MBD技术在智能制造与教改中的发展应用

包木鹏 谢玉东 王 勇

（1.山东大学 机械工程学院，济南 250061；2.高效洁净机械制造教育部重点实验室（山东大学），济南 250061）

智能制造贯穿于产品的全生命周期，如图1所示，开创了制造业智能化、数字化和网络化的制造新阶段。目前，全国各大高等院校都在全力推进智能制造新工科的建设与发展。制图课程是新工科课程建设必不可少的基础课程，包括“机械制图”“工程制图”“设计制图”等，涉及机械工程、材料科学与工程、控制科学与工程、电气工程、能源与动力工程以及土建与水利等专业。

图1 贯穿于产品的全生命周期的智能制造

1 MBD介绍

蒙日创立了画法几何，将物体按一定的投影方法和有关标准画出，使用数字和标记等标注出物体的巨细、属性和有关加工制造的工艺标准及使用介绍，使得产品的制造者和后期的维护者能够根据图样领会设计人员的思想，因此工程图样被喻为工程界的语言。以传统的二维工程图样为核心的信息传递方式，如图2所示。设计人员将产品以规范化的二维工程图的形式呈现，然后将二维工程图传递给工艺部门；工艺部门的人员拿到二维工程图后，需先读懂二维工程图，领会设计者的意图，然后融入工艺信息，并把有关图纸资料传递给制造部门；制造部门的人员需要先读懂二维工程图，领会设计者和工艺编制者的意图，然后再开始加工。在这个过程中，非设计部门的人员需根据二维图纸构思出产品的三维模型，以验证图纸和产品的合理性。

图2 以二维图为核心的信息传递方式

基于MBD的信息传递方式如图3所示。MBD的信息传递方式与以二维图纸为核心的传递方式存在很大不同。MBD的信息传递省略了工艺流程中由几何模型生成二维图纸和由二维图纸构思几何模型的过程，简化了从研发设计到加工生产之间的工艺流程。它将模型的几何信息、尺寸公差、形位公差、表面粗糙度、零件注释、技术要求和材料说明等信息直接标注在几何模型上。各部门之间传递信息都是依靠几何模型，不需要由二维图纸构思几何模型，因此能够提高工作效率，而且有利于智能制造的快 速发展。

图3 基于模型定义的信息传递方式

2 MBD应用方向及现状

随着智能制造和数字化等先进技术的不断进步与发展，三维造型技术在智能制造行业中的应用越来越多，基于MBD的表达方式在制造业和机械制图中的应用也越来越广泛。MBD技术使产品在表达方式上与传统表达方式相比发生了很大变化，对智能制造技术产生了巨大影响，使计算机三维设计进入了一个新的时代。MBD技术在高校的教学改革中也发挥着巨大作用。随着制图类课程的不断发展，传统的机械图纸表达方式可以根据MBD技术进行改革，从而探索一种新的授课方式，以提高授课质量，提升学生的个人能力和个人素质，同时满足各大企业对高校培养人才的需求。

邓云飞等[1]介绍了MBD技术的诞生、发展和MBD技术当下在航空航天以及相关方向上的使用情况，介绍了MBD技术在航空制造业研发设计中的使用现状，展望了MBD技术在未来航空、航天上的发展前景。邱世广等[2]研究发现，如果想要在保证研发质量的情况下缩短研发时间，必须升级现在落后的技术手段，而目前的MBD表达方式可以满足这样的要求，能够以一种新的三维数字化表达方式替代传统的表达方式，从而缩短飞机研发制造的时间，显著提高企业的研发生产效率。曹清园等[3]认为，随着智能制造和数字化技术的发展，企业为顺应数字化发展而不断进行产业升级和改造，使MBD技术在越来越多的制造业中得到了应用。为适应企业技术变化，工程制图类课程改革也应该加快。要根据课程实际需要调整制图教学模式，并且基于MBD技术进行全面的技术调整，以适应当前的社会需求和制造业的发展。郭南初[4]以高等职业院校的机械制图为基础，思考了应如何开展学科改革，认为该课程是培养学生思维能力与创造能力的重要课程，提出了关于机械制图的课程改革。课程改革的结果与企业的用人反馈显示，该课程改革取得了明显成效，极大地提高了学生的学习热情。于勇等[5]主要分析数字化表达技术各个阶段的发展情况，根据企业发展需求，结合实例分析，发现将MBD技术与教学相融合可以提升学生的学习兴趣和积极性。张宗波等[6]认为，随着近些年计算机相关技术的不断进步，计算机造型技术得到了快速提升。虽然目前三维造型技术不会完全取代二维图纸，但是为了适应制造业的发展，应该将计算机三维造型技术与工程图学课程相互结合，探索出一种新的授课模式，以提高学生的看图、识图和实践能力。王利等[7]基于智能制造这一时代背景，探究制图类课程应该如何进行教学改革和教学改革所包含的内容，认为应该加快基于新背景下的机械制图课程改革，培养出看图、识图和动手操作能力强的全面发展的人才。穆浩志等[8]以教育部提出的卓越计划为背景，结合当前企业对人才的具体要求，在充分了解制图类教学改革内容的基础上，提出应该建立以思维创新为主的新的教学体系与方法，以培养学生的工程师能力素养，同时应该注重学生的个性化发展，通过课程改革提高学生学习的主动性和创新性，以及学生的综合能力和综合素质。

3 MBD在制造业中的应用与发展

机械图纸在制造业中具有重要作用。最初的机械产品加工需要根据图纸进行操作，由于图纸是二维的工程图纸，要求研发人员和加工人员都要具备一定的绘图能力和立体几何构思能力。随着计算机功能的不断强大，计算机辅助设计技术逐步完善。计算机辅助设计能够减少研发人员的工作量，降低工作难度。虽然三维图纸比二维图纸更加清晰可观，但是无法直接表达尺寸公差、形位公差以及紧固件之间的配合要求等。

MBD技术的表达方式已经在计算机辅助设计软件中成功应用，可以把二维图中的数据直接标注在几何模型中。所有的创新研发和信息标注都可以在几何模型设计中完成，大大减少了研发人员的工作量，减少了完整表达出工件信息和数据所需的图纸，缩短了加工人员看图和读图的时间，提升了企业的加工和生产效率。MBD制图与传统制图存在很大不同。现代的MBD制图效率更高、集成化更高、图纸量更少，且图纸数据更加清晰、直观。现代制图与传统制图对比图，如图4所示。

图4 现代制图与传统制图对比图

传统研发制造的表达方式以二维图纸为主，绘制出图时间长，生产效率低。随着计算机三维造型技术的进步，三维设计的表达方式逐渐增多。如今，MBD全三维造型技术可以在三维设计中完成所有的工作，显著提高了研发效率，因此更多的企业开始采用新的表达方式。目前，MBD表达方式在航空航天中已得到了广泛应用，并且取得了良好成效。波音公司率先采用MBD技术进行技术升级，取得了显著成果。其他航空企业和一些相关制造业也开始采用MBD技术的表达方式进行技术升级。我国很多航空公司采用该项技术，大幅提升了研发效率和生产效率。虽然MBD技术在航空航天中取得了良好应用，但是对于大多数制造业公司来说，MBD技术仍然属于前沿技术。因此，MBD技术在制造业尤其是智能制造行业中仍然有很大的发展空间和应用前景。

4 MBD在教学改革中的应用与发展

MBD技术采用了一种新的表达方式，可以在三维模型中展示公差和配合等详细信息，使三维模型的信息更加全面，如图5所示。MBD表达方式的数据组成主要包括实际模型、三维标注和工件信息3大板块。它通过几何模型把产品的尺寸、公差以及注释等数据信息集合表达，使得课程知识与实际内容联系更加紧密，且更加容易理解。MBD数据组成结构，如图6所示。MBD表达方式可以将原先在多张图纸中的标注信息统一标注在一个几何模型中，使几何模型信息标注更加集成化、便捷化和直观化。

图5 基于MBD的模型

图6 MBD数据组成图

高等教育对学生的发展起着至关重要的作用。制图类课程的教学质量会影响到学生的学习效果和学生创新思维能力的培养。机械制图以工程图纸作为信息交流的媒介，可以使研发设计人员与加工操作人员直接沟通，在制图课程中发挥着重要作用。随着计算机辅助造型技术的进步，工程图纸由二维图纸逐渐向几何模型过渡。目前，主流的表达方式是二维图纸与几何模型结合使用，几何模型可以直接展示一些复杂模型的结构，将配合和公差等信息标注在二维图纸中，以二维图纸为主要依据把几何模型作为参考进行配合使用。随着MBD表达方式的完善，全三维造型技术在智能制造中的应用逐渐得到推广，且已经在航空制造业得到了良好应用。高校在制图类课程授课上应该与时俱进，与企业发展相互交融、相互衔接，以适应当前课程教学改革的发展趋势。

在培养高素质人才方面，教育部启动了“卓越计划”，目的是培养创新能力和实践能力强的技术类人员，为国家建设提供人才储备，为高等教育发展培养一批优秀人才[9]。在课程体系方面，由国外的几所高校经过长期摸索与尝试，形成了构思、设计、实现和运作的一种新的教育概念，目的是促进学生主动学习和在实践中学习[10-11]，从而提高学生的综合能力和综合素质。MBD的教学改革可以提高学生自主学习的能力，提高教师的讲课质量，形成良好的授课反馈体系，有利于高等教育的发展，还可以为其他相关课程的改革提供借鉴，有利于教学改革的发展。

5 结语

随着“中国制造2025”的到来，制造业的发展速度也在逐渐加快。MBD技术在航空制造业中已经取得了显著成绩，提高了研发生产效率，优化了研发设计流程，在未来的制造业发展中有着良好的发展空间和应用前景，代表了最新的表达技术。此外，MBD表达方式也可以促使机械制图和计算机三维造型技术结合，进一步推动MBD表达方式的发展和机械制图课程教学改革的发展。