MBD产品数据定义及管理方法研究

引言

在传统的产品研发过程中,工程图被看作是实现产品生命周期中各个环节之间信息交流的"通用语言",作为产品信息的主要载体,工程图最基本的作用是准确、清楚、无歧义地记录、表达和维护产品定义。但在二维研发模式下,设计知识的表达、获取和管理困难,复杂零部件的关键特征属性难以表现,从而直接影响了产品研发水平的提升。

基于模型定义(Mode1-BasedDefinition,MBD)将三维实体模型作为传递产品信息的载体,实现了产品研发过程中各类数据的集成表达,可以有效解决上述二维研发模式中的各类问题。正因为如此,基于MBD的产品研发近年来得到了广泛的重视,但MBD产品数据管理有其特殊性,无法直接借鉴二维模式下的产品数据管理方法。鉴于此,本文开展了MBD产品数据管理方法研究,并提出了具体的实施策略,为相关企业开展MBD产品研发提供借鉴。

1MBD的基本内涵

MBD是一种新的基于CAD模型的产品全生命周期管理(ProductLifecyc1eManagement,PLM)策略,与传统CAD模型仅包含几何信息不同,MBD策略将产品全生命周期的全部信息整合到CAD模型中,实现对各种产品信息的统一管理。MBD模型是产品设计过程中输出的唯一结果,也是贯穿于产品全生命周期过程中的唯一数据源。它在完整、全面地描述产品信息和反映设计者意图的同时,保证下游各应用环节可从模型中提取出所需要的数据信息以展开对应的工作。

MBD的主导思想是以产品全三维实体模型为载体,集成表达产品生命周期数据,从而提高产品数据表达的直观性,提升数据的传递效率,并降低数据管理难度。与二维产品数据相比,MBD产品数据可实现全结构化,各业务系统可直接从中解析需要的数据,避免了人为传递可能产生的误差。实施MBD的目的在于抑制冗余的定义信息和工程图,更方便地实施虚拟化生产制造,更有效地保证产品数据的一致性,更好地支持计算机辅助技术在产品设计和制造过程中的应用。

2MBD产品数据集

MBD产品数据集是MBD产品数据表达、管理的基础,本文参考Iso16792、AsMEy14.41、GB/T16772一1997、GB/T24732一2009建立了MBD数据集,如图1所示,主要包括MBD三维模型和MBD数据集管理信息两部分。

2.1MBD模型

MBD模型主要包括基准参考体系、特征实体模型、注释信息、模型/特征属性信息四个部分。

2.1.1基准参考体系

基准参考体系包括基准和坐标系,用来确定MBD模型在三维空间的具体位置,是MBD产品模型的重要组成部分,也是实现产品特征建模的基础。

2.1.2特征实体模型

特征实体模型是实施MBD方法的基础,精确地表达了产品的特征以及特征之间的拓扑关系。特征是一种综合概念,是产品开发过程中各种信息的载体,从设计和制造集成的角度可以将特征理解为零件设计的基本功能单元,每一类特征的加工方法和制造手段都基本类似。

按照特征在设计过程中的作用可将其分为主特征、辅助特征和辅助几何元素三部分。(1)主特征:主特征用来构造零件的主体形状结构。按照特征的复杂程度又可分为简单主特征和复合主特征。①简单主特征:包括孔特征、槽特征、轴特征等基本体素以及放样特征、扫掠特征、拉伸特征、旋转特征等与草图有关的特征。②复合主特征:复合主特征是简单特征的组合结构,是由简单主特征经镜像、阵列、修建、复制、布尔运算等操作得到的,如周向均布孔、矩阵阵列孔、同心孔等。(2)辅助特征:辅助特征是对主特征及其他辅助特征的修饰或细化,如螺纹特征、倒角特征、圆角特征、肋板特征等。(3)辅助几何元素:辅助几何是在产品定义数据中只表达设计要求而不表示产品物理部分的几何元素,如表示几何公差方向及线轮廓度方向的表征线素等。

2.1.3注释信息

注释信息是指视图、基准、装夹、尺寸、公差、粗糙度、精度要求、热处理方法以及技术要求等。

2.1.4模型/特征属性信息

属性是用来获取没有在MBD模型中直接显示出来的附加信息,是对产品数据信息的完善和补充。属性可通过文本、表格或其他方式来表达。

2.2数据集管理信息

数据集管理数据分为三类:初始数据、状态数据和使用数据。

2.2.1初始数据

初始数据构成一个数据集的规定标识,包括数据集的标识号1D(图号)、标识文本(如标题或说明)、修订信息、数据集合类型、大小及版本语言等。

2.2.2状态数据

状态数据是有效使用数据集所必须的附加数据。一个数据集在其生命周期中要经历开发、验收、颁发、存储和修改等不同的阶段,对应有"编制中""审查中""已批准""已发布""已撤销"等生命周期状态,每个状态中数据集的功能和效力是不同的,也直接影响到对数据集文件的使用。

2.2.3使用数据

使用数据是数据集的用途及使用记录,包括用途信息、用户信息、预订信息和使用记录。

3MBD产品数据管理实施策略

MBD产品数据管理实施策略主要包括:(1)数据的管理:产品全生命周期过程中的全部信息都通过MBD数据集来表示,这与传统的发放纸质工程图的过程大为不同,从而给现有的文档管理系统和管理方法提出了很高的要求,必须实施适当的方法来管理和记录MBD数据集的执行和修订过程。(2)数据的访问和可视化:下游用户(包括供应商和消费者)一般没有昂贵的CAD软件可供使用,因此需要一个廉价的轻量级可视化工具使用户可以读取和使用MBD数据集中的数据。(3)数据的内容:二维工程图经过长期的发展演变已成为一种法律文件,MBD中的数据不仅要包含二维工程图中的所有信息,还需要制定数字化环境下产品数据定义和表达的规范及标准。(4)数据的交流:由于CAD软件生成的三维模型数据量大、不同CAD系统产生的数据在异构平台下不兼容以及网络带宽的限制,原始三维模型数据的交换和共享具有困难。通过建立轻量化三维产品定义模型可以有效解决这一问题,但目前的轻量化格式还存在兼容性差、表达能力有限、加工特征难以提取等诸多问题。(5)数据的安全:需要建立一个机制来确保在对MBD数据集进行访问、交换、交互操作过程中数据的安全性(机密性、确定性、完整性和权威性)。(6)数据的保存:根据现有的二维图管理行规,产品数据可以保存几十年,如何在数字化环境下有效地保存产品定义以便重用数据就显得尤为重要。(7)对操作人员的技术要求:与传统制造模式相比,MBD环境下的技术人员要经常参与协同设计,因而不仅需要熟悉本环节的知识,还需要对上下游业务环节的相关业务内容有所了解。

4结语

基于MBD技术的制造模式是未来制造模式发展的一个必然趋势,但实施起来也将是一个长期、复杂而艰巨的过程。尽管在现实中还存在很多亟待完善的问题,却不能阻止MBD广为应用的趋势。企业应根据自身条件部署MBD实施战略,从而尽早完成产品研发模式的转型升级。