基于MBD的機車關(guān)聯(lián)設(shè)計方法研究

張信廣，王宗民，李浩杰，張雪剛

中車青島四方機車車輛股份有限公司

基于MBD的機車關(guān)聯(lián)設(shè)計方法研究

張信廣，王宗民，李浩杰，張雪剛

中車青島四方機車車輛股份有限公司

圍繞目前機車設(shè)計中的效率低，更改繁瑣等問題，本文研究了MBD技術(shù)原理，基于MBD技術(shù)研究了關(guān)聯(lián)設(shè)計的原理，分析了關(guān)聯(lián)設(shè)計中的骨架模型的定義，給出了基于MBD的機車關(guān)聯(lián)設(shè)計過程，為機車的關(guān)聯(lián)設(shè)計提供了技術(shù)指導(dǎo)，可有效的提高產(chǎn)品的設(shè)計效率。

MBD；關(guān)聯(lián)設(shè)計；骨架模型；設(shè)計過程

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，機車產(chǎn)品的種類不斷增多，為人們的日常生產(chǎn)、生活活動提供了諸多便利。就目前來說，新型機車產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，但是由于大部分機車產(chǎn)品的工藝復(fù)雜，對工程技術(shù)的要求較高，而且設(shè)計要求復(fù)雜，涉及多個學(xué)科的交叉，導(dǎo)致整個機床配件的匹配相對繁雜。為了提高機床的設(shè)計效率，目前大部分企業(yè)多采用三維設(shè)計技術(shù)，但是我們不得不注意到，該種設(shè)計技術(shù)條件下，機床的外形與結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)之間是相互影響的、相互依賴的，稍有不慎，就會影響機床的整體性能。近年來，國內(nèi)外學(xué)者也致力于該方面的研究，力求通過數(shù)字化的設(shè)計技術(shù)來更好地控制并傳遞三者之間的這種相互影響、相互依賴的關(guān)系，使得機車設(shè)計過程中的更新、迭代效率更高。但是，到目前為止，該方面的研究成效并不是十分顯著。

關(guān)聯(lián)設(shè)計是產(chǎn)品研制中通過建立模型之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系如零件之間、結(jié)構(gòu)之間、自由度、運動約束等實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計機理-尺寸驅(qū)動關(guān)聯(lián)、幾何驅(qū)動關(guān)聯(lián)、邏輯關(guān)聯(lián)等，通過這些關(guān)聯(lián)更改其他的相關(guān)更改，從而使得機床設(shè)計更改更快，提高機床整體性能。

過去，由于技術(shù)條件等方面的限制，產(chǎn)品的定義多是用紙質(zhì)版的二維工程圖來表示。而隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷進步，該種表示方式已經(jīng)日漸落后，各類產(chǎn)品都要求利用專業(yè)的繪圖形式來清晰表達其結(jié)構(gòu)及相關(guān)的制造要求。計算機輔助技術(shù)的出現(xiàn)及應(yīng)用恰好適應(yīng)了此點，很多航空產(chǎn)品已經(jīng)采用了三維數(shù)字建模的形式。但是，需要注意的是，在實際的應(yīng)用過程中，這些產(chǎn)品的三維數(shù)字信息也要轉(zhuǎn)化為二維圖紙，這個過程耗時、耗費人力，加之由于轉(zhuǎn)化過程中各種限制性因素的存在，轉(zhuǎn)化過程中很容易出現(xiàn)理解偏差。例如，為了保持其行業(yè)領(lǐng)頭羊地位，波音公司的設(shè)計部門率先全面推進三維數(shù)字化的定義技術(shù)，該種技術(shù)就是所謂的基于模型的定義技術(shù)（Model Based Definition，簡稱MBD）技術(shù)，該技術(shù)為企業(yè)的發(fā)展帶來了巨大的機遇[1]。之后，該技術(shù)在各國的產(chǎn)品生產(chǎn)與設(shè)計過程中得到了廣泛的應(yīng)用。

本文研究MBD技術(shù)在機車關(guān)聯(lián)設(shè)計中的應(yīng)用，研究MBD模式下產(chǎn)品信息表達、骨架模型定義、如何進行基于MBD的產(chǎn)品關(guān)聯(lián)設(shè)計等，為未來機車的快速設(shè)計提供指導(dǎo)。

1.MBD的概念與表達

正如上文中所提到的，MBD技術(shù)是一種基于模型的定義技術(shù)，是指用集成的三維實體模型來完整表達產(chǎn)品定義信息的方法。該技術(shù)應(yīng)用的主要原則就是將原來那些用二維圖紙所表達的產(chǎn)品的幾何結(jié)構(gòu)信息、產(chǎn)品屬性信息等，都集中于一個三維的數(shù)字化模型中。該技術(shù)的應(yīng)用徹底顛覆了過去用二維圖紙來定義產(chǎn)品信息的方法，在三維數(shù)字化模型的技術(shù)基礎(chǔ)上，將產(chǎn)品工藝、制造、裝配等各項工作有機融合在一起，使得產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、制造以及后期維護工作更好地融合在一起，使得產(chǎn)品生產(chǎn)到應(yīng)用過程中信息更為準確，也更為迅速，這樣原來的三維模型與二維圖紙之間存在的偏差也逐漸減小，產(chǎn)片的研制周期進一步壓縮，生產(chǎn)效率提高[2]。

最早來說，波音公司開始大范圍推廣使用MBD計算，并將其787項目產(chǎn)品的研制周期縮短了百分之三十左右，研制效率的提高使得企業(yè)的利潤增加。同時，波音公司的研究者發(fā)現(xiàn)，MBD技術(shù)的應(yīng)用有效地避免了傳統(tǒng)二維圖紙信息表達不準確的弊端，使得產(chǎn)品的研發(fā)成本也大大降低。自此之后，一些其他的公司也開始學(xué)習(xí)應(yīng)用MBD技術(shù)，將三維標準的模型作為產(chǎn)品生產(chǎn)的唯一數(shù)據(jù)源，保證產(chǎn)品生產(chǎn)信息的準確性[3]。

一個完整的MBD數(shù)據(jù)集是由如下幾個部分構(gòu)成的：設(shè)計模型、標注和屬性，具體來說如圖1所示。

圖1 CATIA環(huán)境下MBD數(shù)據(jù)集的表達方式

第一部分，設(shè)計模型。設(shè)計模型是MBD數(shù)據(jù)集中最復(fù)雜的部分，由外部參考、構(gòu)造幾何、工程幾何和零件幾何體構(gòu)成。其中外部參考可以關(guān)聯(lián)到產(chǎn)品其他的幾何元素（模型間關(guān)聯(lián)關(guān)系的有效載體），這些元素驅(qū)動著產(chǎn)品的表面或者實體模型元素的定義。工程幾何則是整個MBD建模的基礎(chǔ)支撐，包括坐標系統(tǒng)等。構(gòu)造幾何主要是用來保存產(chǎn)品三維建模過程中的各種必要信息，是在產(chǎn)品外部參考信息與工程幾何的基礎(chǔ)上所需要的各種幾何數(shù)據(jù)，這并不是為了描述產(chǎn)品的制造工藝的。零件幾何則是用來描述產(chǎn)品的實體形狀的，其中包含產(chǎn)品的一系列的生成特征。

第二部分，標注包括尺寸、基準、公差、粗糙度、文本信息和工程注釋信息。除了工程注釋信息，其他信息都可以在三維數(shù)字模型上表示出來。而工程注釋信息則是用來表達二維圖紙中的明細表、技術(shù)要求等，是由一些特定的幾何圖形集組成的，包括零件注釋、材料注釋、各種審簽信息等。當然，對于部分裝配件模型來說，工程注釋還會涉及到產(chǎn)品機械連接、密封等相關(guān)信息。

第三部分，屬性。它主要包括產(chǎn)品項目名稱、零件編號、重量等信息，是根據(jù)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)管理信息來添加的。由于屬性信息不經(jīng)常被瀏覽，常用CATIA的屬性件來進行查詢等工鞥。

2.關(guān)聯(lián)設(shè)計

關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)是三維產(chǎn)品定義過程中各個模型之間相互依賴關(guān)系建立的關(guān)鍵所在。該技術(shù)的應(yīng)用對于實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計輸入與輸出之間的關(guān)系影響重大，同時它們之間所形成的輸入輸出關(guān)系也會對定義骨架模型起到重要作用。

眾所周知，機車設(shè)計過程中要更改設(shè)計數(shù)模是十分繁雜的，需要大量的人力、物力投入。關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)C車總體與結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)以及系統(tǒng)之間的設(shè)計更好地關(guān)聯(lián)起來，實現(xiàn)信息共享，提升了機床設(shè)計數(shù)模變更的速度與效率。另外，上游設(shè)計的變更也能夠及時關(guān)聯(lián)到其他部分，設(shè)計數(shù)據(jù)能夠保持高度一致[4]。

機床設(shè)計過程中會涉及總體、結(jié)構(gòu)或者系統(tǒng)的骨架模型節(jié)點，也就是所謂的骨架模型拓撲結(jié)果（見下圖2）。該骨架模型節(jié)點內(nèi)容繁雜，寶開闊產(chǎn)品所有關(guān)鍵的設(shè)計要素，包括一些點、線、面的位置等，這些要素也會形成一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而進行關(guān)聯(lián)關(guān)系定義。

圖2 關(guān)聯(lián)設(shè)計產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層次及關(guān)系

3.骨架模型的定義

作為關(guān)聯(lián)設(shè)計的神經(jīng)中樞，骨架模型是下游零件設(shè)計的直接驅(qū)動者，它會對骨架模型劃分合理與否產(chǎn)生十分重要的影響。骨架模型的建立使得產(chǎn)品的相關(guān)數(shù)據(jù)盡快地更新與傳遞，使得零件數(shù)據(jù)進一步更新。一般來說，骨架模型有四種：總體骨架、接口骨架、部段骨架和部件骨架，如圖3所示。

圖3 骨架模型的分類

第一，總體骨架。這是最為重要的，也是其他三種骨架形成的重要基礎(chǔ)，它是由總體外形和整機布置站位兩個部分構(gòu)成的，主要是幫助下游建立接口骨架。

第二，接口骨架。該骨架的主要作用是協(xié)調(diào)兩個甚至多個不斷之間的對接區(qū)域，接口骨架是由多個公用元素組成的，主要進行各步端之間的協(xié)調(diào)。

第三，部段骨架。部段骨架是關(guān)聯(lián)設(shè)計的重要基準，由三大類元素構(gòu)成：總體骨架中引用的元素、接口骨架中引用的元素以及各個部段細化的元素。部段骨架能夠根據(jù)部段的特點對下游部件進行適當?shù)牟鸱郑瑥亩沟霉羌芨聲r的影響面進一步降低，這樣也會使其他零件不受影響。

4.基于MBD的機車關(guān)聯(lián)設(shè)計

在進行機床設(shè)計時，設(shè)計者必須要首先考慮機床的總體及局部坐標系，從而發(fā)布整個機床的坐標系，之后才會在此基礎(chǔ)上設(shè)計機床的車廂外形等，建立整個機床的總體骨架模型，如圖2所示。

當然，隨著設(shè)計工作的推動，設(shè)計技術(shù)不斷提升，機床設(shè)計的骨架模型也不斷成熟起來，這些骨架模型可以供車體、車內(nèi)等專業(yè)引用。之后，設(shè)計者要根據(jù)前期發(fā)布的骨架模型建立整個機床的結(jié)構(gòu)骨架模型，隨后布置零件的主要元素，進行零件的詳細設(shè)計，如圖4。在完成零件的詳細結(jié)構(gòu)設(shè)計之后，工作人員要在之前三維建模的基礎(chǔ)上標注三維信息，將標注信息與機床的幾何特征關(guān)聯(lián)起來。如果零件的局部特征發(fā)生更改，相關(guān)的三維標準信息也會相應(yīng)更新，設(shè)計變更會更為簡單快捷，機床的設(shè)計質(zhì)量會進一步提高，設(shè)計所需要花費的時間也會大大縮短。

圖4 基于MBD的關(guān)聯(lián)設(shè)計

5.總結(jié)

本文通過對MBD的技術(shù)原理進行了闡述，分析了關(guān)聯(lián)設(shè)計的原理和骨架模型定義的關(guān)鍵技術(shù)，給出了基于MBD的關(guān)聯(lián)設(shè)計過程，可以有效的指導(dǎo)機車的關(guān)聯(lián)設(shè)計，從而大大提高機車的設(shè)計效率，實現(xiàn)機車設(shè)計的快速更改。

[1]賈曉亮.關(guān)于MBD技術(shù)在我國航空制造企業(yè)應(yīng)用的幾點思考[J].航空制造技術(shù)，2013（3）：50-54.

[2]徐圣，劉曉明，姚小虎，等.基于MBD的飛機數(shù)字化定義技術(shù)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2011（27）：48-49.

[3]周秋忠，范玉青.MBD技術(shù)在飛機制造中的應(yīng)用[J].航空維修與工程，2008（3）：55-57.

[4]劉雅星.飛機并行協(xié)同研制模式與支撐技術(shù)探索[J].航空制造技術(shù)，2010（18）：77-80.