CAD软件公司把此标准设计到软件中,使波音公司才有可能在2004年开始的787客机设计中,全面采用基于模型定义MBD(Model Based Definition)新技术。使三维制造信息PMD(3D Product Manufacturing Information)与三维设计信息共同定义到产品的三维数字化模型中,使CAD CAM(加工、装配、测量、检验)等实现真正的高度集成,可不再使用二维图纸,数字化技术的应用有了新的跨域式发展,使工程技术人员从百年来的二维文化中解放出来。

       借助达索3DEXPERIENCE平台为制造业客户提供完整的产品MBD设计解决方案。3DE平台以三维数据作为沟通的基础,贯穿设计、制造、维护、供应商协作等整个过程作为产品生产制造的交流语言。通过多种信息化手段表达了几何信息以及材料、加工、装配、热处理等制造相关的综合信息,使得三维表达能够清晰完整地在整个业务流中进行传递。

3DEXPERIENCE MBD的核心特点:

l  基于MBD的数据是智能制造的核心与基础;

l  建立起以“数据交付”为核心的产品协同管理及评审体系;

l  产品数据 并不仅指“研发数据”,还需要包括“仿真数据”、“工艺数据”及“制造数据”。

1、概述

        MBD全3D化设计制造方法的实现,首先需要在设计端完成MBD数模的定义。MBD数模不只是2D标注的简单3D化,需要对下列内容做好研究和定义,包括针对具体产品的MBD数据集的定义、PMI信息的管理、设计流程的变化和相应规范、产品设计BOM(DBOM)结构的组织、PMI信息的调用、数模可制造性检查规范、设计软件的功能支持、向下游的传递方法和使用方法等。

2MBD 数据集定义

        传统的2D工程图对设计图的描述透过尺寸、公差、技术要求、特殊说明等在视图中表示,而材料、技术状态、零件明细表、更改标记等在标题栏等专用区域中表示;后端工艺、加工、装配、检验等环节则需要把这些信息转换为工艺文文件和车间工作指导文档,进而指导具体操作。

图1:2D图信息表示

        MBD全3D化设计和制造方法中MBD的3D数模是产品制造的依据,那么MBD数据集则需要在3D模型中把上述信息以显式或隐式的方式充分表示出来,并且能够在后续环节中直接重用或方便地转换。问题是,在3D模型中是否需要把2D图中的所有信息完全表示出来?哪些需要表示?用什么方式表示才能清楚传递到工艺端和制造端?简言之MBD数模中的MBD数据集应该包括的内容以及表示方式需要首先定义清楚。

        MBD数据集按信息类型分类包括三个方面的内容:3D模型、工程注释和产品属性。

图2:MBD信息表示

2.1 3D模型

       3D模型是产品或零部件的理论精确形状展示,3D模型相对于2D工程图在设计意图的理解方面有着巨大的优势:

  1. 后端环节在3D模型上进行工作,不必进行思维转换,从而避免人工思维转换带来的各种问题;
  2. 设计端不需要标注每一个尺寸,模型数据在后端尤其是数控加工可以直接使用,不会像2D图中的假尺寸而引起问题;
  3. 有些信息甚至不需要详细描述,工艺员就可以完全理解。

2.2)工程注释

       工程注释包括尺寸和公差、形位公差、技术要求、特殊说明、通用注释等内容。其中技术要求中包含了主要的PMI信息,含有加工、检验、装配等方面的要求。PMI信息的内容、描述方式、管理和调用需要重点考虑,是实现MBD设计的重点。针对具体产品可以对工程注释进行细化,不同的产品类型或零部件类型应该清晰定义不同的工程注释内容,同时在结构树和几何显示区域串联起来,使后端更容易理解和更顺畅使用。

2.3)产品属性

       产品属性包括材料、重量、设计审签和更改过程控制等方面的信息。

       目前一般企业基本都有PLM系统进行数据管理,那么像重量的自动计算、更改和版本等由PLM进行管控,设计员不需要再像2D图中那样填写工程图的内容,透过MBD模型属性的管理可从PLM系统自动获得并得以维护。

       PMI信息要求在各种CAD工具中生成。设计部门在3D数模中完成完整的3D设计和添加尺寸、公差、3D工艺制造等信息。目前多种CAD软件如CATIA、UG、CREO、SOLIDWORKS等都具有交互生成PMI的能力,但PMI信息都是手动输入。PMI信息的分类、存储、管理、规范、如何在CAD工具中方便调用不是CAD软件提供的功能,各家CAD工具的供货商相关的PLM系统也都没有给出统一的解决办法。这也是准备实现MBD技术的企业需要逐步实现和完善的工作内容。

3MBD 标准信息管理系统

       传统的2D图中的制造和检验等PMI信息以技术要求的方式体现,而现实是这些技术要求并没有清楚分类和管理,大多采用复制、贴上、更改的方式应用在新设计的图纸中。

       MBD设计方法在PMI信息的表示方法确定后,就需要解决这个问题,不但要对PMI信息进行分类管理,还需要方便设计端的使用,以提升设计效率和质量;更要做到设计端和工艺端、制造端的信息一致和通用。

图3:MBD信息管理系统

        MBD标准信息管理系统是协调统一设计、工艺、制造和检验等环节的系统,除了管理PMI信息(附注库)外,还需要管理诸如材料、标准件、设计知识等信息,同时提供对这些信息的入库、更改的审批流程控制功能。

        PMI信息分类方法根据产品特点可以按照零部件类型如数控加工件、钣金件、电缆进行,也可以按照PMI信息类型如热处理要求、机加要求、表面防护要求等进行;以方便设计人员的查询和调用。

        MBD信息不仅仅是设计部门使用的信息,是需要贯穿整个产品生命周期的信息,因此MBD信息的汇总、归纳、提取需要工艺、制造、标准化、物资管理等多部门的协作和长时间的积累。

4MBD 设计流程

        MBD方法的设计流程需要根据应用软件的不同和自身产品的特点加以定制和固化。结合设计软件3D标注的功能,在3D标注样式库、MBD信息管理系统、MBD的3D标注工具支撑下在原先3D设计的基础上就可以实现产品的MBD设计。

图4:MBD设计流程

       不可否认的是,受制造端制造设备的自动化程度和供货商条件的限制,考虑到对下游的支持,我们不得不考虑如何从MBD模型更方便地输出2D工程图或中间格式的MBD模型。

5MBD 3D标注工具和PMI信息调用

        实现高效的产品MBD设计需要基于设计软件的二次开发工具做支撑。分别包括标注样式定制、装配和零件设计MBD节点定义、PMI查询和调用、MBD模型检查等工具。

图5:MBD工具集

标注样式库

        标注样式需要按照GBT 24734.1-2009的要求在设计软件中进行总结、验证出3D标注企业标准;包括投影视角、字体样式、字体大小、尺寸和公差、形位公差、尺寸线、线形等内容,是3D标注的基础标准。

图6:标注样式定制和使用

MBD信息节点创建

        方便设计员快速建立零部件的MBD信息节点,提供辅助或自动创建视图等功能。

图7:MBD信息节点管理

PMI信息调用、编辑

        PMI信息调用、编辑,技术要求视图自动生成等功能。

图8:MBD信息调用和视图自动生成

2D工程图自动出图

        MBD设计完成后,MBD模型中含有所有后端需要的所有信息,因此从MBD自动输出2D工程图而不再重新标注工程图成为现实;也是从2D工程图到MBD全3D化设计制造的过度方法。

图9:2D工程图自动输出

       除此之外,根据产品的特点,还需要定制或开发如孔的自动标注、(成组)标准件自动调用、MBD模型检查等功能,使3D标注的手工交互操作尽量减少。

6MBD 数模传递和使用

       目前国内外有多种输出和使用PMI信息的途径:

6.1)基于同一软件供货商的解决方案

        如达索系统的MBD方案。基于CATIA进行MBD设计,后端DELMIA提供了工艺设计、程序设计、检测等功能。关键是数据不需要转换,下游环节直接使用上游数据,使用全3D数模最终完成制造。另外一个优势是可以保证整个数据链的资料关联和根据特殊需求开发特殊功能。

6.2 中间格式

        透过中间格式的MBD技术,是使用中间格式的文文件向下游传递数据,目前应用最多的是PDF和STEP两种方式。

         设计软件透过3D PDF插件统一输出3D PDF格式,PDF档包括轻量化3D模型和所有PMI信息。PDF Reader可以直接打开,提供了浏览、简单测量、投影视图等功能。供货商或后续工艺制造环节根据这些MBD信息按照自己的能力组织生产,也有一些公司基于3D PDF格式开发了一整套工艺和制造文文件生成工具,如MBOM包括装配零件列表,点击列表中的3D零件可以做Highlight,还具有单独看零件的功能;另外还有焊接和检验技术指导文档的生成和输出功能等。

        以STEP格式输出MBD信息又分为两种方式;一是和上述3D PDF类似的方式,如ProSTEP公司开发了基于STEP格式的工艺和制造文文件生成和输出工具。另一种方式是CAD工具如CATIA直接输出带有PMI信息的3D数模为STEP檔(STEP AP242),下游异构工具如工艺设计等可以直接读入STEP档完成工艺设计等工作。

        以中间格式输出MBD信息这种工作方式很难保证数据的关联性,对更改管理要求更高。

7、结论

        MBD信息在设计端的表示是全3D化设计制造的开始,需要根据产品的具体特点总结、归纳提取出PMI信息,并有效地管理和使用于MBD模型中。而实现MBD的关键还在于后续环节如何顺畅传递和有效使用MBD模型和信息。