基于MBD的变流器产品全三维设计技术的研究

黄超 侯涛 尚锋亮 李竹可 李磊

摘 要：模型定义技术是将各种定义信息集成在三维实体模型中来完整表达产品信息的一种数字化技术。文中在介绍模型定义技术概念的基础上，通过分析变流器产品的实际业务需求，提出了规范化建模、三维模型标注、模型检查的要求，总结出变流器产品全三维设计方案，对变流器产品的三维设计具有一定的指导意义。

关键词：模型定义技术；全三维设计技术；三维建模；三维标注；模型检查

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）03-00-02

0 引 言

目前，变流器产品的开发普遍使用3D模型+2D工程图的模式来指导生产。在研发过程中，设计人员不仅要花费大量时间进行三维图与二维图纸的转化，而且由于二维工程图纸对现场加工和组装信息的传递缺乏直观性，导致产品的数据不能准确快速地传达到生产现场。因此将一个包含所有设计信息的完整模型准确传递下去是未来产品开发的必然需求。

1 MBD全三维设计概述

基于模型定义技术（Model Based Definition，MBD）的全三维设计技术在建立三维模型时，不仅要包含精确的产品几何模型，还要包含表示产品尺寸、公差、基准、材料等非几何信息，以满足下游工艺设计和检验设计的要求，替代原二维图样，从而实现取消二维图纸的功能，成为实现“模型下车间”的技术基础。全三维设计过程中全部采用三维模型，其典型特征是利用了模型的定义技术。图1显示了传统模式和MBD模式下产品设计的比对。

2 变流器产品的全三维设计技术

为了使变流器产品的三维设计模型便于后续部门进行模型共享和共用，我们提出了变流器产品的全三维设计技术。该技术需通过以下方式实现：规范创建实体模型；完成三维标注；进行模型检查。全三维模型设计实现过程如图2所示。

2.1 实体模型

产品的三维模型是产品信息集成系统的源头，因此，在工程设计中，三维建模是非常重要的环节。一个好的模型会起到事半功倍的效果，不仅能提高设计效率，而且更重要的是为信息集成奠定了基础。

2.1.1 模型的评价原则

对于同一个模型，不同的人会得到不同的结果。那么，有没有统一的标准来评价这些三维模型呢？实际上，在工程设计中，很难找到这样一个标准，我们不能简单地说一个模型是对还是错，只能相对地说一个模型是好还是坏。三维建模应遵循两个总原则：一是三维模型一定要包含尽可能完备的产品信息；二是最终的模型一定要容易修改。

2.1.2 模型创建的基本原则

如何建模才能使模型包含尽可能完备的产品信息并且容易修改呢？按照国家标准《GB/T 26099.1-2010机械产品三维建模通用规则》中的要求，主要应遵循三个原则：第一，在建模之初考虑模型的架构及基础信息的填写，即材料的选择、参数的设定、模板的选择等；第二，在草图绘制阶段确立设计基准，创建模型的基本特征；第三，在模型构建过程中，确立不同特征的几何约束或尺寸关系，对特征树进行规范化命名。

2.1.3 实例说明

钣金件是变流器产品中最常见的加工件，按照以下几方面规范要求建立此模型：

（1）根据生产车间提取的模型需求信息，建模时采用钣金模板通过数控加工的生产工艺进行模型构建；然后分配相应材料，根据材料设定钣金的折弯内角，K因子系数，DEV参数等。模板及基本信息如图3所示。材料及系数设定如图4所示。

（2）建立特征时首先建立模型的基本特征（如框、座等）；然后建立模型的细节特征（如孔、倒角等），为了便于实施MBD一体化，变流器产品中多边孔、长圆孔等都应先进行基准点定位，再采用草绘开孔形状的方式来创建该特征。

（3）在模型构建过程中，确立不同特征的几何约束或尺寸关系，并对特征树进行规范化命名，方便在后期模型修订优化过程中快速准确地找到相应特征。

2.2 三维标注

三维标注是将产品模型的几何信息和非几何信息由设计过程传递至生产加工过程，打通设计、工艺和制造的三维数据链。三维标注按照国家标准《GB/T 24734.1-2009技术产品文件 数字化产品定义数据通则》进行，在三维模型上直接进行尺寸、公差、表面結构、注释等信息的标注，所标注的尺寸值会随三维模型实体的改变而自动更新，从而更加直观地表达设计意图。

2.2.1 三维标注视图管理开发

由于MBD标注基于三维环境进行，我们提出了分视图、分图层的信息表达管理方法，开发了组合视图等功能。分视图、分图层如图5所示。

首次提出并开发了组合视图功能，应用者选定主视图后，系统自动定义其他方向的视图，标注时需激活相应视图，当存在干扰标注时，可激活当前视图标注，关闭其余视图，解决三维标注存在的“刺猬”现象。

2.2.2 三维标注功能板块开发

通过三维软件提供的二次开发接口，开发构建了符合国家标准的尺寸、公差、表面结构、焊接符号、注释等标注模块。三维标注功能板块如图6所示。

2.3 模型检查

三维模型构建和标注的准确性是影响MBD模型共享的重要因素，基于模型的三维标注支持真尺寸和假尺寸两种方式。在某些情况下，设计师为了保证设计任务能够按时完成，会采用假尺寸的标注方式进行尺寸标注，从而减少修改三维模型的工作量。但是由于MBD模型的特殊性，其三维标注的模型会直接作为加工制造的数据来源，所以假尺寸就意味着无法表达真实的三维模型结构，从而造成生产事故，影响产品交付。所以三维设计模型在发放下一用户前必须进行模型检查工作。

模型检查的原则为：

（1）模型中几何信息的完整性、正确性和可再生性；

（2）工程属性信息描述的完整性；

（3）模型的尺寸标注信息。

模型检查的内容主要包括：

（1）参数完整性检查；

（2）替代尺寸检查；

（3）元件约束完整性检查。

模型检查功能的实现推进了模型的规范性和正确性，提高了产品三维模型的设计质量。

3 结 语

从规范化实体模型构建，到三维模型的标注，再到模型检查，都为实现MBD全三维设计提供了坚实的设计基础，使模型在不同部门之间得到共享。全三维设计技术的采用，将大幅提高变流器产品研制的整体效率。将含有标注的三维模型作为指导生产加工的唯一数据，取代二维工程图是必然趋势，如同之前甩图板工程用AutoCAD替代了图板和铅笔绘图一样。但是任何事物都有其发展过程，由于目前国内全三维设计体系还不够完善，全三维设计模式对现有的设计体系、工艺体系、检验体系及制造体系产生了深刻的影响。我们应结合自身产品研制现状，以GB/T24734.1，GB/T26099.1等国家标准为基准，大力推进全三维设计技术，深入推广全三维设计技术的应用，使变流器产品的研制生产得到跨越式发展。

参考文献

[1] 乌尔里希·森德勒.工业4.0[M].北京：机械工业出版社，2014.

[2] 侯涛，黄超.基于MBD的设计工艺一体化数据实施方案[Z].电传动技术，2017.

[3] 梅中义，杨涛.基于模型定义的飞机全三维设计实现技术[J].航空制造技术，2013（8）：26-31.

[4] 张信淋，许马会.基于MBD的全三维快速建模技术[J].航空电子技术，2015，46（4）：18-23.

[5] 陈兴玉，张祥祥，程五四，等.基于MBD的全三维工艺规程卡构建研究[J].制造业自动化，2016（5）：56-60.

[6] 張晓帆，李永俊，徐方舟.航天器全三维仪器电缆总装设计技术研究[J].科技创新与应用，2017（6）：50-51.

[7] 邓云飞，张帆，姚纳新.基于MBD复合材料结构设计与工艺一体化设计方法研究[J].智能制造，2016（5）：36-40.

[8] 孙立民.浅谈产品工艺一体化对工程机械的发展[J].装备制造技术，2014（6）：206-207.

[9] 郭明春，郝永平，曾鹏飞.基于MBD的叶片泵建模与工艺信息集成一体化研究[J].成组技术与生产现代化，2017，34（2）：38-42.