面向船舶制造的MBD數(shù)據(jù)構(gòu)建與數(shù)據(jù)管理

李明宇，徐 巍，張文俊，何景異

(武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢430074)

0 引 言

船舶制造是典型的大型裝備制造行業(yè)，代表一個國家的綜合經(jīng)濟(jì)實力和技術(shù)實力。隨著我國船舶制造業(yè)數(shù)字化技術(shù)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的以二維圖紙為主的設(shè)計制造模式已無法適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的要求，以三維建模技術(shù)為基礎(chǔ)的三維數(shù)字化技術(shù)將成為未來船舶業(yè)制造發(fā)展的一個重要方向?；谀Ｐ投x(Model－Based Definition，MBD)的船舶三維模型建模方法是一種面向計算機(jī)應(yīng)用的船舶數(shù)字化定義方法與技術(shù)，其目的是采用集成化的三維實體模型完成船舶產(chǎn)品信息的表達(dá)，實現(xiàn)單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源下的數(shù)字化裝配與制造。

MBD 建模方法的核心思想是將傳統(tǒng)二維工程圖紙信息以三維數(shù)字化方式重新定義，在三維實體模型中完整的表達(dá)產(chǎn)品的設(shè)計、工藝、裝配和制造等信息，實現(xiàn)面向制造和裝配的設(shè)計［1］?；贛BD的模型定義方法起源于數(shù)字化制造技術(shù)的深入發(fā)展及航空領(lǐng)域?qū)s短飛機(jī)研制周期、降低研制成本的需求［2］。作為面向船舶裝配工藝的信息載體，MBD建模方法將在未來的產(chǎn)品設(shè)計及產(chǎn)品制造過程中發(fā)揮重要支撐作用。

國外目前的MBD 技術(shù)應(yīng)用已相對比較成熟，波音、空客、洛克希德·馬丁等航天航空企業(yè)均在其產(chǎn)品設(shè)計與制造過程中全面采用MBD 建模方法，并將其作為產(chǎn)品管理過程中的唯一數(shù)據(jù)來源［3－5］。波音公司在2004年研發(fā)的B－787 項目中，通過全面推廣與使用MBD 建模方法，使該客機(jī)項目的研發(fā)周期縮短40%，工程返工減少50%［6］。目前，我國基于MBD的建模方法尚處在研究初期，存在缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)可視化程度不高、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息難以表達(dá)等缺點，許多問題尚待進(jìn)一步的研究與發(fā)展［7－10］。

隨著三維數(shù)字化技術(shù)在船舶制造業(yè)的應(yīng)用深入，現(xiàn)有的三維建模方法難以實現(xiàn)從零件設(shè)計、裝配工藝到制造過程的信息實時交互，難以保證設(shè)計制造過程中產(chǎn)品、資源和工藝信息的完整性與一致性。本文以船舶制造業(yè)為研究背景，以三維實體模型為研究對象，構(gòu)建了面向船舶制造業(yè)的MBD數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及MBD數(shù)據(jù)管理方法，以滿足三維模型中模型對裝配制造信息的需求，達(dá)到提高船舶設(shè)計效率與可制造性，并將MBD數(shù)據(jù)作為產(chǎn)品模型設(shè)計與制造中的唯一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源的目的。

1 MBD數(shù)據(jù)構(gòu)建

面向船舶制造的MBD數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括幾何信息與非幾何信息兩類，其內(nèi)容涵蓋有坐標(biāo)系、實體模型、基準(zhǔn)、標(biāo)注信息、工藝屬性等5 類信息，如圖1所示。

圖1 面向船舶制造的MBD數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.1 MBD data structure for shipbuilding

面向船舶制造的MBD數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)M 可表示為:

1)坐標(biāo)系信息

坐標(biāo)系信息是三維模型建立的基礎(chǔ)，坐標(biāo)系可分為世界坐標(biāo)系CSw和局部坐標(biāo)系CSp。

在面向產(chǎn)品制造信息定義的過程中，具有相互關(guān)聯(lián)(父子關(guān)系等)的零件三維模型在設(shè)計時可用局部坐標(biāo)系為基準(zhǔn)設(shè)計零件，以減少工藝設(shè)計過程中的定位問題。

2)實體模型信息

實體模型信息由滿足制造需求的特征信息組成，其基本結(jié)構(gòu)為三角形片面結(jié)構(gòu)，實體模型幾何要素的特征描述分別為幾何特征SMf，幾何形面SMp以及幾何區(qū)域SMa。

其中，幾何特征是指在三維建模過程中，零件幾何元素形狀描述所使用的特征形狀，如內(nèi)/外螺紋、倒圓角、凹槽、拔模斜度等;幾何形面是指構(gòu)成基本幾何形狀的幾何面片要素，如平面、曲面、回轉(zhuǎn)面、柱面等;幾何區(qū)域隸屬于幾何形面的一部分，是具有特定要求的區(qū)域。

實體模型信息是面向船舶制造的MBD數(shù)據(jù)構(gòu)建的基礎(chǔ)，實體模型信息是其他非幾何信息(基準(zhǔn)、標(biāo)注及工藝屬性)的載體，通過將模型中幾何特征、幾何形面及幾何區(qū)域信息有機(jī)結(jié)合，實現(xiàn)對產(chǎn)品零部件幾何特征的準(zhǔn)確描述。

3)基準(zhǔn)信息

基準(zhǔn)信息是MBD 建模技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一?；鶞?zhǔn)信息是用來確定設(shè)計與制造過程中產(chǎn)品的點、面等幾何關(guān)系的信息，基準(zhǔn)按類型可分為基準(zhǔn)點BMp和基準(zhǔn)面BMl兩類。

基準(zhǔn)點可分為設(shè)計基準(zhǔn)點、工藝基準(zhǔn)點及制造基準(zhǔn)點，在面向船舶制造的MBD 建模技術(shù)中，設(shè)計基準(zhǔn)點用途非常廣泛，它既可以輔助定義模型特征的位置，又可以輔助建立其他基準(zhǔn)特征，如基準(zhǔn)軸、基準(zhǔn)曲線等基準(zhǔn)特征的建立。

基準(zhǔn)面是指用于制造和檢驗所創(chuàng)建的基準(zhǔn)元素的平面，基準(zhǔn)面可分為設(shè)計基準(zhǔn)面和加工制造基準(zhǔn)面。其中，設(shè)計基準(zhǔn)面指三維設(shè)計過程中建立的基準(zhǔn)面，此類基準(zhǔn)面更多的是面向零部件的設(shè)計過程;加工基準(zhǔn)面則面向的是工藝與制造過程中的基準(zhǔn)。在面向船舶制造的MBD 建模技術(shù)過程中，應(yīng)將兩者基準(zhǔn)面準(zhǔn)確區(qū)分及盡量統(tǒng)一，以利于設(shè)計與工藝、制造之間的信息交互。

4)標(biāo)注集

三維標(biāo)注是船舶制造業(yè)發(fā)展的重要方向，也是三維數(shù)字化技術(shù)替代二維平面技術(shù)的基礎(chǔ)。面向船舶制造的三維標(biāo)注，具有二維圖紙所沒有的直觀性與簡易性等特殊優(yōu)勢。通過對設(shè)計環(huán)節(jié)的零件信息標(biāo)注及制造環(huán)節(jié)的工藝信息標(biāo)注，可實現(xiàn)三維產(chǎn)品在整個規(guī)劃設(shè)計到制造過程的數(shù)字化信息實時交互。面向船舶制造的MBD 標(biāo)注集信息主要集中在零件質(zhì)量ACq、尺寸ACm、注釋ACn、精度ACp特征等4個方面。

零件質(zhì)量信息與產(chǎn)品及零部件的材料、體積相關(guān)，質(zhì)量信息一般保存在產(chǎn)品零件幾何體的屬性信息。

尺寸信息分為定形尺寸、定位尺寸及總體尺寸。其中定形尺寸為確定基本幾何體大小所需要的尺寸，如孔徑、邊長等;定位尺寸即描述基本幾何體之間的相對位置的尺寸，如孔中心軸與裝配長方體邊界的距離;總體尺寸即指裝配體或零部件的總長度、總寬度及總高度等，用以描述裝配體或零部件的主要外形信息。

注釋信息是對產(chǎn)品設(shè)計與制造過程的解釋說明，注釋信息由標(biāo)準(zhǔn)說明、零件注釋、材料描述與標(biāo)注說明組成，如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)注釋信息Tab.1 Annotation information data structure

精度特征信息主要用以描述幾何形狀和尺寸的許可變動量及誤差，是船舶設(shè)計、裝配與制造階段的重要依據(jù)，如圖2所示。精度特征信息可分為公差信息與表面粗糙度信息兩大類。公差信息可分為尺寸公差信息與幾何公差信息兩大類，公差的準(zhǔn)確標(biāo)注可保證產(chǎn)品的裝配質(zhì)量以及互換性等重要屬性指標(biāo)。

圖2 精度特征信息分類Fig.2 Precision feature information

5)工藝屬性

面向船舶類的工藝屬性信息是制造裝配信息的重要載體，包含零件之間的聯(lián)接關(guān)系PIc、零件使用的工具信息PIt以及裝配方向信息PIac等。裝配聯(lián)接關(guān)系如圖3所示。

圖3 船舶類制造裝配聯(lián)接關(guān)系圖Fig.3 Connection relation for shipbuilding

工具信息即是在裝配制造過程中所使用工具的類型及數(shù)量，工具信息的提取可通過對通用工具數(shù)據(jù)庫中的工具編號完成，該方法不僅可以簡化制造系統(tǒng)中零件的規(guī)劃與利用，也利于制造裝配過程中工藝因素的分析。

方向信息即零部件沿坐標(biāo)系中的某個方向裝配制造信息。原則上，設(shè)計基準(zhǔn)面、裝配基準(zhǔn)面與加工基準(zhǔn)面間無必然聯(lián)系，但在產(chǎn)品設(shè)計與制造的過程中，如可將三者結(jié)合統(tǒng)一，則可以簡化設(shè)計與制造的難度，便于制造方向信息的管理與統(tǒng)一。

2 MBD的數(shù)據(jù)管理

在面向船舶制造的MBD數(shù)據(jù)構(gòu)建過程中，對于不同種類的零件，其定義的模型信息不盡相同，即使是同一種類的零件，在三維零件設(shè)計、工藝設(shè)計、制造階段定義的數(shù)據(jù)信息也不盡相同。如在傳動軸三維零件設(shè)計階段，需對該軸的坐標(biāo)系、三維模型、建?；鶞?zhǔn)等進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計說明，在工藝設(shè)計階段需對其加工精度、公差等工藝屬性信息說明，以便于軸系的順利裝配，而在工藝設(shè)計完成后，在三維模型上需要對其截面抗彎剛度、材料等詳細(xì)標(biāo)注說明，以便于加工制造。

面向MBD的模型信息應(yīng)在不同的設(shè)計、制造階段建立相應(yīng)的模型屬性，以利于數(shù)據(jù)信息的管理與交互。為簡化MBD 模型的復(fù)雜性，便于信息交互，需對原有MBD 模型數(shù)據(jù)進(jìn)行分類管理，在不同的設(shè)計階段分配不同的零件模型及模型信息，以利于零件設(shè)計、工藝設(shè)計和制造設(shè)計。

圖4 為面向船舶制造的MBD 模型管理流程。由圖可知，MBD 模型經(jīng)設(shè)計發(fā)布后向下傳遞到工藝設(shè)計，通過工藝設(shè)計及仿真預(yù)驗證后，將帶有工藝及工裝信息的MBD 模型下放至制造部門，從而實現(xiàn)制造部門的加工制造。

為完整清晰地表達(dá)面向船舶制造的MBD數(shù)據(jù)管理模型，可將數(shù)據(jù)管理模型劃分為設(shè)計層、工藝層與制造層，3 層之間相互關(guān)聯(lián)，通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互平臺完成信息的交互。其中，設(shè)計層為基礎(chǔ)層，工藝層為中間層，制造層為實施層，此類分層方法可在較大程度上滿足面向船舶制造業(yè)的三維模型要求。設(shè)計層、工藝層與制造層之間相互關(guān)系的數(shù)據(jù)管理模型如圖5所示。

1)設(shè)計層

設(shè)計層包括三維實體模型信息、坐標(biāo)系信息、尺寸信息以及層次結(jié)構(gòu)樹等三維模型信息，設(shè)計層是整個MBD數(shù)據(jù)構(gòu)建的基礎(chǔ)。設(shè)計層的目的首先是建立和發(fā)布零件的坐標(biāo)系及零件基本尺寸;其次是建立三維零件實體模型，建立尺寸信息，為后期產(chǎn)品工藝設(shè)計做準(zhǔn)備;最后以產(chǎn)品的模型層次結(jié)構(gòu)樹作為產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的依據(jù)。設(shè)計層的準(zhǔn)確劃分與定義不僅可以滿足設(shè)計部門零件設(shè)計的需求，而且可以實現(xiàn)零件與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的交互。設(shè)計層是零件設(shè)計的核心層，設(shè)計層包含了基本所有零件設(shè)計信息，但設(shè)計層自身不涉及零件工藝與制造信息的制定。

圖5 面向船舶制造的MBD數(shù)據(jù)管理模型圖Fig.5 The MBD data management model for shipbuilding

2)工藝層

工藝層是面向船舶制造的MBD數(shù)據(jù)管理的核心層，也是面向船舶制造的MBD 模型建立的關(guān)鍵層。工藝層包含了原有二維圖紙中的諸多工藝信息，如零件加工基準(zhǔn)、零件的尺寸公差、表面粗糙度、精度等級等關(guān)鍵工藝信息。工藝層模型建立的目的首先是需要完整清晰的表達(dá)工藝信息;其次是制定工藝規(guī)劃方案;三是實現(xiàn)工裝工具方案的制定與選型;四是實現(xiàn)制造方案的驗證與分析;五是實現(xiàn)設(shè)計層與制造層之間的信息交互。

工藝部門以零件三維模型為基礎(chǔ)，制定該零件的初步工藝規(guī)劃方案，完善該零件在制造過程中的基準(zhǔn)、尺寸公差、表面粗糙度、零件精度等級、連接類型、零件的質(zhì)量、材質(zhì)等工藝信息與注釋信息，以完善面向船舶制造的MBD數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。通過對模型零件信息的不斷完善，制定出初步工藝規(guī)劃方案，在三維模型下放到工藝部門的同時，針對設(shè)計過程中的工裝工具，采用裝配仿真軟件對其可制造型分析驗證，并將分析驗證結(jié)果反饋至數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，以實現(xiàn)工裝工具方案的制定與發(fā)布。

3)制造層

制造層是MBD數(shù)據(jù)管理的最頂層，也是數(shù)據(jù)管理的關(guān)鍵層之一，該層模型信息較為簡單，不存在零件設(shè)計層的層次結(jié)構(gòu)樹、坐標(biāo)系等原始模型信息。制造層的目的在于準(zhǔn)確將設(shè)計與工藝部門的信息傳遞到制造部門，滿足制造部門的工藝裝配要求，實現(xiàn)產(chǎn)品的順利制造。

3 示例應(yīng)用

圖6所示為某船舶主軸的三維模型，該模型采用CATIA V5R20 為工具建模完成。在以世界坐標(biāo)系為參考建立完成實體模型后，在實體模型中標(biāo)注完成基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)信息、工藝屬性等數(shù)據(jù)信息，以實現(xiàn)面向某船舶主軸MBD信息數(shù)據(jù)的構(gòu)建。

圖6 某船舶主軸MBD 模型圖Fig.6 The MBD model for a ship axis

4 結(jié) 語

MBD 建模技術(shù)是船舶制造業(yè)數(shù)字化設(shè)計與制造研究的熱點與難點，是未來船舶制造業(yè)數(shù)字化發(fā)展的必然趨勢。本文將MBD 建模技術(shù)與船舶制造過程相結(jié)合，以零件三維模型為載體，構(gòu)建面向船舶制造過程的MBD數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過對MBD數(shù)據(jù)的設(shè)計層、工藝層與制造層的三層劃分，以滿足制造過程中對三維數(shù)據(jù)的需求，使以MBD 技術(shù)定義的三維模型作為制造過程中的唯一數(shù)據(jù)依據(jù)。

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