“轻量化”助推企业应用MBD技术

1、前沿

目前产品定义主要采用三维+二维的方式，即设计、分析、仿真阶段使用产品三维模型，制造、工艺规划、检验阶段使用二维工程图，企业间协作时也多下发二维工程图。这种产品研制模式有2个严重不足：一是转换二维图非常费时，且不创造价值；二是设计变更时，常常只改二维图，而不再修改三维模型，造成产品数据管理困难。

MBD(Model Based Definition)——基于模型的定义，是指用集成的三维模型完整地表达产品定义信息。产品定义信息包含：产品结构（几何）、技术要求（公差、粗糙度）、制造过程信息（加工、装配、测量、检验）以及非几何的管理信息（属性、产品BOM等）等。MBD的核心是将产品三维模型打造为加工制造的数据源。MBD首先由波音公司提出，空客A380的研制采用了MBD技术。国内绝大多数企业还没有应用MBD技术，但航空、航天领域对MBD有巨大的需求，如承担波音787尾翼、机翼生产的沈飞、西飞、成飞，已经应用了MBD技术。由于MBD技术为企业解决各种信息系统之间产品数据冗余难题提供了方法，而成为产品数字化发展的必然趋势。

2、MBD应用场景

设计人员利用CAD创建产品的三维模型，并在三维模型上标注尺寸、公差、粗糙度、基准面等技术要求，为三维图样表达需要创建必要的视图、剖视图。图1为MBD在设计阶段的应用场景。

图1 MBD在设计阶段的应用场景

工艺人员利用CAD创建产品的各工序模型，各工序模型和设计模型共同定义在产品的MBD模型中，即共同定义在一个模型文件中。每个工序模型根据三维图样表达需要定义1个或多个视图，视图包含必要的定位、夹紧、尺寸、工序信息等，工序模型的视图将最终嵌入在各信息系统中进行浏览。产品复杂时，需要分别创建工序过程卡、工艺卡、工序卡、加工作业指导书中相应的视图。

检验规划人员利用CAD系统创建检验模型，并定义必要的检验视图，标注检验要求、注释等。

产品研制各阶段的审核人员，利用嵌入在PDM/PLM、CAPP等各信息系统的浏览器查看产品数模，并添加必要的审核注释，该注释不同于CAD中的三维PMI注释，不能修改MBD模型。

车间工人通过嵌入MES的浏览器查看产品数模以及具体作业指导内容及要求。当某零件需要外协时，出于技术保密的需要，可以在CAD中为该零件创建一个特定的视图，仅标注必要的PMI信息，输出时不输出完整的MBD模型，而只输出简化的零件模型。

综上分析，MBD模型的创建，主要通过CAD软件完成，由设计、工艺、检验等不同人员根据工作需要分阶段补充完成；而MBD模型的浏览主要通过嵌入在各信息系统的模型浏览器实现。

3、轻量化技术

由三维CAD系统创建的产品模型，不仅包含产品的参数化几何外形，还包含造型过程及参数、平面草图及约束等，是产品的精确模型，作为产品的源模型，数据量大且结构复杂。当浏览复杂产品的CAD源模型时，计算机常出现显示困难现象，提高计算机配置将大大增加实施MBD的硬件和软件成本。

“轻量化”是解决显示困难问题的有效方法。其利用计算机具有高速渲染三角面片的特性，如图2所示，将参数化CAD模型转换成三角面片模型，并进行适当的网格简化，在满足一定精度的情况下，通过减少模型面片数量，达到使模型轻量的目的。轻量化技术原理如图2所示。

图2 轻量化技术原理

4、轻量化技术对MBD的支持

很多应用场景不需要编辑MBD源模型，只需要浏览，且一定的模型误差是不影响查看的。因此，不必为每个岗位配备昂贵的CAD系统及高性能计算机，只需配置轻量化浏览器及普通计算机，轻量化也便于查看大装配数据。

轻量化技术在MBD中主要有2种体现：一是三维CAD系统将创建的MBD源模型，输出为指定格式的轻量化模型，轻量化模型可以为后续各个阶段使用；二是后续的各信息系统安装特定的浏览器插件，实现在系统内浏览产品的轻量化近似模型。

除模型浏览外，为满足MBD实施，“轻量化”方案还需要满足如下要求：

1)浏览器除了读取轻量化模型外，也要支持各种通用CAD的数据直接读取浏览；

2)除提供OCX浏览插件，支持PLM嵌入式应用外，还需要提供独立的浏览器，以便非集成系统的浏览需要；

3)支持旋转、移动、缩放、多视图等基本浏览功能；

4)支持剖切、测量、三维批注审阅、三维装配仿真等功能；

5)支持MBD模型中各种三维图样、PMI、剖视、等信息的良好显示；

6)支持较小的压缩比，实现大装配模型的极轻量化；

7)为模型提供多个LOD层级，在渲染流畅的情况下，尽量显示较高精度的轻量化模型。

轻量化技术对MBD实施的重要性主要表现在3个方面：

1）制定了一种产品轻量化格式。以平面片为基本单元的产品格式已有标准格式，如STL、VRML等，但这些格式还不能满足MBD的需要。如STL缺乏面片之间的层次结构信息，VRML格式缺乏必要的产品属性等，更重要的是这些格式都不能携带重要的三维标注PMI信息。因此，MBD中的轻量化格式必须是结构化的、带必要参数属性的、带三维PMI的。

结构化指产品从装配体、部件，到零件、特征，都是有层次结构的，可以通过产品的BOM结构查看产品的所有零部件。带参数，是指当用户选中某产品时，可以查看产品的相关属性，当选中几何表面时，可以查看该表面的参数数据。带三维PMI，是指轻量化模型应该包含CAD源模型中定义的各种PMI和所有视图，各种PMI也是按照视图进行分类的。

主流三维CAD定义了自己的轻量化格式，也都具备上述属性，如CATIA定义了3dxml、NX定义了3JT、PTC定义了PVS、SolidWorks定义了eDrawing。

2）提供了相应的轻量化浏览器。产品CAD源模型输出为轻量化格式后，必须提供相应的可视化解决方案。一是在PDM、PLM、CAPP、MES、ERP等系统中或者office文档中浏览产品时，需要轻量化浏览插件；另外，为方便企业和客户间的交流，需要提供独立浏览器。

无论插件还是独立浏览器都必备的功能包括：支持BOM管理、轻量化模型浏览、审阅批注、剖切测量等。此外，还可以包含CAD源模型浏览、二维工程图浏览、office文档浏览、三维标注等，如图3所示。

图3 轻量化浏览插件已经嵌入PDM/CAPP系统

3）提供了精确数据的测量功能。轻量化模型是源模型的近似，是有一定误差的，这不影响模型的查看，但当需要获取产品的精确数据时，浏览器必须提供相关的测量工具。由于直接通过轻量化的面片几何进行测量的结果是不准确的，因此，产品的轻量化模型中必须保持产品精确的参数属性。

测量时，浏览器根据所选取的测量要素，在结构化的轻量化数据中查询出对应几何要素的精确参数。

5、华天软件的轻量化解决方案——SView

华天软件制定了完全自主的轻量化产品格式SVL，为满足高精可视化和大装配显示，为SVL格式设计了3个LOD层次，LOD1层面片最多，误差最小，精度最高，逐级往下，面片越来越少，误差越大。最下层的LOD与LOD1相比，可实现5%左右的压缩率。华天软件还开发出了SVL轻量化格式的嵌入式浏览插件（OCX版）。图3显示轻量化浏览插件已经嵌入PDM/CAPP系统。同时开发了独立浏览器——SView，除带BOM浏览外，支持工序内容的三维注释，支持装配动画录制。

6、结论

MBD能解决数据源不统一、数据管理困难等问题，是产品数字化发展的趋势。MBD实施时，除设计、工艺等少量岗位需要使用三维CAD进行PMI标注外，多数岗位只查看而不修改MBD模型，不必配置昂贵的CAD系统，因此，轻量化解决方案是MBD实施中必不可少的。轻量化方案通过模型三角面化、网格简化技术可以将模型压缩到源模型的5%左右，大大降低了浏览大装配的硬件要求；通过提供独立和嵌入式浏览器，保证在PDM/PLM/CAPP等各种信息系统中可以自由浏览MBD模型；多LOD层显示、BOM结构显示、精确测量、剖切、审阅批注等各种关键技术的集成，将满足不同岗位使用轻量化MBD模型时4的应用需求，将大大提高企业MBD实施的效益。

华天软件作为国内具有完全自主知识产权的三维CAD软件开发商，已经具备了完整的轻量化解决方案：制定了自主的轻量化格式SVL，开发出了相应的轻量化浏览器SView，并支持读取NX、CREO、CATIA等主流三维CAD输出的MBD模型。

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