MBD对制造业技术发展的影响分析.doc

休I曲夬弟产品信息建模理论与方法学生姓名学生学号专业班级任课老师■卜■卜

1.1.2 MBD技术的优势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 等领域的机械产詁制造企业，为了缩短产詁生产周期、提高产詁质量、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：（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2） 可以使产品生产制造各环节的人员更准确、更直观地理解设计意图，降低 了因理解偏差而导致出错的可能性3） 大大缩短了产品表达的时间，从而缩短研制周期、降低成本4） MBD技术带來的便利也极大地推动了并行工程的开展1.2 基于模型的企业(ModdkBased Ent£rpris£・MBE)基于模型的企业(Model-Based Enterprise, MBE)是一种制造实体，它采用 建模与仿真技术对其设计、制造、产品支持的全部技术的和业务的流程进行彻底 的改进、无缝的集成以及战略的管理；利用产晶和过程模型来定义、执行、控制 和管理企业的全部过程；并采用科学的模拟与分析工具，在产品生命周期(PLM) 的每一步做出最佳决策，从根本上减少产詁创新、开发、制造和支持的时间和成 本。

术语“基于模型的企业”已成为这种先进制造方法的具体体现，它的进展代 表了数字化制造的未来在经济全球化的大趋势中，儿乎每一个国家都处于全球化竞争的市场小，而 经济竞争归根结底是制造技术和制造能力的竞争谁掌握了先进的制造技术，谁 就能制造出高水平的产詁，谁就掌握了市场，谁就能在竞争中立于不败之地20 世纪90年代以來，世界各发达国家先后制定了一系列高技术发展战略与规划， 以此来推动高技术产业化的进程，提升国家的经济竞争力与综合国力2005年 美国推出"下一代制造技术计划(The Next Generation Manufacturing Technologies Initiative,简称NGMTI)”，旨在加速制造技术突破性发展，加强国防工业的基 础和改善美国制造企业在全球经济竞争中的地位NGMTI计划提出的美国下一 代制造技术有6个F1标，其中第一个就是“基于模型的企业(Model-Based Enterprise,简称 MBE)”从技术JL讲，基于模型的企业(MBE)就是要基于MBD在整个企业和供 应链范围内建立一个集成和协同化的环境，各业务环节充分利用己有的MBD 单一数据源开展工作，使产詁信息在整个企业内共亨，快捷、无缝和低成本地完 成产詁从概念设计到废弃的部署，有效缩短整个产品的研制周期，改善生产现场 工作环境，提高产品质量和生产效率。

1.3 从 MBD 到 MBE企业的不断成功，源于在每个关键机遇期做出正确的抉择对于在国民经济 中发挥重要作用的中国制造业企业来说，如何面向未来，迎接信息时代的到来， 是对每个制造业企业的一个挑战正确作出选择的企业，将在新一轮的竞争中抢 占先机从MBD到MBE,构建一个基于模型的企业是--条漫长之路，需要在 许多方面做出突破和改善企业在摆脱传统的基于二维图纸的设计研发生产模式 向基于三维模型的全而数字化企业迈进的过程中，必须从根本上树立起数字化思 维和生产经营管理模式，建立以下科学的战略转型路径：(1) 树立数字化企业意识，实现传统思维向数字化思维的转变数字化技术引发人类思维方式的巨大变化在企业向数字化迈进的过程中，思维 方式的滞后将会使这场变革增加许多无谓的成本，思想的狭隘、保守乃至固步H 封将是企业实现基于模型的企业的最大障碍MBD技术在改变企业生产方式的 同吋首先要改变企业意识,也就是跳出二维的思维模式，建立三维的数字化模式 在企业管理和生产活动过程中树立数字化企业的思想，实现数字化思维在基于 模型的系统工程思想指导下，全面部署企业的数字化战略，是企业迈向数字化的 关键所在2) 从基础做起，构建MBD基础环境MBD的实施是-•项长期、复杂而有艰巨的工作。

不仅仅要解决技术问题，更主 要的是要有效解决由此带来的对企业文化、管理体制、生产方式的冲突，建立相 应的标准规范3) 在典型应用的基础上，进一步实现MBD技术在整个企业的扩展应用 MBD技术将设计、制造、检验、管理信息融为一体，是产品定义方式的革命和 未來设计制造技术的发展方向企业在推动MBD技术应用时一定要在典型应用 成功的基础上，逐步实现整个企业的扩展应用4) 整合己经拥有的MBD成果，实现基于模型的金业领先的制造业企业采取积极推行基于模型的企业战略，以加速产品开发他们的 H标相对清晰简单，拥有相对成熟的MBD成果，可以在整个产站生命周期中的 每个阶段中的每个功能上实现基于模型的设计、制造、检测和维护，成为基于模 型的数字化企业5) 正确选择合作伙伴，吸收专业咨询公司的技术优势和实施经验随着信息技术发展，企业信息化必将从简单走向复杂，技术与业务融合成为企业 信息化走向成功的关键企业天然地占据着业务管理的优势，企业管理者和各层 级的业务执行人员长期工作在生产的第一线，由于拥有多年的业务经验和高超的 技能，使得企业源源不断地为市场提供高性能、高质量的产品但是对于传统的 制造企业来说，面对信息技术和构建数字化企业的局面，却仍然感到陌生和力不 从心，他们需要选择专业化的信息化咨询服务公司作为合作伙伴，共同组建项H 团队，借助专业咨询公司的技术优势和实施经验，向基于模型的企业迈进。

2、汽车悬架产品功能需求、设计数据（库）、设计流程分析2.1汽车悬架的功能需求悬架是车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间弹性连接装置的总称， 是现代汽车上的重要总成之一，它最主要的功能是传递作用在车轮和车架（或车 身）之间的一切力和力矩，并缓和汽车驶过不平路面吋所产生的冲击，衰减由此 引起的承载系统的振动，以保证汽车的行驶平顺性因此必须在车轮与车架或车 身Z间提供弹性联接，依靠弹性元件来传递车轮或车桥与车架或车身Z间的垂向 载荷，并依靠其变形来吸收能量，达到缓冲的FI的采用弹性联接后，汽车可以 看作是由悬挂质量（即簧载质量）、非悬挂质量（即非簧载质量）和弹簧（弹性元件） 组成的振动系统，承受来自不平路面、空气动力及传动系、发动机的激励为了 迅速衰减不必要的振动，悬架中还必须色插阻尼元件，即减振器此外，悬架中 确保车轮与车架或车身Z间所有力和力矩可靠传递并决定车轮相对于车架或车 身的位移特性的连接装置统称为导向机构导向机构决定了车轮跳动时的运动轨 迹和车轮定位参数的变化，以及汽车前后侧倾中心及纵倾中心的位置，从而在很 大程度上提高了整车的操纵稳定性和抗纵倾能力总之，悬架的设计关系到汽车 的操纵稳定性、转向轻便性、行驶舒适性、轮胎寿命以及汽车布置中的运动干涉 等诸多方而。

悬架的主要功能需求有：（1） 传递车架和车轮之间一切的力（反力）及其力矩（包括反力矩）2） 缓和、抑制由于不平路面所引起的振动和冲击，以保证汽车良好的平顺性, 操纵稳定性3）迅速衰减车身和车桥的振动悬架系统的在汽车上所起到的这几个功用是紧密相连的要想迅速的衰减振 动、冲击，乘坐舒服，就应该降低悬架刚度但这样，又会降低整车的操纵稳定 性必须找到一个平衡点，即保证操纵稳定性的优良，又能具备较好的平顺性 悬架结构形式和性能参数的选择合理与否，直接对汽车行驶平顺性、操纵稳定性 和舒适性有很大的影响由此可见悬架系统在现代汽车上是重要的总成之一2.2汽车悬架设计数据（库）现代汽车特别是乘用车的悬架，形式，种类，会因不同的公司和设计单位， 血有不同形式但是，悬架系统一般由弹性元件、减振器、缓冲块、横向稳定器 等几部分组成等它们分别起到缓冲、减振、力的传递、限位和控制车辆侧倾 角度的作用因此，汽车悬架设计的数据库应该包括弹性元件、减振器、缓冲块、 横向稳定器等不同组件的详细设计数据以及他们之间的装配等参数除了以上参 数外，还应考虑安装该悬架的汽车相关参数以及他们Z间的装配参数汽车悬架设计数据库应该包括该电动汽车相关参数、悬架设计参数以及相关 部件装配参数等。

汽车技术参数包括总体尺寸、满载质量、轮距、轴距、离地间 隙以及乘坐人数和最高吋速等参数；悬架设计参数则包括悬架类型选择、弹性元 件、减振器、缓冲块等各个零部件的相关设计参数选择及设计计算等2.3汽车悬架设计流程分析 231产詁设计流程分析和产詁全设计流程分析产品设计流程的定义不仅是对设计步骤的指定，还要确定与已完成部分的装 配关系，并通过关键参数的设定，确定与后续设计零部件的对接关系；指定本步 骤设计应依循的规则，和在设计吋可提供给设计者参考的成熟的设计经验；还应 在流程定义时明确指定流程流转的条件，即何吋可以结束半前步骤的设计进人下 个步骤现在通常所说的产品的设计流程主要是指从概念设计到详细设计的宏观 设计流程全设计流程是围绕产品全生命周期各阶段设计问题进行规划、分析、求解和 建模，直至获得预期设计结果的信息处理全过程全设计流程包括设计过程、设 计数据、设计语义、设计行为四大要素，通过四大要素驱动统一产品信息模型， 并以该模型为载体完成设计信息的集成与重用全设计流程的提出避免了的现代 CAD技术以功能为中心、信息无流程、数据离散化、结果不一致的局限性，从 而建立了具有统一产品信息的模型。

2.3.2汽车悬架设计流程分析汽车悬架设计首先是悬架类型的选择，由于汽车悬架类型繁多且各有优缺 点以fT前在轿车小采用较多的麦弗逊选件为例，这种悬架将减振器作为引导车 轮跳动的滑柱，螺旋弹簧与其装于一体这种悬架将双横臂上臂去掉并以橡胶做 支承，允许滑柱上端作少许角位移内侧空间大，有利于发动机布置，并降低车 子的重心车轮丄下运动时，主销轴线的角度会有变化，这是因为减振器下端支 点随横摆臂摆动以上问题可通过调整杆系设计布置合理得到解决典型的结构 如图2-1 o汽车悬架设计流程大概要经过悬架结构形式的选择、悬架主要参数确定和主 要零部件选择计算以及CAE分析等，其流程图如图2-2o(1) 独立悬架与非独立悬架结构形式的选择：为适应不同车型和不同类型车桥 的需要，悬架有不同的结构型式，主要有独立悬架与非独立悬架例如轿车刈乘 坐舒适性要求较高，故轿车一般选择独立悬架2) 悬架具体结构形式的选择：麦弗逊式独立悬架是独立悬架中的一种，是一 种减振器作滑动支柱并与下控制臂较接组成的一•种悬架形式，与其它悬架系统相 比，结构简单、性能好、布置紧凑,占用空间少因此对布置空间要求高的发动机 前置前驱动轿车的前悬架几乎全部采用麦弗逊式悬架。

1 ■减振器外筒;2 ■活塞杆;3 ■弹簧支丿朋;4・横向稳定杆支架;5 ■横向稳定杆杆；6 ■副车架;7 ■横向稳定杆&发动机支屎;9・弹簧上支屎;10 ■隔离懈;11 ■辅助弹簧;12 ■防尘罩;13・U形夹;14 ■轴承;15 ■定位螺栓(3) 悬架主要参数的确定：悬架设计可以大致分为结构型式及主要参数选择和 详细设计两个阶段，有时还要反复交叉进行由于悬架的参数影响到许多整车特 性，并且涉及其他总成的布置，因而一般要与总布置共同配合确定在确定零 件尺寸之前，需要先确定悬架的空间几何参数其他主要参数还有悬架频率的选 择、悬架工作行程选择、悬架刚度计算等4）悬架主耍零部件选择设计：悬架主耍零部件有弹性元件、减振元件、传力 构件、导向机构以及横向稳定杆等选择主要是零部件类型结构的选择，例如弹 性元件选择螺旋弹簧，减振元件选择双向筒式液力减振器悬架主要零部件的设 计主要是毎个零部件设计的参数选择、计算以及结构形式的布置等，例如弹簧设 计以螺旋弹簧设计为例包括弹簧刚度设计、钢丝直径选择、弹簧外径选择弹簧有 效圈数选择以及刚度校核等图2-2悬架设计流程图3、汽车悬架产品设计、分析、制造和管理的MBD实现技术分析3.1概述在基于MBD技术的设计生产流程中，产品从设计到生产全部是在三维模型 的基础上进行，模型中同时集成了工艺、生产和检测等环节中必须的信息，保证 了产品设计数据在任何环节的一致性，能够有效解决基于图纸进行设计生产面临 的问题；同时，基于莫I型那个数据唯一性的优势，产品的技术状态管理过程更 为简单准确。

图3・1为基于MBD技术的主要设计生产流程图汽车悬架研发的MBD实现是一个复杂的过程,它色插建立悬架的三维MBD模型、实现悬架三维数字化装配工艺以及现场可视化技术应用等设计员工艺员审签系统7【工人］MES管理数据管理 系统MBD 模型DELMIA 3D机加工艺 设计三维数控 编程CATIA3D建模图3-1基于MBD技术主要设计生产流稈现场数控加工&常规机床加工MED模型3D/2D工艺文件G代码3.2悬架的MBD建模采用MBD技术定义的三维实体模型又叫MBD数据集，分为装配模型与零 件模型两种，其组织定义如图3・2所示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索构成，并用三维图形的方式描述了产 品儿何形状信息三维注释和属性统称为非儿何信息，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、测试需求等产詁内置信息而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信息（包括配合公 差、BOM表等）组成在三维建模软件（如CATIA等）环境下，建立悬架各零部件以及装配体的 MBD模型。

图3-3为悬架减振器防尘罩MBD模型，英模型中齐种基本特性定 义包含于特征树上，如图3・4所示对于各类尺寸标注，由于模型是可测的，一般认为无特殊要求的尺寸不在特别标注，对于外形尺寸、基准而、配合安装孔和 特殊精度要求尺寸等，则需要分类标注，具体标注方法根据所遵循的标准规范不 同而存在较大区别，但相比于二维图纸而言，MBD模型空间中的标注等信息通 常由于非常简洁，可以分类查看，并且具有关联特性，因此奇艺与理解的特性是 显而易见的图3-2 MBD数据集的纟H.织定义图3-3 MBD模型实例-• I >2* • * • • •■f磁xy平面-fitlyz平面- ・• • #*•*•*/• • •-昱ZX平面零件几何休旋转休.1草图.1d澀草图.2翦隹形f立公差尺寸视图盒休・1「鉤'内部厚度''外部厚度'-□凹植.1图3・4 MBD模型特征树实例对于未在模型中标注的尺寸，可以通过模型查阅工具或者CATIA的内部的测试工具获得相应尺寸，尺寸的公差等级等按照特征树上技术要求中所依据的标准确定3.2悬架三维数字化装配工艺设计三维数字化装配工艺设计是通过对悬架产品结构进行分析，在金业现有制造 能力（设备、工艺技术能力、人力资源等）及产量要求的基础丄，进行组件划 分，制定装配流程，确定装配方案，并选择各装配环节所需要的制造资源。

在三 维数字化装配工艺设计系统中，工艺设计用树状结构表示，主要由产品结构树、 工艺结构树、资源结构树3个分支构成，具体结构特征按企业需求进行工艺模 板定制基于MBD技术的三维数字化装配工艺设计主要工作流程如图3・5所 示悬架三维数字化装配工艺设计过程包括：数据准备工作，PBOM数据导入，工艺分里而划分，全集或部件装配工艺仿真，部件装配方案的设计，部、组件装 配AO的确定，工装订货单的编制及工装设计，工装数据导入，详细工艺设计， 部、组件装配仿真以及三维指令编制W MMI平台t!数据卜载、转换准备PBOM.产品转换数据在 OHMIX &据库管理r在工装； •于进行1 J工装数据的耳入xml格式PBOM及产品模型导人DPE在M\中进行组件划分DPM中时行全机或部件装配匸£仿真详细I•Z设计瞅组件装配仿孔DPM中逬行部件装配 方案的设计T我碗定及匸装订货单 的编制现场可视化应用图3-5基于MBD技术的三维数字化装配工艺设计流程3.3现场可视化应用由于采用MBD技术以后，生产现场不再发放二维图纸，为了满足装配生 产需要，中航工业陕飞采取了利用装配仿真视频、AO和三维工步视图指导现场 装配作业的解决方案，具体方法是将在DPE中完成的部组件工艺规划、设计内 容提取到CAPP中的AO模板中，包括AO内容页、辅材配套表、标准件配套 表、零件配套表等文档信息，同时输出DPM中部组件的仿真视频和WKC中 的三维工步视图，通过Windchill协同制造平台进行审签发放和管理。

通过装配现场可视化技术，使MBD技术在车间“落地”，它是将产品的 装配仿真验证文件、三维工作指令以及工艺设计文件等工艺信息传递导入到企业 的MES系统，发送到车间现场，操作人员通过现场触摸屏，在MES系统里査 询产詁工艺装配信息，可以直接查看三维装配指令及相关三维仿真，以更直观的 方式了解产品的装配属性，理解产品的装配工艺和工艺流程，从而提高装配工作 效率和准确性MBD技术现场具体应用过程是，首先运行MES系统,通过查 询工位设备号，确认某个部件的装配工位，查看AO文件名称、文件号以及装 配该部件的工艺装备，然后输入负责该部件装配工作的操作者证件号，进入该产 詁的具体生产信息界面，对应AO名称和文件号，查看产品的装配仿真验证动 画，直观地全面了解产品的装配流程，查看三维工作指令，获取产品的定位、装 配尺寸等装配信息，查看AO文件，获取产殆的装配零件及详细工作内容，最 终完成产品的装配4、基于MBD的汽车悬架产品设计实验报告4.1汽车悬架产品研发流程分析汽车悬架设计流程人概要经过悬架结构形式的选择、悬架主要参数确定和主 要零部件选择计算以及CAE分析等，其流程图如图4・1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:（1） 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。

2） 产品生产制造各环节的人员需要根据二维工程图在大脑中将其转换成三维 的设计印象加以理解，整个过程繁琐、低效，而且任何一个环节的理解偏差都会 导致最终产品不合格3） 传统产品设计由于三维软件标注功能的限制，设计人员往往要花费大量的 时间來进行二维工程图的转换和标注，产詁研制周期长、成本高而采用MBD 技术可以大大缩短了产品表达的吋间，从而缩短研制周期、降低成本4） 传统的设计模式中设计、工艺、工装、检验和制造都是分离的，不能像 MBD全三维设计-•样，工艺、工装、检验和制造等专业技术人员提前介入设计 阶段以提高设计效率图4・1悬架设计流程图4.2设计模型三维标注实践CATIA是法国Dassault公司开发的一款高端CAD/CAE/CAM 一体化应用软件由于其强大的曲面设计功能，CATIA软件在飞机、汽车、轮船等设计领域 亨有很高的声誉CATIA起源于飞机制造行业，像波音公司等飞机制造巨头都 在使用在我国，CATIA的发展十分迅猛，大部分的汽车和飞机制造业都己经 引进了 CATIA因此，本实验采用CATIA三维标注功能进行实验图4・2为悬 架减振器防尘罩的MBD模型图4-2防尘罩MBD模世CATIA三维标注界面改进建议:（1） 软件没有帮助功能，对于初学者来说是十分困难的；（2） 软件界面中有很多地方是英文，对于英文较差的人来说，学习与操作都有 一定的困难。

3） 对于某些特殊位置的尺寸标注不如传统的二维软件标注方便快捷4.3问卷调査（DFI前三维建模软件中的三维标注功能是否完全满足MBD设计技术的需求？ 不能，因为一•个完整的产詁定义信息常常包括配置信息、绘制信息、画法信 息、标注信息、常用结构信息、通用零部件信息、设计符号信息、制造工艺信息 与产品检验信息等，而其中标注信息又包括尺寸与公差范围、精度特征与技术要 求等，信息量如此之大，H前的三维建模软件在表达上还是有很多困难的2） 是否可以摒弃二维工程图，直接使用三维图样完成机械产品设计和制造？ 不能，因为MBD模型的最大优势体现在建模完成之后各个环节的协同高效进行，而MBD建模过程通常是在二维草图基础上变换而来的，二维草图的绘制 效率比AUTOCAD等软件的绘制效率要低很多，因此暂吋还不能完全摒弃而为 工程图3） 与二维零件图相比，三维零件图在信息表达上的优势有哪些？阅读二维图纸需要一定的空间想象能力，而三维零件图在表达零件外形方面 更准确、直观，降低了因理解偏差而产生错误的可能性4） 与三维零件图比较，二维零件图在信息表达上的优势有哪些？与三维零件图相比，二维零件图在定义尺寸、公差和工艺信息等方面标准统 一，因此表达更加全而、清晰和准确。

5） 二维工程图标注的内容是否存在三维图中无法标注的现象，请进行说明 存在，例如，为一个完整的产品信息非常大吋，由于三维模型和图样包含的信息 远多于传统图纸，由于标注信息量过大，为产品比较复杂吋经常会出现因信息量 杂乱无章而导致的“刺猾”现象6） 二维工程图与三维图样哪种方式更为直观？阐述理由三维图样，因为在表达几何外形方面更加直观，所有技术人员或操作工人无 需人工阅读二维图纸，而是从三维模型中直观地理解设计信息，这种三维的数据 表达方式更能准确、直接地反映设计者的设计意图，并被其他使用人员所理解，减少理解偏斧导致出错的可能性参考文献[1] 潘康华.基于MBD的机械产品三维设计标准关键技术与应用研究[D].机械科学研究总 院.2012[2] Reuse of Model Based Defi nition Data to In crease Army Efficiency and Reduce Lifecycle Costs.[EB/OL]・ U. S. Army Research Laboratory.[3] 杨建新.MBD模式下工艺设计关键技术研究.西安:西北丁•业大学，2012[4] 赵亮，张岩涛，吕翔.MBE发展动态及标准体系研究[J]信息技术与标准化，2013, 38(1):41-43.⑸姜红明，张丰华.MBD技术实施研究[J]机械制造与自动化，2012, 12(1):75-79。