作者：周秋忠、范玉青 著
出版社：化学工业出版社
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MBD数字化设计制造技术试读：
前言
产品定义是实现产品生产制造的基础。一直以来，人们从未停止对产品定义方法的探索寻找。从传统的工程制图技术时代到计算机信息化时代，产品定义技术也迈入了数字化技术时代。从早期的2D计算机辅助设计技术到随处可见的3D设计技术，数字化产品定义方法发生了革命性地变化。但鉴于3D设计技术存在一些不足，人们又创造性地推出了MBD（Model Based Definition，基于模型的定义）设计技术，将数字化产品定义技术推向了一个新高度。
MBD是一种面向计算机应用的产品数字化定义技术，它明确了产品数字化定义的内容和规范及其在生产与信息管理中的授权和应用程序。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，内容包括基于MBD的产品数字化定义标准与规范、产品数字化定义实例、产品协同工艺设计过程与方法、多层次工艺数据的组织、装配工艺设计与仿真、装配工艺数据无纸化应用、模型轻量化、机加工艺设计及系统开发实现、零件工序MBD模型生成等，形成了较为完整的MBD数字化设计制造技术体系。
MBD技术是一种全新的产品数字定义方法，推出的时间不长，其在工程实践中的应用还在不断地探索，相信将来必将推动数字化制造技术向更高、更深层次发展。本书可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提供帮助。
由于作者水平所限，书中难免存在不妥之处，希望读者批评指正。
本书的出版受辽宁省教育厅优秀人才项目和辽宁省自然科学基金资助。著者第1章 MBD技术起源及其应用1.1 MBD技术起源及影响
MBD（Model Based Definition，基于模型的定义）是一种面向计算机应用的产品数字化定义技术，它明确了产品数字化定义的内容和规范及其在生产与信息管理中的授权和应用程序。MBD技术使数字化三维实体几何模型数据替代了二维工程图纸，成为数字化制造过程中的制造依据，改变了传统以工程图纸为主要制造依据，而三维模型仅为辅助参考依据的制造模式，引起了复杂产品制造技术的重大变革。MBD技术最早由波音公司提出，并在737-x项目到787项目的实施过程中逐步深入，伴随着CAD技术、CAM和数字化测量集成技术的发展得到逐步完善。1.1.1 产品定义的初级阶段——工程制图技术
自人类文明史以来，人们就把图形作为认识自然，表达、交流思想的主要形式之一，并且一直致力于研究各领域中图形的最佳表达方式。几个世纪以前，人类就开始借助于纸与笔进行产品结构与形状的定义与描绘，即进行产品定义，如图1.1所示。最初的产品定义称为工程制图技术，是设计人员利用绘图板与尺直接在图纸上制作工程图。在中国古代，以建筑技术为代表，采用规范化的较原始的工程图技术来说明建筑方法和制度。北宋李诫的《营造法式》以193幅绘图为说明，采用了正投影、轴测图、剖面图等方法，建立了图样标识制度；使用了丝绢、纸、毛笔、墨规等材料与工具，形成中国有史以来的第一套产品定义描述的工程图制图体系。图1.1 早期描绘与定义的产品结构与形状
1795年法国科学家蒙日系统地提出了以投影几何为主线的画法几何，把工程图的表达与绘制高度规范化、唯一化，从而使得画法几何成为工程图的语法，工程图成为工程界图形化产品定义的基本绘图语言。工程图用以表达和记录工程师以及设计人员的设计意图和那些用于制造的必要信息，它利用以投影几何为主线的画法几何来表达一个产品的设计模型，在图纸上用线条定义出产品的结构形状、尺寸，以及用标准、符号和文字描述说明其怎样制作出来的一些工艺指令信息。对于一个较为复杂的部件，需要用很多视图从各个方面表达结构信息，并分布在若干张图纸上。图纸规定了所需制造产品的全部信息，是工程技术人员表达产品设计制造思想和相互交流沟通的平台，如图1.2所示。因此，工程图纸作为产品定义的核心及生产制造过程的依据，具有三种主要功能：表达设计意图和设计范围的问题；是设计信息传递的唯一合法介质；为制造、装配、市场等人员提供了明确的信息交流方式。基于工程制图的制造过程，需要先把设计者思维影像中的三维产品模型转变成二维投影视图来表示，工艺、生产和管理等后续部门人员阅读这些图纸，通过组合不同视图信息想象出设计对象的三维实体来弄懂设计意图，然后才能开展工作。图1.2 复杂工程图示例
工程制图技术通过图纸解决了产品结构与制造信息的描述问题，这在当时的生产条件下是一个伟大的创举，推动了世界范围内的工业进步。但工程制图技术是在纸面上直接绘制，给设计更改带来了极大的不便，当系列产品中的每种零件结构形状与尺寸发生变化时，都必须要一点一画从头做起，不利于设计知识的传承与劳动强度的减轻；在图纸的有效管理方面以及生产效率的提高上也作用不大。在制造业中，制造对象的定义与描述从来都是与制造手段和制造能力密切相关的。随着计算机技术的发展，人们找到了解决这些问题的办法。20世纪70年代，研究人员开发出了通过计算机帮助工程技术人员进行产品定义的计算机辅助设计工具——CAD软件系统，产品定义技术由此跨入了数字化时代。数字化产品定义技术改变了传统的依赖图板的方式，无须在图纸上直接绘制，而是通过CAD系统用数字化的方式在计算机中精确表达产品信息。设计更改与图纸管理工作变得比较方便简单，产品结构信息的重用问题也得到了解决，并大大提高了工作效率，改善了工作环境。1.1.2 数字化产品定义技术的发展历程
数字化产品定义技术的出现推动了人类工业化的进程，加速了工业品更新换代的速度，极大地减轻了人类的工作量，改变了设计工程师的工作方式。同时，随着数字化产品定义技术研究的深入，围绕数字化产品定义数据及过程的管理与应用技术也随之出现，引起了整个制造业生产管理技术的彻底变革，彻底改变了人们的生活与工作方式。自大规模工业化生产以来，数字化产品定义经历了从二维到三维模型发展的过程，同时也出现了数字化产品定义协同管理技术与产品数据全生命周期管理技术，并向更高的知识管理技术发展，如图1.3所示。图1.3 数字化产品定义技术的发展（1）基于CAD的2D产品数字化定义阶段
早期的数字化产品定义技术，即计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）技术的目标是创建工程图，用计算机代替图板进行产品设计。CAD技术在节省人力及提高工作效率与工作成果方面表现出很强的优势，特别是在更改绘图过程中体现了高效率。由于CAD技术只是提供现实产品结构在不同视图中的平面投影，不能直观反映产品的三维实体结构，经常出现生产人员不能完全正确地理解设计意图，生产出废品造成损失；同时CAD技术无法满足现实生产生活中对不可缺少的曲面造型的需求。而且CAD技术只是纸质图纸的一种硬拷贝而已，对生产过程中引进的新型制造技术与加工方法缺少有效的技术支持。随着数控技术的发展，制造部门开始采用带计算机控制器、具有记忆程序、不需要人工干预、能重复工作并保持准确性能的数控加工设备。为了提高生产效率，制造部门要求设计部门提供能让数字化制造系统读懂的2D轮廓图或控制程序，而不再需要让工艺人员先读懂工程图再编写数控程序代码，通过键盘或其他介质输入数控系统中，从而节省工艺准备时间，并最大限度地降低数控程序编制过程出错的可能性。（2）3D加2D产品数字化定义阶段
为了满足市场需求，计算机工程研究人员通过不懈的努力，终于成功开发了3D建模技术，使这种愿望变成现实，并迅速地在制造行业得到广泛应用。3D设计系统可以建立任意形状的三维实体模型，然后将加工型面信息自动转化成数控机床刀具路径控制代码，并将程序输出给各种类型的数控机床。起初，这种方法还必须用打孔纸带在部门之间传递，后来出现了基于网络的RS-232远程控制与电子传输，使设计与制造过程成为一体。然而，在设计系统产生数控程序并把它传送给机床的过程中，只表达出了机床刀具在加工过程中的轨迹信息，而丢失了很多其他必需的工艺信息，如加工表面精度信息、热处理信息、零件材料信息、加工规范等。制造部门人员单靠数控程序不能完整地把零件加工出来，仍然需要接收工程图纸，通过图纸建立起零件的精确制造准则。因此，出现了三维模型与二维工程图共同表达产品工程设计信息的局面，并一直持续到当前乃至更远。
三维建模技术直接表达出了设计产品的真实三维模型，不需要通过思维的多次转换，大大提高了生产效率，降低了因理解不同造成的出错的可能性，从根本上改变了传统工程设计方法。当零件在计算机中建立三维数字模型后，工程师就可以在计算机上很方便地进行后续环节的设计与制造工作，如部件的模拟装配、总体布置、管路铺设、运动模拟、干涉检查、数控加工编程及模拟、生产操作培训与制作各类技术出版物等。因此，它为实现计算机集成制造和在并行工程思想指导下整个生产环节采用统一的产品信息模型奠定了基础。所有零件的数字化定义是唯一的权威性数据集，可提供所有后续环节所需要的信息。用户评审唯一的依据是这套存储于计算机中的数据集，而不是图纸。每个零件的数据集包含它的三维模型，也给出二维图形，并标有尺寸和公差。（3）3D产品数字化定义阶段
在工程上使用数字化定义技术常常遇到需不需要二维图纸的问题，而在目前普通制造环境中，仅仅依靠三维模型数据进行加工还存在不足。因为仅依靠三维模型数据，往往难以直接进行产品生产和检验，即三维模型数据不能表达出图纸中的所有工艺信息，不能将生产技术、模具设计与生产、部件加工、部件与产品检验等工序所必需的设计意图包含进来。虽然三维数据包含了二维图纸所不具备的详细形状信息，但是三维模型数据中却无法表达尺寸公差、表面粗糙度、表面处理方法、热处理方法、材质、结合方式、间隙的设置、连接范围、润滑油涂刷范围、颜色、要求符合的规格与标准等仅靠形状而无法表达的非几何信息。另外，由于受限于标注的形状提示，关键部位的放大图和剖面图等能够更为灵活而合理地传达设计意图的手段也存在不足。要想将三维数据模型当作传递设计信息的唯一载体，必须明确数字化定义应用的形态，解决非几何信息的组织及其表达与显示的问题。
从1997年1月起，美国机械工程师协会（ASME）联合制造业巨头共同发起关于三维模型标注标准的起草工作，以解决3D标注、尺寸和其他制造信息元素在三维模型中的表达问题，使它们成为三维模型中的一部分，弥补当前三维建模技术中需要通过二维工程图表达非几何信息的不足。这个标准使3D模型不仅表达了几何形状信息，也包含了3D产品制造信息（Product Manufacturing Information，PMI），这些制造信息包含标准文本、尺寸以及材料规范、表面精度信息和详细几何公差，如图1.4所示。2003年7月，该标准被美国机械工程师协会批准为三维建模新标准。随后，UG、PTC、Dassault等公司将该标准应用于各自的CAD系统中，对三维标注进行了支持，使三维实体模型作为唯一制造依据成为现实。ISO组织借鉴ASME Y14.41标准制定了ISO 16792标准，为欧洲以及亚洲等国家的用户提供了支持。日本汽车工业协会也以ASME Y14.41标准以及ISO 16792标准为蓝本，于2006年底出台日本汽车工业的相关行业标准。与这些标准相比，2003年中国颁布的相关国家标准以及2006年的英国军用标准在数字化定义的内容上仍处在三维模型与工程图共存的状态。作为该项技术的发起者之一，波音公司在B787项目中应用了该项新技术，命名为MBD技术，并在全球所有的合作伙伴中推广使用。图1.4 表达完整信息的三维实体模型1.1.3 MBD技术的推广应用
波音公司从20世纪90年代初的B777复杂产品开始采用CATIA软件进行复杂产品的结构设计和预装配分析，开启了数字化设计的新技术体系。20世纪90年代中后期，开始在737-x改型复杂产品的设计制造过程中逐步推广CATIA设计和DCAC/MRM的数据管理系统，将数字化设计和应用技术推向了一个新的高度。
在737-x项目中，波音公司将原有的B737产品图纸全部模型化，并采用产品数据管理系统将数据纳入构型管理的体系当中，使数据在设计、生产和检验维护环节保持一致和唯一性。在737-x的数字化技术体系中提出了MBD的思想，其核心要求是将20世纪90年代中期以前的基于图纸的设计授权模式转变为以三维模型为主的设计授权模式，要求在波音公司及其供应商系统中，所有生产检验的依据要以三维模型为主、二维图纸为辅。以三维为主的技术体系使产品的研制流程和生产检验过程都发生了改变。由于处在新技术的转型期间，大量的供应商设计、制造和检验的手段还没有完全达到MBD技术体系的要求，因此，这一期间的MBD技术体系还允许图纸的存在和应用。同时，由于产品数据的定义系统、数据管理系统和产品信息传递体系系统的约束和限制，在737-x项目开始的几年中，产品数字化定义的内容框架仍处于离散的状态，产品定义仍包含二维工程图纸，并通过产品数据管理系统的外部关系关联在一起。
20世纪90年代末开始，随着CAD技术加入了三维标注的功能以及ASME开展系列数字化定义标准的研究的不断深入，波音公司在2004年启动的787项目中全面推广新的MBD技术体系。这一体系最显著的标志是在三维数据集中定义所有的产品信息，完全替代了二维工程图纸的作用。新的MBD技术体系是从与CAD系统高度集成的产品数据管理系统到生产检验的完整应用程序，使得MBD技术体系无论从产品定义内容上到数据组织管理与控制上都有着质的飞跃。目前在787项目的带动下，波音公司及其主要承包商正在向MBD制造技术体系过渡。
MBD是产品数字化定义的先进方法，它是指产品定义的各类信息按照模型的方式组织，其核心内容是产品的几何模型，所有相关的工艺描述信息、属性信息、管理信息（包括零件表）等都附着在产品的三维模型中，一般情况下不再有二维工程图纸。MBD技术体系则是MBD的应用体系，它明确了产品数字化定义的内容框架，确定了产品定义内容的种类和管理组织形式。此外，它还确定了研制环境的应用功能体系和应用管理程序体系，使产品的数字化定义能够在脱离图纸的情况下进行设计、制造和检验。1.1.4 MBD技术对复杂产品制造的影响
MBD技术使制造模式真正进入了三维数字化设计与制造阶段，二维工程图或工程图纸成为历史，即使有也不再是制造权威依据，只是在特定条件下作为数据的一种辅助表达方式。MBD使复杂产品设计、制造模式发生了根本变化，三维产品、工装数据成为所有工作中的唯一制造依据，真正实现了三维数字化、无图纸设计制造技术，大大简化了产品设计和管理过程，缩短了产品研制周期；通过网络把产品、工装三维数据和工艺数据传递给现场作为操作依据，不仅改善了生产现场工作环境，而且结合激光跟踪测量技术对产品、工装进行测量装配，大大提高了产品质量和生产效率。
由于制造依据从原来的二维工程图或工程图纸转变为三维数据，MBD技术的应用将引起复杂产品制造过程的革命性变化，改变传统的复杂产品研制模式，为航空制造带来管理上和效率上的飞跃，充分展示数字化技术带来的优点，主要体现在以下几点。
首先，由于MBD数据模型以三维模型为核心，集成了完整的产品数字化定义信息。因此，在后续生产研制的各个环节中，所有技术人员或操作工人无须人工阅读二维图纸及在大脑中形成产品立体模型并理解设计意图后再进行后继工作，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、直接地反映设计人员的设计意图，并被其他使用人员理解，降低因数据理解不一致导致出错的可能性。
其次，MBD技术改变了传统方法下二维工程图或工程图纸的产品定义表述模式，不用再生成、维护与管理工程图或工程图纸数据。对于结构复杂、零部件数量众多、更改频繁的复杂产品，二维工程图及纸质工程图纸的生成、更改与维护工作量大，管理工作困难，需要耗费大量的人力、物力和财力才能保证它们之间的一致性与完整性。
再次，为适应三维数据模型作为指导生产的依据，必须建设数字化车间网络环境，开发生产现场无图纸或无纸化应用环境，结合产品数据管理系统，把三维数据模型传递到生产现场终端，指导工人开展工作。在这样的环境中，操作工人不用在车间生产现场查看一大堆图纸及其他技术资料，极大地改善了车间生产环境，有利于稳定生产秩序。
最后，MBD技术还有利于开展并行工程。由于MBD数据模型包含了设计、工艺、制造、检验等各部门的信息，在数据管理系统和研制管理体系的控制下，各职能人员可以共同在一个未完成的三维产品模型上协同工作，提高了设计效率，同时也提高了产品的可制造性。1.2 基于模型的数字化技术应用框架1.2.1 MBD技术的应用流程
MBD技术是用一个集成化的三维数字化实体模型表达完整的产品定义信息，并完全替代了二维工程图纸，成为制造过程中的唯一依据。MBD技术不仅实现了全机100%的数字化产品定义、100%三维数字化预装配技术、100%数字化产品工装设计，使产品的设计方式发生了根本变化，不再需要生成和维护二维工程图纸，而且对企业管理及设计下游的工作，包括工艺规划设计、车间生产应用等产生重大影响，引起了数字化制造技术的重大变革，真正开启了三维数字化制造时代。
在产品研发的全生命周期中，产品设计环节通过MBD方法形成产品MBD模型，成为后续包括工艺设计仿真、产品制造、产品检测、产品使用维护以及工装设计、工装工艺设计、工装制造、工装检测等所有环节的工作依据。在产品开发团队的协同工作过程中，形成的产品MBD模型包含了相关的工艺信息，不仅满足了工艺性要求，还成为工装人员开展工装设计的直接依据。工艺设计人员依据产品MBD模型在三维环境中开展工艺设计，结合工装MBD模型和设备MBD模型，建立以工艺活动为中心的产品、工装、工艺数据组织模型，对产品制造过程进行规划仿真，分析检测产品与工装资源之间的碰撞与干涉情况，确保产品结构与工装结构设计的合理性、工艺操作过程的可行性与准确性，并最终输出各类三维工艺设计仿真（Model Based Process Planning，MBP）模型，成为后续产品制造、检测和使用维护环节的操作依据。同时，对于工装工艺设计，也有相同的设计过程，并形成工装MBP模型，成为工装制造和检测的操作依据。因此，在基于模型的数字化制造工程中，结构MBD模型和工艺MBP模型贯穿产品研发的全生命周期（图1.5），是MBD和MBP模型的生成、传递与使用的全过程，并通过基于模型的数字化定义技术、基于模型的工艺设计仿真技术进一步驱动并实现了基于模型的制造技术、基于模型的检测技术及基于模型的维修技术。图1.5 基于模型的产品全生命周期
因此，通过研究MBD技术的内涵，采用满足协调要求的三维数字化产品定义技术，可以利用数字化加工设备制造出外形与尺寸满足设计要求的复杂产品零件和工装零件，并利用便携式三坐标测量仪和激光跟踪仪进行工件的检验以及工装和产品的检验安装，用数字量传递的方式实现全机数字化协调；通过研究以工艺活动为中心的新型数字化工艺数据组织和管理方法，把工艺及相关数据以三维、可视化等多媒体方式全面有效地组织管理起来；借助于数字化测量设备，实现在线数字化测量装配；同时，把复杂产品结构设计数据、工艺数据、工装数据、操作参数等相关数据通过工艺信息集成管理系统集成起来，并通过网络终端设备传递到车间生产现场，解决现场操作对数字化工艺数据的需求，实现数字化产品、工艺、工装信息的集成应用。1.2.2 MBD技术总体应用框架
通过把基于MBD的复杂产品数字化产品定义和协调系统、以工艺活动为中心的数字化工艺数据组织与管理系统、数字化工艺现场应用系统和在线数字化测量系统各部分有机整合起来，形成一个完整的基于MBD的复杂产品数字化制造技术体系，完全采用数字量协调，真正实现全数字化、无图纸设计制造技术。因此，在复杂产品制造过程中采用MBD技术，将彻底改变产品数据定义、生成、授权与传递的制造模式，实现三维数字化定义、三维数字化工艺开发和三维数字化数据应用。完整的基于MBD的复杂产品数字化制造技术应用框架如图1.6所示。图1.6 基于MBD的复杂产品数字化制造技术应用框架
在该应用体系中，通过建立MBD的数字化协调规范和数字化定义规范，采用三维建模系统进行数字化产品定义，建立起满足协调要求的复杂产品全机级三维数字样机和三维工装模型，进行三维数字化预装配。工艺人员在工艺设计规范的指导下，直接依据三维实体模型开展三维工艺开发工作，改变了以往同时依据二维工程图纸和三维实体模型来设计产品装配工艺和零件加工工艺的做法。依据数字化装配工艺流程，建立起三维数字化装配工艺模型，通过数字化虚拟装配环境对装配工艺过程进行数字化模拟仿真，在工艺工作进行的同时及复杂产品实物装配之前，进行制造工艺活动的虚拟装配验证，确认工艺操作过程准确无误后再将装配工艺授权发放，在生产现场指导实物装配。在数字化装配工艺模拟仿真过程中生成装配操作过程的三维工艺图解和多媒体动画数据，结合装配工艺流程建立起数字化装配工艺数据，为数字化装配工艺现场应用提供依据。根据产品开发规范和数据组织规范，所有产品工程设计、工艺设计、工装设计等开发过程及其产生的工程数据、工艺数据、工装数据通过PLM系统实现全生命周期管理。1.3 基于TC/UG的数字化技术解决方案
Teamcenter是西门子（SIEMENS）公司为制造业实施产品设计与制造工艺管理提供的完整解决方案，旨在建立一个三维的、基于模型的、高效的数字化协同产品设计与工艺设计的管理环境。借助于产品结构设计、工艺分工、基于三维的工艺设计、工艺变更、工艺文件管理等功能，全面而有效地管理产品制造所需的设计BOM、工艺BOM、工艺结构、工装设备等相关产品数据、工艺数据与资源数据。改串行工作模式为并行模式，加强信息沟通，以结构化及三维可视化的形式完成产品结构设计与工艺规划工作，贯通设计、工艺部门与生产车间之间的业务流与数据流，成为设计端的CAD/PDM系统和生产端的ERP/MES系统之间的桥梁和纽带，从而实现企业的产品全生命周期和全数字化管理，进一步提高企业的工作效率、生产效益和产品质量。1.3.1 基于TC/UG的数字化管理平台总体框架
基于TC/UG的数字化管理解决方案并不是简单罗列一些零散的应用程序，而是以产品、工艺、工厂和资源关联数据模型为核心，对数字模型进行集中管理、协同和互操作，同时保证数据的一致、有效和重用。基于产品、工艺、工厂和资源的关联数据模型保证了快速、准确而安全地存取制造信息，同时可对产品结构、制造工艺进行可视化分析和优化，使生产企业各个部门和工作岗位之间的信息流动得以彻底实现。在吸收传统产品、工艺设计方式优点的基础上，充分发挥产品、工艺信息从产生、接受、维护、发送到再运用的组合功效，满足不同使用者对产品、工艺信息和数据的共享、共用，为从根本上实现产品全生命周期内数字化设计、数字化制造、数字化检测和数字化装配提供了有效的方式。
在MBD技术条件下，企业设计部门通过三维NX设计软件用MBD方式表达设计结构信息，而工艺部门接收这些MBD数据模型后，在三维NX/CAM软件中开展三维工艺设计仿真，并通过如图1.7所示的基于TC/UG的数字化管理平台总体框架对所有的数据与过程进行全面管理，保证从产品设计到工艺规划再到产品制造过程的密切相关性和数据流、信息流的传承与统一。在以TC PLM解决方案为核心构建形成的基于TC/UG的三维数字化产品数字化管理平台总体架构中，在三维数字化设计与管理的基础上，考虑并解决了设计与工艺数据之间的继承。通过与ERP、MES系统的集成，使制造BOM信息、工艺路线、材料定额、工艺规程等各种工艺数据传递到生产管理部门，成为开展生产管理过程的依据，从而实现了产品设计、工艺设计、工装设计到车间现场生产执行的全流程信息化管理，提高了产品研发协同、工艺制造协同和工装设计协同的效率，实现了企业产品三维数字化设计与制造的全生命周期管理。图1.7 基于TC/UG的数字化管理平台总体框架
基于TC/UG的三维数字化管理解决方案引起了产品和工艺设计方式的变革，使产品的工艺设计在三维环境下进行，包括三维结构建模、三维PMI标注、三维工艺过程设计仿真等，抛弃了原有的二维工程图纸；同时工艺规程由原来的二维图形转化为三维可视化图形，要求工艺人员抛弃原有的工艺编制思维，直接应用设计提供的三维数模编制出适合现场生产的三维模型工艺、数控程序等，达到工艺设计一体化目的。1.3.2 基于TC/UG的三维工艺设计总体流程
传统二维模式下的工艺设计过程以二维工艺卡片为主。工艺人员接收工艺编制任务后，首先依据二维工程图纸确定制造过程的工艺路线（工序和工步组成），再展开详细工艺设计，完成工艺资源的选择、工艺尺寸的计算与工艺参数的确定。其中的很多环节都需要工艺人员查阅大量资料和手册，特别是需要通过二维设计工具为每道工序绘制反映其制造过程状态、加工内容和要求的二维工序图，并且在工序图上添加工艺标注等工艺相关信息，需要做大量的图形绘制工作。因此，在传统工艺编制模式下，工艺员的不增值劳动太多，很多的人力、物力都消耗在与工艺设计无关的环节上。
基于TC/UG的三维制造工艺设计管理总体流程如图1.8所示。首先通过多种方式将从设计端导出的设计BOM表及MBD结构数据模型导入TC平台中，作为制造工艺管理的原始数据。然后通过继承和提取设计产品结构BOM和产品零组件属性，将设计BOM转换派生成工艺BOM，并定义承制单位、协作单位、入库关系、生成车间工艺流水，从而确定零部件的车间加工工艺路线。图1.8 基于TC/UG的制造工艺设计流程
不同工艺设计人员根据模型的结构类型，开始进行工艺方案规划，并在TC中创建工艺流程结构BOP，然后从制造资源库中调用、设定并关联与工艺/工序相关的工装、设备、车间、产品等信息，形成完整的产品、工艺、工厂和资源模型。根据不同类型的工艺流程单元，工艺设计人员通过UG/UG CAM系统在三维可视化状态下完成三维工序模型的创建、工艺规程的编制、PMI信息的标注表达，并通过工艺过程及生产线的仿真验证工艺规程信息的可行性与准确性。最终在UG/UG CAM系统生成工序模型、工艺规程、NC程序等，所有工艺数据将通过TC平台的结构化工艺流程BOP进行统一管理。1.3.3 三维工艺设计关键技术（1）基于BOP的结构化工艺数据组织
TC平台利用其核心的3PR（Product产品、Process工艺、Plant工厂、Resource资源）理念，在总工艺节点下分别采用不同的工艺类型来描述和创建子工艺对象，如毛坯工艺、零件加工工艺、热处理工艺、表面处理工艺、注塑工艺、焊接工艺、冲压工艺等，然后在子工艺节点下按需求创建加工工序节点，如下料工序、通用加工工序、数控工序和检验工序等，并通过这些工艺和工序节点构建出结构化的工艺BOP（Bill of Process）结构，最后从制造资源库中调用、设定并关联与工艺/工序相关的工装、设备、车间、产品等信息。通过结构化工艺BOP结构，由总工艺类型来管理所有的子工艺类型结构，同时关联并管理所有相关的工艺数据，最终形成完整的产品、工艺、工厂和资源模型。（2）工序模型构建
结构化工艺BOP创建并关联相关产品、资源模型后，如何有效利用设计MBD模型来创建中间工序模型（包括加工工序和装配工序）才是真正的关键所在。中间工序模型是指产品从原材料形态到最终成品的加工或装配过程中某个工序对应的三维结构状态模型。在传统的工艺方式下，工序对应的都是二维工程图纸，各类相关人员在审阅理解过程中需要浪费大量的时间；另外，工序通常是由不同的设备和人员完成的，当一个零件从一个工作中心到另一个工作中心时，需要显示这种形态的变化及其对应的NC加工程序，从而有效指导整个加工或装配过程。因此，利用三维工序模型来描述不同工序上零件的工序基准、加工内容、加工要求、计量内容、计量要求、数控加工刀路仿真等信息，对技术工人在生产现场高质量并顺利地完成操作和检验过程将起到事半功倍的作用。在基于TC/UG的制造工艺设计管理平台框架中，三维工序模型对工艺模式的创新具有直接意义。
利用设计MBD模型来创建中间工序模型的过程如图1.9所示。工艺人员在TC平台上完成零件、组件或部件的工艺规划后，将形成的整个结构化工艺BOP模型及其关联的结构件列表、MBD设计模型、资源列表、三维模型导入UG或UG CAM系统中，在三维可视化状态下开展工艺规程的设计。图1.9 基于TC/UG的工序模型创建方案
利用UG的WAVE LINK技术与同步建模技术为各工艺或工序对象创建三维工序结构模型，通过关联引用使设计模型与各工艺/工序结构模型之间保持结构关联性，以实现零件模型或工序模型的结构状态变化更新能自动传递并修改各加工工序模型，比如增加加工余量、删除加工孔和槽等，从而方便快捷地建立并维护工序模型。在形成的工序模型上，通过UG的PMI功能进行3D制造信息的标注，比如尺寸公差、加工区域标识、操作说明、检验要求等。当然，在实际的工程应用中，设计部门的PMI标注需要传递给工艺部门，让工艺部门的技术人员可以重新利用和继承这些已经标注好的PMI，减少工艺编制的工作量。设计模型的PMI被传递到工序模型后，工艺人员可以根据需要选择是否显示，但是不能对该尺寸进行修改。需要展示内部细节时，可通过PMI剖视图展示。复杂工序可根据表达需要增加标注视图。对于热工艺，可根据加工特点对其表现形式作相应调整，一般情况下，形状变化不多，尺寸公差信息较少，工艺参数较多。（3）基于UG的工艺过程仿真
在TC/UG框架中，以工艺BOM为核心，以工艺知识和制造资源库为基础，围绕结构化工艺BOP，通过继承设计模型和制造信息建立工序模型；同时，在三维可视化环境中运用工序模型对加工过程和装配过程开展仿真，通过计算机仿真的技术手段模拟和预测产品的整个生产制造过程，从而验证设计和制造方案的可行性，尽早发现并解决潜在的问题，这对于缩短新产品开发周期、提高产品质量、降低开发和生产成本、降低决策风险都是非常重要的。另外，将工序模型及其仿真过程动画用数字化动态出版的方式形成三维可视化工艺文档，传递到生产现场作为生产指导的依据，从而实现基于三维工序模型的新型工艺设计模式，如图1.10和图1.11所示。图1.10 零件加工工艺设计方案图1.11 装配工艺设计方案（4）三维工艺数据可视化
基于MBD的工艺设计与管理模式是以设计部门提供的MBD模型作为唯一数据源和原始制造依据，通过MBD工序模型的设计，实现尺寸公差、形状、位置公差等PMI内容以及制造加工信息等工艺数据在MBD工序模型中的直接表达，充分利用三维手段表达加工制造信息，最大限度地保证工艺数据的一致性和完整性，再将表达在MBD模型中的加工信息自动提取到工艺规程文件，实现可视化。在三维工艺文档的生成过程中，使用定制好的工艺文件模板，从系统中动态提取产品、工艺、工序、工装、设备等管理信息，从各工序模型中提取操作过程并捕捉数字化出版3D模型的不同状态或标注信息，添加到工艺文件相应格式中，动态生成用三维工序图解表达的工艺规程文件，如图1.12所示。该工艺规程文件在TC平台中通过校对、审核、审定、标检、归档、发放等环节后，最终发放并输出到生产现场作为指导操作的依据。同时，TC平台支持工艺规程文件的圈阅、对比、权限控制；支持工序的会签，满足不同工序的差异化会签需求；支持工艺更改，达到不同工序的版本控制，实现在TC协同平台下的MBD工艺管理。图1.12 从工序模型动态捕捉图解到工艺规程文件第2章 基于模型的定义技术
数字化产品定义是实现数字化制造的基础，它是以数字量方式对产品进行准确描述的。采用MBD技术后，需要对数字化产品定义信息按MBD要求进行分类组织管理，完整地反映出产品零部件本身的几何形状、尺寸公差、工艺要求、质量检测以及其他管理属性等信息，保证产品设计过程中几何信息与非几何信息的一致性，同时满足制造过程各阶段对数据的需求。本章通过引用ASME对MBD制定的标准要求，同时结合CATIA平台，论述了CATIA平台对MBD模型各类信息的表达与定义特点，说明了MBD模型信息的操作和管理方法，并总结出各类MBD模型的完整表达形式。2.1 MBD技术内涵
MBD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建立的产品三维实体模型如图2.1所示。MBD将产品信息中的几何形状信息与尺寸、公差、工艺信息通过一个完整的三维实体模型来表达，改变了传统由三维实体模型来描述几何形状信息，而用二维工程图来定义尺寸、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的唯一依据，改变了传统以工程图为主要制造依据，而三维实体模型仅为辅助参考依据的制造方法。MBD在2003年被ASME批准为机械产品工程模型的定义标准，是一个以三维实体模型作为唯一制造依据的标准体。图2.1 MBD三维实体模型
MBD数据模型通过图形和文字表达的方式，直接地或通过引用间接地揭示一个物料项的物理和功能需求。MBD数据模型的组织定义如图2.2所示，它分为MBD装配模型与MBD零件模型两部分。MBD零件模型由以简单几何元素构成的、用图形方式表达的设计模型和以文字符号方式表达的标注、属性数据组成。MBD装配模型则由一系列MBD零件模型组成的装配零件列表加上以文字符号方式表达的标注和属性数据组成。零件设计模型以三维方式描述了产品几何形状信息；属性数据表达了产品的原材料规范、分析数据、测试需求等产品内置信息；而标注数据包含了产品尺寸与公差范围、制造工艺和精度要求等生产必需的工艺约束信息。图2.2 MBD模型组织定义2.2 ASME标准对MBD模型定义简介2.2.1 非几何信息表达
MBD产品数据模型不仅包含了产品结构几何形状信息，还包括原来定义在二维工程图中的尺寸、公差、一些必要的工艺信息及关于产品定义模型的说明等非几何信息。因此，MBD需要对这些非几何信息在三维模型中的描述与管理作出详细的规定，并通过合理的方式表达出恰当的意思呈现给使用者。（1）一般表达形式
在MBD产品数据模型中，所有的尺寸、公差、注解、文本或符号均由标注的形式来表示，并通过与模型里的一个或多个特征表面垂直交叉或对齐延长的标注平面表达出来，如图2.3所示。图中用虚线框显示的区域就是标注平面，虚线框是为了说明的需要，在实际描述中与此有差异。图2.3 标注平面的位置与表达
对于不能用几何或标注来表示与显示的附加信息，可根据需要用属性的形式来表达，如图2.4所示。图2.4 用属性表达附加信息（2）特殊标注信息表示
工程图设计时，都是遵循一定的标准进行的，如在工程图恰当的位置上必须标注财产所有权单位、图形建模比例等信息。与之对应，每个MBD模型也必须包含类似特殊信息，一般有如下设计信息说明要求。
① 设计模型应按1∶1的比例建模，并在合适的标注中说明。
② 设计模型采用的尺寸单位应在模型中注明。
③ 设计模型的设计精度要求与整个模型的默认公差值应在模型中注明。
④ 完整的模型应包括几何模型、标注与属性信息，当模型是对称件时可只建部分，而螺纹特征可用孔特征代替，但必须在模型中注明。
⑤ 其他需要在标注平面中表达的管理数据有建模标准引用注解、设计活动标识、财产所有权与版权说明、保密性说明等。
所有这些特殊标注信息都应放在一个独立的标注平面中，该平面是固定的，且不与任何几何特征关联，也不随着几何特征的转动而变换视角。（3）标注特征与几何特征关系
除了特殊标注信息，MBD模型中还包括尺寸标注信息、公差标注信息、基准标注信息以及旗注类标注信息，这些信息占标注信息的绝大部分，并且每个标注信息都不是独立的，而是与一个或多个几何模型特征相关联的，随着几何模型特征的转动而变换视角的，如图2.5所示。图2.5 几何模型特征与标注特征关系
标注信息特征与几何模型的关联关系通过指引线表达。如图2.6所示，用三种形状的指引线来表示不同类型的标注特征与几何模型特征间的关联关系。第一种是以箭头作为末端的，它表达的是模型中线元素与其标注特征的关联关系；第二种是以点作为末端的，它表达的是模型中一个面元素与其标注特征间的关联关系；第三种是专门用于基准标注特征与几何模型特征的关联关系的，它一般采用直接以一个实体三角形状作为引导线终端的表达形式。图2.6 指引线的类型及表示
基准标注特征与几何模型特征间的关联关系也可用如图2.7所示的复合表达方法，与尺寸或公差标注特征联合使用。图2.7 基准特征的复合表示法2.2.2 非几何信息的管理
MBD模型中的非几何信息通过标注平面来表达，形成了庞大的标注信息特征集，如果让这些信息全部显示出来，可把整个设计模型覆盖，造成应用的不便与混乱。因此，为了方便、快速地让使用者有条理地了解各方面设计信息，MBD模型需要有显示与隐藏标注信息的功能，具体包括三类。
① 所有标注信息的显示或隐藏，如图2.8所示。图2.8 显示全部标注
② 根据需要按类型显示或隐藏，如图2.9所示。图2.9 只显示名义尺寸类标注
③ 根据用户选择显示或隐藏标注信息，如图2.10所示。图2.10 显示选择的标注特征
除了特殊标注特征信息外，MBD模型中的绝大部分标注特征信息都不是单独存在的，而是与几何模型特征有关，依附于几何模型特征并形成关联关系。因此，MBD模型在使用过程中要体现这种关联性，满足用户的多功能查询要求，即通过几何模型特征能查询到相关联的标注特征信息，而通过标注特征信息能提示它所表示的几何模型特征。图2.11（a）表示通过查询几何特征能知道它所关联的标注特征；图2.11（b）则表示通过查询标注特征能反映出它所依赖的几何模型特征。图2.11 标注与几何特征的关联查询2.3 CATIA的三维标注功能
CATIA是法国Dassault System公司的CAD/CAE/CAM一体化软件，它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域，其特有的DMU电子样机模块功能及混合建模技术更是推动着企业竞争力和生产力的提高。CATIA为工业领域企业提供了全面、方便的解决方案，迎合了所有大、中、小型企业需要，广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子/电器、消费品行业，居世界CAD/CAE/CAM领域的领导地位。
CATIA专门提供了“Functional Tolerancing & Annotation”模块来实现三维标注解决方案。该功能模块的集成工作环境如图2.12所示，包括以下常用工具栏。图2.12 CATIA的三维标注模块
① 标注平面工具栏（View/Annotation Planes） 用于在三维空间环境中建立表达各种非几何信息的各种类型的标注平面，包括正视图、剖视图、偏移剖视图、对齐剖视图等。
② 标注工具栏（Annotations） 用来表达各种非几何信息，包括文字注释、基准符号、尺寸及公差、形位公差、粗糙度等。
③ 尺寸公差工具栏（Dimension Properties） 用于设置尺寸公差的表达形式及大小。
④ 文本工具栏（Text Properties） 用于设置文字注释、尺寸公差、形位公差等文本的字体字号及其显示样式。
⑤ 位置与方向工具栏（Position and Orientation） 设置各类标注符号在标注平面中显示时的位置与方向。
⑥ 可视化工具栏（Visualization） 用于控制标注信息，如标注集的打开/关闭、标注信息的镜像显示、标注平面的剖切等。
⑦ 捕获工具栏（Capture） 通过建立捕获功能，实现在特定视角显示特定非几何信息，以便于查看。
另外，对于标注在三维模型中的各类非几何信息，都可从其属性对话框中对其所有显示信息与效果进行更全面与详细的控制与更改，图2.13所示为尺寸的“属性”对话框。图2.13 尺寸的“属性”对话框2.4 MBD模型非几何信息在CATIA中的表达方法
MBD模型集成了以前分散在三维模型与二维工程图中的所有设计与制造信息，构建一个完整的MBD模型将包括的数据元素有：关联设计数据，实体模型，零件坐标系统，尺寸、公差和标注，工程说明，材料需求，其他定义数据。其中，工程说明由标准说明、零件说明、标注说明（特殊特征工程需求有关的说明）组成。2.4.1 标准说明
标准说明不是用于描述零件，而是对知识产权和有关管理信息的说明，如财产说明和MBD说明。因此，标准说明必须包含在所有的MBD数据集中。
所有标准说明放在以“Standard Notes”命名的结点中，该结点驻留在结构特征树的主分枝上，如图2.14所示。每个标准说明都有一个独立的字符串类型参数，并将这些参数放入“Standard Notes”结点中。另外，所有的标准说明都可以从与CATIA集成的iPSM（Integrated Product Standards Management）中选择并导入。图2.14 标准说明定义
标准说明定义的具体内容由设计公司决定。通常，标准说明的内容有工程内容概述、装配说明、安装要求、版权说明、企业名称、完整性要求、尺寸公差标注遵循的标准、通用最终处理说明、尺寸单位、数据集遵循的数字化定义标准以及数据集模型尺寸比例等。表2.1所示是波音公司所用的标准说明。表2-1 波音公司所用的标准说明2.4.2 尺寸、公差及基准标注
在MBD数据集中，由于不再生成二维工程图纸，因此MBD模型就成为产品法定尺寸公差标注的唯一介质。每个关键零件特征的工程目的数据（如公差、表面精度）应该通过零件说明或通过功能尺寸和标注（FT&A）直接在CATIA模型特征上定义，所有FT&A应该与唯一的模型元素相关联。产品特征的所有尺寸、公差、工艺处理内容要在模型中保持唯一，无冗余。MBD模型中的尺寸、公差等信息定义的基本要求如下。
① 尺寸定义 对于要求检验和要求具有特殊几何尺寸公差的零部件结构特征，需要在三维空间中标注它们的尺寸，如图2.15所示。对于其他零部件几何特征，则应用名义尺寸与通用公差建模与制造。图2.15 尺寸标注
② 基准定义 MBD模型需要有三个互相垂直的参考基准特征平面，每个平面与一个基准ID号匹配，如图2.16所示。基准特征平面将以DATUM-X命名，其中X是相对应的基准标识字母（如DATUM_A、DATUM_B等）。所有基准平面统一放在以DATUM平面命名的特征树结点中。在MBD模型中，面和平面的概念是不同的，面是指一个几何对象，而平面是指几何对象所处的空间。在使用中，为了方便使用和管理，需要为基准平面命名。图2.16 基准定义
③ 公差定义 公差一般分为通用公差和特定几何公差。通用公差应用于所有未注结构特征上，而特定几何公差则应用于特定的产品结构特征上。通用公差定义在零件MBD模型结构特征树的工程说明结点中，所用的工程说明参数形式如：“5SN0000007753 |除非在3D MBD CATIA数据集中另有说明，所有零件特性的位置度从属于关于第一基准、第二基准和第三基准#VALUE#的表面轮廓度公差”。在#VALUE#处分别输入零件结构要求的合适公差值。特定几何公差则在结构特征上直接标注，如图2.17所示。只有当零件产品的制造特征要求高于通用公差时，才在模型中该特征处标注相关的公差内容。产品尺寸与公差在三维标注时应遵循相应的尺寸公差定义标准。图2.17 特定几何公差定义2.4.3 工艺信息处理
零部件工艺信息可分为零件级工艺信息与零件特征工艺信息，在MBD模型中分别以零件说明与标注说明处理。（1）零件说明
零件说明是针对整个零件的制造工艺要求，如热处理、零件最终处理和零件说明等。
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