基于MBD技术机械零件设计的研究与应用

黄淑芳，杨家鹏

（广西水利电力职业技术学院，广西 南宁530023）



基于MBD技术机械零件设计的研究与应用

黄淑芳，杨家鹏

（广西水利电力职业技术学院，广西 南宁530023）

摘 要：详细分析了基于MBD技术的机械零件设计方法，以不违背机械设计的基本原则为前提，创建MBD设计环境，整个设计过程面向制造装配、面向产品的全生命周期、面向协同仿真与虚拟以及面向绿色检验体系，实现了全程绿色设计。关键词：MBD技术；机械零件；绿色设计

在制造业迅猛发展的时代，基于数字模型定义MBD（Model-Based Definition）是一种运用集成化的三维数字化实体模型表达完整的产品定义信息的手段，已逐渐成为产品制造过程中的重要依据。

机械零件是机械装备的构成单元，各个零件根据机械装备的工作要求，有序的组合，实现各种运动。随着机械装备类型的多样化，零件的专属性特征愈加突出，进而加大了设计难度。

1　零件设计的传统思路

尽管机械装备在功能、原理、类型等诸多方面需满足不同要求，但是在进行机械零件设计时，依然存在共性，传统的设计过程如下：

（1）设计前期准备，明确零件的工作要求、工作内容和步骤、工况条件等因素，初步拟定设计计划。

（2）设计传动装置，包括根据上述计划，分析选择制定传动装置总体方案、明确传动装置方案。

（3）计算及设计各零件尺寸，根据上述方案，结合常用机械设计参数和手册，设计各个零件结构和尺寸。

（4）绘制装配图和零件图，根据前期设计数据，绘制机器工作状态的装配图和各个零件的工作图，完整表达机器的工作状态和结构特征。

（5）编写机器工作说明书以及注意事项，交付制造部门进行生产。

不难看出，传统的设计过程虽然环环相扣，紧密联系，但是工作内容比较繁琐，在完成每一步工作过程中，都有可能出现数据不符合要求或者数据出现矛盾等各种设计中常出现的问题，处理这些问题往往需要从头开始进行修改和检验，到设计后期，若出现数据异常的现象，工作量就更巨大了。当设计完成后，将设计数据转交给生产部门制定工艺规程，工艺部门会根据工艺要求，对设计数据提出修改意见，设计部门继续根据工艺意见调整设计数据；当样机生产出来后，用户在验收过程中，亦会对设计数据提出修改意见，设计工作周而复始。显然，传统的零件设计工作过程需要繁重的工作量支撑，设计的效率并不高。

以不违背机械零件设计基本原则的为前提，从零件的结构、工作特点对零件设计工作进行重新认识，引入一种基于数字化模型全三维可视相关联设计技术，对零件设计过程进行重新整合。

2　基于MBD技术的绿色设计

以节约资源和保护环境为宗旨的绿色设计理念已经受到越来越多制造企业和行业的重视，更多的企业已开始把绿色设计技术应用作为其战略发展的目标。在倡导制造业绿色可持续发展的今天，在零件设计之初就应从根本上杜绝污染、节约资源和能源，充分考虑零件设计及其生产工艺对环境产生的副作用，并将其有效控制，以达到节约工业资源和社会资源的目的。同时，还要满足劳动保护性能要求，零件设计需要全方位考虑“人-机-环境”的可持续和谐发展，注重设备终端使用者的操作环境，体现产品的个性化操作。

基于数字模型定义MBD（Model-Based Defini－tion）技术，是利用全三维设计技术，将零件的设计概念、工艺参数、性能属性和功能管理等信息全面附着于零件的三维模型中进行数字化定义和参数管理，同时，利用物联网，逐步实现制造技术的定制化、个性化和绿色化，如图1所示。应用MBD技术的设计方法可以满足零件的多品种多批量、高质量低成本、柔性制造快速响应、节能减排绿色环保等多项指标的要求。

图1　基于MBD技术的绿色设计

2.1创建MBD设计环境

构建合理高效的设计环境是零件设计的重要前提，在制造业数字化、信息化高速发展的今天，对零件设计的数字环境提出了较高规格的要求。合理的设计环境可以对各个设计特征进行有效采集和管理。按照客户的要求，根据不同条件使用市场上主流的三维全数字智能化设计集成软件，如CATIA、SIEMENS NX（UG）、Pro/Engineering、I-DEAS、Topsolid等，构建零件绿色并行设计的数字环境，可以对零件各个参数特征进行数据的创建、存储、查询、指派、关联等各类操作，在数字设计环境中，可以实现MBD数字化定义产品的所有数据，并实现设计、生产、用户体验等多部门的共享控制与修改，实现关联化数据管理［1-2］。基于MBD的设计环境，可以根据企业的实际设计情况对基础的设计环境进行二次开发，将企业独有的设计模式、设计理念、环境监测与响应、管理方式等企业品牌元素融入设计环境。同时，借助云共享的大数据平台，启用“创客”设计模式，用户的参与体验可以及时对零件性能进行反馈，供设计、生产等部门进行产品优化，实现个性化专属设计生产。构建一个合理“人-机”智能交互的设计环境是基于MBD零件设计方法的重要前提。

2.2设计面向制造装配

基于MBD技术，零件的设计数据可以实现一次创建多次修改或使用，设计的模型是制造装配过程的权威数据，在满足客户的需求基础上，必须全力保证设计数据的“根源唯一准确性”，即，设计数据是产品顶层根源且唯一可靠准确的数据，后续的制造、装配和使用指标等的修改都必须尊重设计时的顶层数据。MBD模型可以在生产中直接使用并进行数控智能编程，作为装配的精度基准。因此，制造部门需共同参与设计工作，制作部门可以即时对MBD模型制定加工工艺规程，将制造需求转化为设计要求，编入本企业技术规范手册，在实际的生产阶段，设计部门应该保持与制造部门的协调沟通，最终顺利实现零件的生产。

普通的数字模型，基于零件的现实使用特征，通过设计环境中某种特殊的数学描述，经过计算，借助计算机语言，将模型跃然屏幕上［3］。而要面向制造装配的设计要求，在普通设计模型的基础上融入“减材”建模理念，因为作为一个具有可加工意义的MBD模型，除了要表达外观特性外，还需要满足加工制造的可靠性。在设计过程中，设计理念和工艺要求并驾齐驱，设计工作需充分添加毛坯尺寸、对刀精度、走刀路线、刀补半径、加工顺序等制造要素。对每一个零件的设计参数进行规范管理，应根据制造过程的顺序排列布置设计参数。同时，对所有零件进行内部标定，应该根据装配的顺序进行各个零件的布置与设计。各个零件的装配节点应该在设计过程中进行标定，以便提高后续装配精度的可靠性。在零件设计阶段，通过MBD技术建立的模型在虚拟环境下对设计和工艺方案进行仿真验证和优化，实现在实际装配之前的虚拟装配，在零件设计阶段就能消除潜在的装配缺陷，是零件绿色并行设计的关键工作。基于MBD技术的零件设计应该是面向后续制造与装配，各个零件设计参数都能作为后期工作的重要参数依据。详细的设计阶段必须完成各个零部件的全数字三维设计工作，同时生成可以制造的MBD数据库。

2.3设计面向全生命周期

基于MBD技术的零件设计过程除了根据客户对产品的要求，在传统设计的基础上并行优化设计结构外，更融入绿色设计理念，面向零件的全生命周期做出合理设计。设计人员在产品规划阶段，就要把零部件拆卸与维修、零件再回收利用以及保证零件的性能、质量、成本、寿命等要求列为设计的目标，并保证在产品制造、运输、交付客户使用过程中能够顺利实施。

基于MBD技术的设计参数可以是复杂多变，尽管如此，设计人员在面向全生命周期的设计过程中应当对一些条件做出限制和规定。传统设计理念，忽略了对零件失效后的处理，基于MBD技术的零件设计，必须重视回收处理失效报废的零件，对零件的使用进行全程跟踪，当出现紧急情况时，系统可以做出预警，防止产品出现安全隐患，对于超出使用寿命的零件，进行回收再生，零件可以循环利用，废弃物进行合理有效处理。

2.4设计面向协同仿真与虚拟

基于MBD技术的零件设计需要面向虚拟样机制作和各机构协同仿真设计开发，以零件MBD数字模型为基础，以运动学、动力学和电子控制技术为支撑，将零件的设计开发和机构运动分析集成化，使设计者、制造者和使用者能在产品的设计构思阶段，直观形象的对零件进行参数设计、仿真制造、仿真使用、性能测试、故障检测、失效预测等，为产品的全面研发提供全面可靠的数字化设计管理。同时，有效进行零件强度分析，确定设计机构和参数值，力争获取零件最佳综合机械性能；根据需要，通过热力学、流体力学等分析，仿真虚拟各个机械系统的润滑、供油、冷却、进排气等工作状态，针对虚拟试验结果调整各个零部件子系统的参数，获取最佳整体工作状态；通过零件虚拟仿真运动分析，进行运动干涉排查，间隙动静态变化，磨损的变化趋势，直观形象对零件的工作作出正确的失效预测。仿真装配工作，可以即时动态监测零件的尺寸公差，各零件在装配过程中是否发生干涉，原有设计参数制造工艺参数能否满足既定装配精度，同时也可以检验装配工艺的准确可靠性。

机械装备的运转是一项动态、复杂、多零件协调相互作用的综合性工作，前期每一个零件中的每一组参数的获得都是针对单一零件的极限状态或者许用条件获得，零件之间的关联性尚未得到验证，通过协调仿真与虚拟，从材料属性、设计参数、制造工艺、动力场、温度场、受力状态、性能变化、失效极限等各个条件进行综合或者单一分析，对设计进行优化处理，获得良好的集成综合数据。

2.5设计面向绿色检验体系

长久以来，零件设计注重性能的表现，缺乏对检验体系的关注，基于MBD技术，零件设计不仅关注各个的设计参数、制造、组装及性能测试，还面向绿色设计建立绿色检验体系。基于MBD技术的零件设计绿色检验体系应该包括环境指标、能源指标、经济指标、宜人指标等指标。例如，不选择短缺稀有材料，在产品中减少材料类型，拒绝使用含毒材料，优先选择可再收循环利用型材料；零件设计的结构尽量采用模块化，易拆卸清洁，产品进行系列化，精简产品的包装，便于运输，包装的材料可以就地降解腐化；在制造过程减少污染物的排放；在使用过程不产生有毒污染物；还要注重考虑机电装备的人机交互性，各个零件相互位置的合理性、运转的高效性等，同时让使用者感到安全和稳定。

3　基于MBD技术的零件设计实例

广西南宁沃源重工机械设备有限公司研发部基于MBD技术，成功的研发了具有国内先进水平的WYZ225-8型号的凿岩机并投入市场，获得客户的高度认可。为了实现高效绿色的零件设计工作，研发部门创建了具有本企业品牌元素特征的MBD设计环境，实现所有设计参数的共享控制和数据管理，同时，将生产部门进行在线联网，生产部门可以即可就工艺对设计提出意见，即时做出数据调整。所有数据最终将被记录，汇总成为本企业的设计手册和工艺文件，为后续的产品升级开发奠定依据。凿岩机的工作条件决定了零件结构复杂、数量众多等特点，倘若按照传统设计过程，直接制作样机的话，将消耗大量的能源，基于MBD技术的绿色设计，根据现有条件设置比例参数，通过3D打印，制作出可靠参考的模型，为后期制作的虚拟样机提供有效实物参考。

对于凿岩机来说，由于其工作空间的限制，需要考虑其各个组成部件的运输、拆卸和维修的便捷性与可靠性，同时，凿岩机内的关键零件需要具备良好的减震性，以及凿岩机整体需要拥有较好的除尘效果。设计师难以去工作现场进行实时数据采集，因此，在对零件进行面向产品的全生命周期的设计，进行关键传动零件的截面分析和测量空间分析，找出存在问题进行优化修正，还要充分考虑人机工程等因素。考虑到零件的工作环境复杂多变，难以预测，设计时可以适当放大设计参数，扩大使用范围，可以随时或者及时根据工况条件更换主体部件。而这就加大了对产品灵活性的开发，需要进行各个零件的有效协同仿真与虚拟。凿岩机型号的系列化，根据工况需要搭载不同的零件，对同一类型的零件不应造成设计资源的浪费。随着用户群的多样性和复杂化，对每一台凿岩机，尤其关键部件实行跟踪管理，若有不符合当前工况的情况，即时进行回收与更换，实现了资源的优化重组。

有别于传统的设计方法，沃源公司将零件设计工作建立在数字模型定义的基础上，设计环境简洁统一，把设计与制造装配、产品的全生命周期、协同仿真虚拟、绿色检验体系高度结合，各个工作看似独立，但却是基于准确的MBD原始模型数据，解决了传统设计的单一、效率低、各部门品质指标不一致、后期产品开发滞后等不足。沃源公司将基于MBD技术的零件设计方法在企业内部进行全面推广，逐步建立与完善企业的产品技术参数数据库，为产品类型的多样化奠定有效的技术基础。

4　结束语

在数字智造的时代，基于MBD技术，有效的提高了零件设计的效率，在不违背零件设计思路并结合并行设计的基础上，进一步注重“人-机-环境”友好和谐发展的绿色设计理念，该方法同时也是装备制造业优化创新设计的重要技术手段，有效地缩短了机电装备的研发周期，保障设计的准确率和精确度。在每一项设计决策中都充分考虑各项指标进行全方位多角度设计，将零件的全生命周期中所有可能产生的都在设计阶段进行尽早有效处理控制与优化，为下游的制造、使用提供了可靠数据来源，提升机械装备质量和市场竞争力。

参考文献：

［1］李平平.航空发动机典型结构件参数化设计研究与应用［D］.北京：北京航空航天大学，2012.

［2］刘俊堂.关联设计技术在飞机研制中的应用［J］.航空制造技术，2008，14:45-48.

［3］吕国林，褚学宁.自顶向下设计的多骨架建模方法［J］.计算机辅助设计与图形学报，2015，27（3）：548-558.

The Research and Application of Mechanical Parts based on MBD Technology Design

HUANG Shu-fang，YANG Jia-peng
（Guangxi Hydraulic and Electric Polytechnic，Nanning 530023，China）

Abstract：This paper analyzes the mechanical component design method based on MBD technology，on the premise of not violate the basic principles of mechanical design，create MBD design environment，the entire process of design for manufacturing assembly，the whole life cycle of product oriented，for green and collaborative simulation and virtual testing system，all the green design is realized.

Key words：MBD technology；mechanical parts；green design

中图分类号：TH122

文献标识码：A

文章编号：1672-545X（2016）03-0063-03

收稿日期：2015-12-20

基金项目：广西教育厅科研项目，机电产品绿色设计技术的应用研究（项目编号：桂教科研［2012］10号）

作者简介：黄淑芳（1984-），女，硕士研究生，讲师，研究方向：机械制造技术。