MBD是一种在三维数字化实体模型中完整表达产品所有设计信息的产品数字化定义技术。它完全替代了二维工程图纸,使产品的设计方式发生了根本变化,并成为制造过程中的唯一依据,引起了数字化设计制造技术的重大变革,真正开启了三维数字化制造时代。

本书以MBD技术为主线,较系统地阐述了MBD模式下的产品数字化设计制造技术,内容包括MBD技术起源及其应用、基于模型的定义技术、基于模型的协同工艺设计技术、基于模型的装配工艺设计仿真技术、基于模型的机加工艺设计技术,形成了较为完整的MBD数字化设计制造技术体系。

本书可作为从事数字化设计与制造技术相关的专业技术与管理人员的指导用书。

第1章 MBD技术起源及其应用 1

1.1 MBD技术起源及影响 1

1.1.1 产品定义的初级阶段——工程制图技术 1

1.1.2 数字化产品定义技术的发展历程 4

1.1.3 MBD技术的推广应用 7

1.1.4 MBD技术对复杂产品制造的影响 8

1.2 基于模型的数字化技术应用框架 9

1.2.1 MBD技术的应用流程 9

1.2.2 MBD技术总体应用框架 11

1.3 基于TC/UG的数字化技术解决方案 12

1.3.1 基于TC/UG的数字化管理平台总体框架 12

1.3.2 基于TC/UG的三维工艺设计总体流程 14

1.3.3 三维工艺设计关键技术 15

第2章 基于模型的定义技术 20

2.1 MBD技术内涵 20

2.2 ASME标准对MBD模型定义简介 22

2.2.1 非几何信息表达 22

2.2.2 非几何信息的管理 25

2.3 CATIA的三维标注功能 28

2.4 MBD模型非几何信息在CATIA中的表达方法 29

2.4.1 标准说明 30

2.4.2 尺寸、公差及基准标注 31

2.4.3 工艺信息处理 32

2.4.4 材料描述说明 35

2.4.5 装配连接信息定义 36

2.4.6 模型数据标记信息定义 42

2.5 MBD模型信息组织管理 43

2.5.1 结构特征树的内容 43

2.5.2 相关设计数据的要求 44

2.5.3 标注信息操作管理 47

2.6 应用实例 51

2.6.1 机加件MBD模型 51

2.6.2 钣金件MBD模型 53

2.6.3 复材件MBD模型 54

2.6.4 对称件MBD模型 55

2.6.5 MBD安装模型 56

第3章 基于模型的协同工艺设计技术 58

3.1 基于模型的工艺设计特点 58

3.1.1 工艺方案策划 58

3.1.2 工艺设计过程仿真 59

3.2 复杂产品工艺数据的组织 59

3.2.1 装配工艺工作特点 60

3.2.2 装配工艺数据组织要求 61

3.2.3 以BOM为中心的工艺数据组织模式 62

3.2.4 基于BOP的装配工艺数据组织模式 64

3.2.5 多级生产空间组织及工艺流程组织 68

3.3 并行协同设计流程 70

3.3.1 工艺设计流程 70

3.3.2 装配工装设计流程 71

3.4 产品结构调整(装配单元划分) 73

3.4.1 概述 73

3.4.2 装配单元划分工作模式 74

3.5 各层工艺流程设计 75

3.5.1 车间层流程设计 76

3.5.2 ACC层流程设计 76

3.5.3 POS层流程设计 79

3.5.4 JOB层流程设计 80

3.5.5 工艺流程设计的工作模式 81

3.6 确定产品交付技术状态(中间件模型建立) 83

3.7 工装技术条件(定位计划)制定 86

3.7.1 工装定位计划 86

3.7.2 定位计划设计的工作模式 86

3.8 装配工艺数据类型 90

3.8.1 制造计划 90

3.8.2 工艺流程图与工艺图解 91

3.8.3 操作与检验记录 93

第4章 基于模型的装配工艺设计仿真技术 96

4.1 装配工艺仿真概述 96

4.1.1 数字化装配工艺仿真的目的 96

4.1.2 数字化装配工艺仿真的层次 97

4.2 装配工艺仿真模型的数据关系 99

4.2.1 空间单元之间的物流关系 99

4.2.2 空间单元与资源的对应关系 102

4.2.3 多层装配BOP工艺结构模型 102

4.3 基于模型的装配工艺设计仿真方案 105

4.3.1 工艺设计技术的发展现状 105

4.3.2 DELMIA数字化工艺设计平台 106

4.3.3 DELMIA DPM的主要功能 111

4.3.4 装配工艺过程设计仿真解决方案 113

4.3.5 基于DPM Assembly的装配工艺设计仿真过程 115

4.4 装配工艺数据现场无纸化应用 121

4.5 基于模型的轻量化应用技术 124

4.5.1 模型轻量化概述 124

4.5.2 轻量化技术的发展思路 125

4.5.3 轻量化技术的应用解决方案 127

第5章 基于模型的机加工艺设计技术 131

5.1 基于MBD的工艺设计系统 131

5.1.1 全三维工艺设计的原理 132

5.1.2 全三维工艺设计流程 133

5.1.3 全三维工艺设计系统的功能模型 134

5.1.4 全三维工艺设计系统的信息模型 136

5.1.5 全三维工艺设计系统的实现 137

5.2 参数化驱动的中差MBD模型生成与转换 138

5.2.1 基于特征的三维参数化设计 139

5.2.2 设计尺寸与特征参数关系 140

5.2.3 尺寸之间的相互影响规律 141

5.2.4 中差生成与转换流程 143

5.2.5 中差MBD模型的生成及转换实例 144

5.3 基于混合图与尺寸式的工序尺寸计算方法 148

5.3.1 零件加工工艺过程混合图建立 149

5.3.2 尺寸表达 151

5.3.3 工艺尺寸式的建立及应用 152

5.3.4 工序尺寸式的建立 154

5.3.5 计算实例 156

5.4 工序MBD模型的参数化驱动生成方法 158

5.4.1 工序MBD模型生成技术研究现状 158

5.4.2 工艺MBD模型与工序MBD模型 160

5.4.3 工序MBD模型的参数驱动生成过程 162

5.4.4 零件表面加工余量与特征参数的关系 163

5.4.5 加工余量的确定 165

5.4.6 工序MBD模型的驱动参数计算及其生成实例 167

5.5 三维工艺设计系统中机动时间自动计算的实现 172

5.5.1 机动时间计算概述 172

5.5.2 机动时间计算参数 173

5.5.3 计算参数数据的组织 175

5.5.4 结构几何参数的确定与提取 176

5.5.5 机动时间计算模块开发 177

5.6 通用工艺卡片格式定制技术 179

5.6.1 工艺卡片设计存在的问题 180

5.6.2 工艺卡片设计系统的功能 181

5.6.3 工艺卡片设计系统的实现 182

参考文献 187

基于以上MBD工程化应用的各项需求，需要有配套的工具辅助完成以下工作，包括：MBD数据的完整性、MBD模型的共享、面向制造的设计和设计与工艺的协同。

2013年以来市面上可以使用的工具如下：

1) SmartDoctor 模型管家

SmartDoctor模型管家：基于Pro/E或UG进行二次开发的软件，可以对模型进行属性检查、建模规范性检查、模型可制造性检查、工程图检查和三维标注检查。

SmartDoctor模型管家可以对模型的各种属性进行检查，包括模型名称、单位、材料、精度、参数等等，并可以将参数等信息通过EXCEL进行导出后，在EXCEL中进行单个或批量的编辑，并将编辑后的EXCEL表中的各种信息重新导入进模型，实现模型各种属性的批量更改，简洁而高效。适用于MBD模型在下发到制造部门前的自行检查和修复问题，防止有属性问题的模型下发到制造部门造成制造失误。

在建模规范性检查方面，SmartDoctor融合了Pro/E等三维软件对建模方面的各项要求，包括对修饰特征的处理方法、实体特征和非实体特征的处理方法、外部参考的使用等，并通过建模规范性的检查，确保模型特征的创建思路和方法符合全流程的应用需求，即能够尽可能的减少在生产制造环节产生不必要的麻烦。

SmartDoctor的模型可制造性检查用于对设计模型的制造合理性和制造可行性进行检查，确保设计模型能符合制造部门的生产设备和对应工装刀具的要求，可以帮助设计师在模型设计阶段就避免产生可制造性的问题，如采用了不合理的孔径、不合理的深孔等。

SmartDoctor还具有对二维工程图的规范性进行检查，包括工程图图幅大小、图纸比例、文本样式等等，还可以对二维工程图和三维标注中的假尺寸进行快速检查，确保在MBD工程化应用环境中，所有的模型尺寸都是真实有效的。

2) SmartComparison模型对比

SmartComparison模型对比：基于Pro/E或UG进行二次开发的软件，可以对不同版本的相同模型进行对比，对比的内容包括常规的属性（修改时间、材料、单位等）、特征的变化（特征增加或减少）、特征尺寸的变化、装配中零件的装配关系和装配数量的变化，并将这些对比内容以列表或文件的形式展现出来。

SmartComparison模型对比可以在制造部门接到设计部门的版本更新模型后，利用此工具快速查找更新的内容，并及时作出工艺层面的相应调整。

3) APDTools三维装配工艺

APDTools三维装配工艺：对于以MBD技术为核心的三维装配而言，其三维模型的原始数据量通常比较庞大，大容量的数据对于计算机硬件的要求也相应很高，所以不适合用原始的Pro/E模型做三维装配的动画和工艺。APDTools是国内自主知识产权的三维轻量化装配工艺系统，已经在我国的航天行业取得了广泛的认可，基于Pro/E或UG的三维模型数据进行轻量化后，导入到APDTools三维装配工艺系统内，即可进行三维装配动画和对应装配工艺的创建，并支持声音、文字和二维工艺卡片的添加和展示。由于采用了轻量化的数据处理方式，最大可以将三维模型的数据压缩到原有数据容量的二十分之一，从而极大的方便了对应三维装配动画和三维装配工艺的创建，为生产制造部门的装配制造提供了全新的手段。

4) SmartDrawing敏捷标注

Pro/E敏捷标注：基于Pro/E二次开发的软件，主要用于解决在Pro/E三维软件下二维工程图标注效率低的问题，可以方便快速的标注工程图中的尺寸、公差、技术要求、粗糙度、焊接符号及其他一些常用符号等，为了方便MBD模型快速生成二维工程图，还具备自动根据MBD的模型视图生成带三维标注尺寸的二维工程图视图的功能，用于对MBD模型需要同时提供二维工程图的场景下非常有效。

5) Smart3Drawing敏捷三维标注

Smart3Drawing敏捷三维标注：基于Pro/E二次开发的软件，用于改善Pro/E原有三维标注功能的不足，使三维标注更加快捷简便，且所有的标注符合相应的国家标准。在此基础上，还增加了很多原本Pro/E三维标注并不具备的功能，进一步提高MBD模型的标注效率。

MBD工程化应用是MBD技术推广应用的重要阶段，需要在这个阶段摸索和解决的问题很多，以上所列的工具只是众多工具和解决方案中的一部分，可以在MBD三维模型的全过程应用中更好的发挥它的作用和价值，减少设计部门和生产制造部门之间的交流沟通成本，真正让三维标注模型满足全流程的使用，最大程度的提高产品研发生产的效率，减少新产品上市时间，为企业创造更大的价值。2100433B

MBD技术要进行工程化的应用至少要包含以下几大部分内容：MBD数据的完整性、MBD模型的共享、面向制造的设计和设计与工艺的协同。

其中各部分的含义和重要性如下：

1) MBD数据的完整性

MBD（Model Based Definition），即基于模型的工程定义，是一个用集成的三维实体模型来完整表达产品定义信息的方法体，它详细规定了三维实体模型中产品尺寸、公差的标注规则和工艺信息的表达方法。MBD改变了传统由二维工程图纸来描述几何形状信息，而用三维实体模型来定义尺寸、公差和工艺信息的分步产品数字化定义方法。同时，MBD使三维实体模型作为生产制造过程中的唯一依据，改变了传统以工程图纸为主，而以三维实体模型为辅的制造方法。

三维实体模型在MBD技术中是作为唯一制造依据的标准载体，利用这个载体进行加工制造，首先就要保证这个载体所负载信息的完整性，这些信息包括模型本身的属性信息和三维标注的相关信息。

三维实体模型的属性信息包括但不限于以下内容：单位制、材料、公差标准、精度、参数完整性、三维标注完整性。由于MBD技术的特殊性，这些三维模型的属性信息必须准确，才能确保最终加工的产品为合格的产品。传统的方法是通过统一设置零件的模板来保证其单位制、材料、公差标注、精度等属性的一致性，但是这种方法只能确保模型中附带相应的参数，对于参数的值的填写与否或填写的值准确与否则没有相应工具进行保障，只能通过人工检查的方式进行MBD模型下发前的检查，效率和准确率都较低。

对于三维标注而言，传统的三维软件（如PTC公司的Pro/E和Creo系列产品）也只提供简单的标注工具，标注的效率较低，同时也无法确保标注信息的完整性，容易造成后续加工制造环节的失误。

MBD数据的完整性直接影响到后续加工制造的准确性，对整个MBD工程化应用至关重要。

2) MBD模型的共享

三维标注的实体模型作为唯一的设计数据指导生产和制造，其模型将在不同的部门之间实现共享和共用。这些模型的建模方法和建模规范是否标准直接影响到后续部门的模型重用。

三维标注的准确性也是影响MBD模型共享的重要因素，三维标注作为基于模型的标注方式，也支持真尺寸和假尺寸两种标注方式，在某些情况下，设计师为了保证设计任务的按时完成，可能会采用假尺寸的标注方式进行尺寸的标注，从而减少修改三维模型的工作量，但是由于MBD模型的特殊性，其三维标注的模型会直接作为加工制造的数据来源，所以假尺寸就意味着无法表达真实的三维模型结构，从而造成生产事故，影响产品交付。

MBD技术的工程化应用任重道远，其用标注的三维模型作为指导生产加工的唯一数据，取代二维工程图是必然的趋势，就如同当年的甩图板工程用AutoCAD替代了用图板和铅笔绘图一样。但是任何事物都有它的发展过程，MBD技术在工程化应用阶段，不可避免的要采用两条腿走路的方式，即条件成熟的适合MBD方式下发的模型利用MBD技术进行标注和下发，对于某些条件不具备的模型（如某些钣金件需要展开图等）或加工企业（如没有数控机床等）依然采用二维工程图的方式进行生产加工。

3) 面向制造的设计

MBD技术关注的重点就是设计和制造采用唯一的三维模型作为数据源。在传统的设计模式下，设计师的关注点都在三维模型的结构是否符合产品综合性能要求，如结构能否满足强度要求、重量要求等等；在设计师的工作中，一般情况很少考虑三维模型的可制造性，即所设计的三维模型的结构能否满足加工设备、加工刀具等等方法的要求。一般情况下，这些问题都是要等到三维模型通过一系列的审批程序发放到制造部门时才暴露出来，再由制造部门的人通过相应的反馈手续提出修改意见，由设计师进行更改。这些工作无形中增加了整个产品的交付周期，降低了设计效率。所以在MBD工程化应用中，必须考虑到三维模型的可制造性检查，并使设计师在设计阶段得到相应的改进意见。

4) 设计与工艺的协同

MBD的工程化应用还需要关注设计与工艺的协同，才能最大程度的提高协作效率。

MBD设计模型下发到制造部门后，通常情况下都会有或多或少的设计变更，在二维图纸指导生产的情况下，一般发生变更后都是通过下发变更单或在二维图纸上直接标注变更位置的方式通知制造部门进行变更。应用MBD技术后，设计部门变更后的模型通常直接交付给制造部门，缺少对应的手段和工具告知变更的位置和内容，造成制造部门需要自行查找变更部位，并执行变更，效率较低。

MBD技术要求三维模型作为唯一的数据源下发到制造部门，对于制造部门来说，就需要有能力打开并处理这些模型，包括浏览三维标注的信息，查看模型的结构特征等等。一般情况下需要在制造部门的加工设备上配备相应的显示终端和软件，如服务于加工设备的现场计算机及相应MBD三维模型浏览软件，由于三维模型本身对计算机的要求都相对较高，这些无形之间加大了制造部门的软硬件投入。MBD的工程化应用需要有轻量化模型的解决方案来减少MBD技术的成本投入。

同时，MBD技术只重点解决了单个零件的数据需要，对于装配而言，仅有简单的装配尺寸和装配精度的三维标注还远远不够，需要有完整的支持MBD技术的三维装配工艺做支撑，才能使MBD工程化应用得到真正的推广。