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MBD數模不只是2D標注的簡單三維化

1 概述

全三維MBD設計制造方法的實現,首先需要在設計端完成MBD數模的定義。MBD數模不只是2D標注的簡單三維化,需要對下列內容做好研究和定義,包括針對具體產品的MBD數據集的定義、PMI信息的管理、設計流程的變化和相應規范、產品設計BOM(DBOM)結構的組織、PMI信息的調用、數模可制造性檢查規范、設計軟件的功能支持、向下游的傳遞方法和使用方法等。

2

MBD 數據集定義

傳統的2D工程圖對設計意圖的描述通過尺寸、公差、技術要求、特殊說明等在視圖中表示,而材料、技術狀態、零件明細表、更改標記等在標題欄等專用區域中表示;后端工藝、加工、裝配、檢驗等環節則需要把這些信息轉換為工藝文檔和車間工作指導文檔,進而指導具體操作。

圖一:二維圖信息表示

MBD全三維設計和制造方法中MBD三維數模是產品制造的依據,那么MBD數據集則需要在三維模型中把上述信息以顯式或隱式的方式充分表示出來,并且能夠在后續環節中直接重用或方便地轉換。那么問題是在三維模型中是否需要把二維圖中的所有信息完全表示出來?哪些需要表示?用什么方式表示才能清楚傳遞到工藝端和制造端?簡言之MBD數模中的MBD數據集應該包括的內容以及表示方式需要首先定義清楚。

MBD數據集按信息類型分類包括三個方面的內容:三維模型、工程注釋和產品屬性。

圖二:MBD信息表示

2.1) 三維模型

三維模型是產品或零部件的理論精確形狀表示,三維模型相對于二維工程圖在設計意圖的理解方面有著巨大的優勢。

一是后端環節在三維模型上進行工作,不必進行思維轉換,從而避免人工思維轉換帶來的各種問題;

二是設計端不需要標注每一個尺寸,模型數據在后端尤其是數控加工可以直接使用,不會像二維圖中的假尺寸而引起問題;

三是有些信息甚至不需要詳細描述工藝員就可以完全理解,如關鍵零件上的裝配孔,一定會有精度要求,這時才需要關注尺寸公差、形狀公差和位置公差、裝配要求等。

2.2)工程注釋

工程注釋包括尺寸和公差、形位公差、技術要求、特殊說明、通用注釋等內容。其中技術要求中包含了主要的PMI信息,含有加工、檢驗、裝配等方面的要求。PMI信息的內容、描述方式、管理和調用需要重點考慮,是實現MBD設計的重點。針對具體產品可以對工程注釋進行細化,不同的產品類型或零部件類型應該清晰定義不同的工程注釋內容,同時在結構樹和幾何顯示區域關聯起來,使后端更容易理解和更順暢使用。

2.3)產品屬性

產品屬性包括材料、重量、設計審簽和更改過程控制等方面的信息。

目前一般企業基本都有PLM系統進行數據管理,那么像重量的自動計算、更改和版本等由PLM進行管控,設計員不需要再像二維圖中那樣填寫工程圖的內容,通過MBD模型屬性的管理可從PLM系統自動獲得并得以維護。

PMI信息要求在各種CAD工具中生成。設計部門在3D數模中完成完整的3D設計和添加尺寸、公差、3D工藝制造等信息。目前多種CAD軟件如CATIA、UG、CREO、SOLIDWORKS等都具有交互生成PMI的能力,但PMI信息都是手工輸入。PMI信息的分類、存儲、管理、規范、如何在CAD工具中方便調用不是CAD軟件提供的功能,各家CAD工具的供應商相關的PLM系統也都沒有給出統一的解決辦法。這也是準備實現MBD技術的企業需要逐步實現和完善的工作內容。

3 MBD 標準信息管理系統

傳統的二維圖中的制造和檢驗等PMI信息以技術要求的方式體現,而現實是這些技術要求并沒有清晰分類和管理,大多采用復制、粘貼、更改的方式應用在新設計的圖紙中。

MBD設計方法在PMI信息的表示方法確定后,就需要解決這個問題,不但要對PMI信息進行分類管理,還需要方便設計端的使用,以提升設計效率和質量;更要做到設計端和工藝端、制造端的信息一致和通用。

圖三:MBD信息管理系統

MBD標準信息管理系統是協調統一設計、工藝、制造和檢驗等環節的系統,除了管理PMI信息(附注庫)外,還需要管理諸如材料、標準件、設計知識等信息,同時提供對這些信息的入庫、更改的審批流程控制功能。

PMI信息分類方法根據產品特點可以按照零部件類型如數控加工件、鈑金件、電纜進行,也可以按照PMI信息類型如熱處理要求、機加要求、表面防護要求等進行;以方便設計員的查詢和調用。

MBD信息不僅僅是設計部門使用的信息,是需要貫穿整個產品生命周期的信息,因此MBD信息的匯總、歸納、提取需要工藝、制造、標準化、物資管理等多部門的協作和長時間的積累。

4 MBD 設計流程

MBD方法的設計流程需要根據應用軟件的不同和自身產品的特點加以定制和固化。結合設計軟件三維標注的功能,在三維標注樣式庫、MBD信息管理系統、MBD三維標注工具支撐下在原先三維設計的基礎上就可以實現產品的MBD設計。

圖四:MBD設計流程

不可否認的是,受制造端制造設備的自動化程度和供應商條件的限制,考慮到對下游的支持我們不得不考慮如何從MBD模型更方便地輸出二維工程圖或中間格式的MBD模型。

5 MBD 三維標注工具和PMI信息調用

實現高效的產品MBD設計需要基于設計軟件的二次開發工具做支撐。分別包括標注樣式定制、裝配和零件設計MBD節點定義、PMI查詢和調用、MBD模型檢查等工具。

圖五:MBD工具集

5.1)標注樣式庫

標注樣式需要按照GBT 24734.1-2009的要求在設計軟件中進行總結、驗證出三維標注企業標準;包括投影視角、字體樣式、字體大小、尺寸和公差、形位公差、尺寸線、線形等內容,是三維標注的基礎標準。

圖六:標注樣式定制和使用

5.2)MBD信息節點創建

方便設計員快速建立零部件的MBD信息節點,提供輔助或自動創建視圖等功能。

圖七:MBD信息節點管理

5.3)PMI信息調用、編輯

PMI信息調用、編輯,技術要求視圖自動生成等功能。

圖八:MBD信息調用和視圖自動生成

5.4)二維工程圖自動出圖

MBD設計完成后,MBD模型中含有所有后端需要的所有信息,因此從MBD自動輸出二維工程圖而不再重新標注工程圖成為現實;也是從二維工程圖到全三維MBD設計制造的過度方法。

圖九:二維工程圖自動輸出

除此之外,根據產品的特點,還需要定制或開發如孔的自動標注、(成組)標準件自動調用、MBD模型檢查等功能,使三維標注的手工交互操作盡量減少。

6 MBD 數模傳遞和使用

目前國內外有多種輸出和使用PMI信息的途徑。

6.1)基于同一軟件供應商的解決方案

如達索系統的MBD方案。基于CATIA進行MBD設計,后端DELMIA提供了工藝設計、編程、檢測等功能。關鍵是數據不需要轉換,下游環節直接使用上游數據,使用全三維數模最終完成制造。另外一個優勢是可以保證整個數據鏈的數據關聯和根據特殊需求開發特殊功能。

6.2) 中間格式

通過中間格式的MBD技術,是使用中間格式的文檔向下游傳遞數據,目前應用最多的是PDF和STEP兩種方式。

設計軟件通過3D PDF插件統一輸出3D PDF格式,PDF文件包括輕量化3D模型和所有PMI信息。PDF Reader可以直接打開,提供了瀏覽、簡單測量、投影視圖等功能。供應商或后續工藝制造環節根據這些MBD信息按照自己的能力組織生產,也有一些公司基于3D PDF格式開發了一整套工藝和制造文檔生成工具,如MBOM包括裝配零件清單,點擊清單中的零件三維可以高亮,還具有單獨看零件的功能;另外還有焊接和檢驗技術指導文檔的生成和輸出功能等。

以STEP格式輸出MBD信息又分為兩種方式;一是和上述3D PDF類似的方式,如ProSTEP公司開發了基于STEP格式的工藝和制造文檔生成和輸出工具。另一種方式是CAD工具如CATIA直接輸出帶有PMI信息的3D數模為STEP文件(STEP AP242),下游異構工具如工藝設計等可以直接讀入STEP文件完成工藝設計等工作。

以中間格式輸出MBD信息這種工作方式很難保證數據的關聯性,對更改管理要求更高。

7 結束語

MBD信息在設計端的表示是全三維設計制造的開始,需要根據產品的具體特點總結、歸納提取出PMI信息,并有效地管理和使用于MBD模型中。而實現MBD的關鍵還在于后續環節如何順暢傳遞和有效使用MBD模型和信息。


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