簡(jiǎn)化尺寸標(biāo)注的MBD設(shè)計(jì)方法研究與實(shí)踐

張 瑜，王光耀，張讓威，竇愛國(guó)

（1.中國(guó)航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽110015；2.無錫市潤(rùn)和機(jī)械有限公司，江蘇無錫214161）

0 引言

隨著3維數(shù)字化技術(shù)的不斷推廣應(yīng)用，MBD（基于模型的定義）數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造已成為航空制造業(yè)信息化的發(fā)展趨勢(shì)。MBD技術(shù)是用集成的3維實(shí)體模型來完整表達(dá)產(chǎn)品定義信息的方法，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、幾何、標(biāo)注、工藝、制造、管理等信息均附著在3維綜合化模型中，直觀有效地表達(dá)了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖。3維模型成為設(shè)計(jì)制造信息表示的唯一載體，改變了傳統(tǒng)以2維工程圖紙為主，以3維實(shí)體模型為輔的制造方法。MBD模型不僅易于工程人員理解，也易于被計(jì)算機(jī)解讀，有效地解決了設(shè)計(jì)制造一體化問題[1-4]。

從國(guó)內(nèi)外MBD技術(shù)的應(yīng)用情況來看，MBD技術(shù)相比傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式有著巨大優(yōu)勢(shì)，但相比國(guó)外，當(dāng)前我國(guó)機(jī)械產(chǎn)品制造業(yè)中MBD技術(shù)的應(yīng)用還處于探索階段，存在著一些問題，例如缺乏統(tǒng)一的MBD標(biāo)準(zhǔn)和管理規(guī)范，MBD數(shù)據(jù)集的“數(shù)字化”程度不高等[5-9]。另外在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)工作中逐漸體會(huì)到，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品或大型裝配件，MBD 3維模型標(biāo)注信息量過大，信息表達(dá)和提取十分困難，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)因信息量雜亂無章而導(dǎo)致的“刺猬”現(xiàn)象，不但占用了大量的標(biāo)注及校對(duì)時(shí)間，設(shè)計(jì)質(zhì)量的保證也會(huì)更加困難。

為解決“刺猬”現(xiàn)象，本文在借鑒國(guó)內(nèi)外3維標(biāo)注簡(jiǎn)化方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)工作，進(jìn)行了簡(jiǎn)化尺寸標(biāo)注的MBD設(shè)計(jì)方法研究與實(shí)踐，探索了1種可以減少設(shè)計(jì)工作量，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，在現(xiàn)有加工水平條件下可方便轉(zhuǎn)化為工藝文件并完成加工的MBD設(shè)計(jì)方法。

1 國(guó)內(nèi)外企業(yè)3維標(biāo)注簡(jiǎn)化情況分析

1.1 美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)

美國(guó)軍方于2013年發(fā)布了MIL-STD-31000A《技術(shù)數(shù)據(jù)包》[10]，該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)模型的不同用途規(guī)定了不同詳細(xì)程度的MBD標(biāo)注方法。如果模型作為原型，則僅需最小級(jí)別的標(biāo)注；如果設(shè)計(jì)需要進(jìn)行二次操作，模型僅用于首次操作，則僅需定義部分標(biāo)注；如果設(shè)計(jì)需要由外部供應(yīng)商制造或交付給用戶，則需要進(jìn)行完整標(biāo)注。不同類別模型MBD標(biāo)注的內(nèi)容見表1。

表1 不同類別模型MBD標(biāo)注內(nèi)容

1.2 波音公司標(biāo)準(zhǔn)

圖1 最小/概念模型標(biāo)注圖例

圖2 部分/設(shè)計(jì)模型標(biāo)注圖例

圖3 完整/制造模型標(biāo)注圖例

在波音公司基于CATIA建模要求的系列標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)具有復(fù)雜外形的零件也給出了產(chǎn)品定義方法，包括等厚度，筋壁、腔壁、腔底的拉伸厚度，機(jī)加臺(tái)階定位，外部曲面，筋、肋、腹板的簡(jiǎn)單外部輪廓以及半徑等典型結(jié)構(gòu)的標(biāo)注。其標(biāo)注主要有2種方法，一種是在模型或圖樣上標(biāo)注表面輪廓度，另一種是使用通用注釋方法。標(biāo)準(zhǔn)對(duì)通用注釋進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，即提取出能夠通過制定規(guī)則進(jìn)行簡(jiǎn)化的同類標(biāo)注信息，將其整理歸納為默認(rèn)規(guī)則而省去其在模型上的標(biāo)注[11-13]。

1.3 國(guó)內(nèi)飛機(jī)產(chǎn)品定義中的尺寸標(biāo)注簡(jiǎn)化

國(guó)內(nèi)飛機(jī)產(chǎn)品定義中也有對(duì)尺寸標(biāo)注進(jìn)行簡(jiǎn)化的應(yīng)用實(shí)例，部分尺寸在3維模型中可不標(biāo)注（如按一般公差制造的尺寸等），但需注明公差的尺寸（包括基本尺寸和公差）、形位公差、表面粗糙度、螺紋、結(jié)構(gòu)要素（如板材和型材下陷等）等必須進(jìn)行標(biāo)注[14-15]。

這些標(biāo)注信息簡(jiǎn)化方式一方面有效地提高了MBD標(biāo)注的效率，另一方面明確了關(guān)鍵的重要尺寸，使信息的讀取更加簡(jiǎn)便，也為后續(xù)的加工制造帶來了方便。

2 簡(jiǎn)化尺寸標(biāo)注的MBD設(shè)計(jì)方法

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外軍工、航空企業(yè)3維簡(jiǎn)化標(biāo)注的情況分析，并結(jié)合國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)現(xiàn)有的MBD設(shè)計(jì)情況，進(jìn)行了簡(jiǎn)化尺寸標(biāo)注MBD設(shè)計(jì)方法研究。對(duì)3維模型完整定義需要標(biāo)注的尺寸進(jìn)行了總結(jié)和分類，繼而對(duì)各類型尺寸是否可以進(jìn)行簡(jiǎn)化標(biāo)注進(jìn)行了判斷，研究出了1種簡(jiǎn)化方法。下面對(duì)該方法進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

對(duì)于機(jī)件，完整的標(biāo)注一般包括結(jié)構(gòu)尺寸、螺紋、尺寸公差、形位公差、基準(zhǔn)、表面粗糙度、焊接以及技術(shù)要求等。

對(duì)于結(jié)構(gòu)尺寸，由于MBD技術(shù)使3維模型成為唯一的數(shù)據(jù)源，對(duì)加工制造來說，通過MBD的3維模型可以直接讀取模型尺寸，自動(dòng)生成刀位軌跡建立數(shù)控加工程序，因此設(shè)計(jì)過程中可以對(duì)按一般尺寸公差標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸信息進(jìn)行簡(jiǎn)化，即取消標(biāo)注，而對(duì)于精確控制的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸則無法簡(jiǎn)化表達(dá)，仍需要進(jìn)行詳細(xì)的3維標(biāo)注，明確其結(jié)構(gòu)尺寸及公差。

對(duì)于精確控制的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸，如產(chǎn)品中還存在與之相同的構(gòu)造因素，可以簡(jiǎn)化標(biāo)注，即僅在其中1個(gè)因素上進(jìn)行詳細(xì)標(biāo)注（其余相同因素不標(biāo)注），同時(shí)，相同因素?cái)?shù)量也可省略，但需將標(biāo)注內(nèi)容與不標(biāo)注的相同構(gòu)造因素進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)在讀取信息時(shí)通過選擇標(biāo)注內(nèi)容將相同構(gòu)造因素位置全部高亮顯示，便于加工制造識(shí)別。

對(duì)產(chǎn)品中的螺紋進(jìn)行螺紋規(guī)格的標(biāo)注，相同規(guī)格的螺紋參照相同構(gòu)造因素的簡(jiǎn)化標(biāo)注方法進(jìn)行標(biāo)注。

參考基準(zhǔn)和形位公差是對(duì)模型關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的嚴(yán)格控制信息，應(yīng)在模型中進(jìn)行詳細(xì)標(biāo)注。

表面粗糙度一般根據(jù)表面配合情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)某個(gè)粗糙度標(biāo)注占多數(shù)時(shí)，可以取消在模型中的標(biāo)注，而在圖樣空白處或技術(shù)要求中進(jìn)行說明，其余粗糙度類型則須在模型中注明。

產(chǎn)品中的焊接信息應(yīng)在焊縫處進(jìn)行標(biāo)注，相同焊接要求的焊縫簡(jiǎn)化標(biāo)注與相同構(gòu)造因素的簡(jiǎn)化標(biāo)注規(guī)則相同。

運(yùn)用簡(jiǎn)化標(biāo)注方法標(biāo)注的3維模型的技術(shù)要求除包含熱處理、表面處理、制造要求、驗(yàn)收要求等，還應(yīng)將未注尺寸查詢基準(zhǔn)以及需要說明的簡(jiǎn)化規(guī)則在技術(shù)要求中加以明確。以上標(biāo)注內(nèi)容的簡(jiǎn)化標(biāo)注方法見表2。

目前該方法還比較粗淺，其研究目的是探索簡(jiǎn)化尺寸標(biāo)注的MBD設(shè)計(jì)方法在發(fā)動(dòng)機(jī)研制工程實(shí)踐中的可行性，通過某型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的設(shè)計(jì)對(duì)該方法的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。

3 在某型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣設(shè)計(jì)中的實(shí)踐

3.1 某型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣結(jié)構(gòu)方案簡(jiǎn)介

根據(jù)某型發(fā)動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)布置、發(fā)動(dòng)機(jī)附件安裝、維護(hù)及部件試驗(yàn)借用的需要，機(jī)匣采用分段式結(jié)構(gòu)，由連接環(huán)、機(jī)匣前段、機(jī)匣中前段、機(jī)匣中后段和機(jī)匣后段組成，如圖4所示。其中除了機(jī)匣后段為沿用已有件外，其余機(jī)匣部分均采用金屬材料經(jīng)數(shù)控加工而成，本次MBD簡(jiǎn)化標(biāo)注實(shí)踐對(duì)象即為金屬機(jī)匣部分。

圖4 機(jī)匣結(jié)構(gòu)

3.2 機(jī)匣MBD設(shè)計(jì)

采用簡(jiǎn)化尺寸標(biāo)注的MBD設(shè)計(jì)方法完成了機(jī)匣設(shè)計(jì)，共生成大型零組件MBD模型12個(gè)，MBD出圖周期約為30天。采用簡(jiǎn)化尺寸標(biāo)注的MBD設(shè)計(jì)方式與標(biāo)注完整尺寸的設(shè)計(jì)方式相比，未增加模型數(shù)量，而MBD標(biāo)注工作量大幅減少。

以機(jī)匣中前段加工組合件MBD設(shè)計(jì)的標(biāo)注情況為例（如圖5所示），圖5（a）為模型包含的全部視圖，可見該模型僅包含7個(gè)視圖，其中4個(gè)為外形控制和尺寸配合標(biāo)注視圖（如圖 5（b）、（c）所示），1 個(gè)為基準(zhǔn)與形位公差視圖（如圖5（d）所示），1個(gè)為表面粗糙度與焊接符號(hào)視圖如圖5（e）所示），1個(gè)為技術(shù)要求視圖如圖5（f）所示）。從圖中可以看出，通過簡(jiǎn)化MBD標(biāo)注使標(biāo)注信息大量減少，也使模型表達(dá)更加清晰，明確。

圖5 機(jī)匣中前段加工組合件標(biāo)注情況

另一型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工組合件MBD設(shè)計(jì)的標(biāo)注情況如圖6所示。該模型共包含54個(gè)視圖，完整的MBD標(biāo)注信息量巨大，增加了查找和讀取信息的困難。

圖6 某型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣尺寸標(biāo)注情況

為進(jìn)行更合理的比較，對(duì)機(jī)匣連接環(huán)、前段、中前段以及中后段加工組合件的標(biāo)注數(shù)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，總數(shù)為228個(gè)，而作為對(duì)比的另一型發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)匣加工組合件的標(biāo)注數(shù)量為846個(gè)，標(biāo)注數(shù)量相比減少了73%。標(biāo)注數(shù)量的減少大大減少了設(shè)計(jì)的工作量，提高了設(shè)計(jì)效率。另一方面，由于手工標(biāo)注的尺寸大幅減少，降低了出錯(cuò)概率，因此也提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。

3.3 機(jī)匣加工工藝路線

某公司根據(jù)簡(jiǎn)化尺寸標(biāo)注MBD模型的新輸入形式編制了機(jī)匣的加工工藝路線，如圖7所示。首先對(duì)未注尺寸及公差進(jìn)行二次分配，再在此基礎(chǔ)上進(jìn)行加工工藝規(guī)程以及數(shù)控機(jī)床加工程序的編制。其中，在對(duì)未注尺寸及公差進(jìn)行二次分配時(shí)，遵循了以下原則：（1）未注尺寸基準(zhǔn)參考MBD模型中有精度要求尺寸的基準(zhǔn)選?。唬?）未注尺寸由MBD模型分析測(cè)得，盡量按基準(zhǔn)線測(cè)量，避免采用連續(xù)測(cè)量，以免尺寸公差累積產(chǎn)生較大誤差，并盡可能的方便工藝生產(chǎn)；（3）未注尺寸公差按MBD模型技術(shù)要求中的一般公差標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 機(jī)匣加工工藝路線

3.4 機(jī)匣加工、裝配驗(yàn)證情況

機(jī)匣圖紙及生產(chǎn)相關(guān)文件發(fā)放到承制單位后，承制單位整個(gè)加工周期僅用時(shí)2個(gè)月，加工過程中未發(fā)現(xiàn)需與設(shè)計(jì)溝通的任何問題，未出現(xiàn)加工困難或不合格品；產(chǎn)品目前已通過裝配驗(yàn)證，裝配過程一切順利，未出現(xiàn)裝配困難部位或裝配問題。

4 結(jié)論

本文在深入理解MBD技術(shù)內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，結(jié)合航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和制造行業(yè)的應(yīng)用特點(diǎn)，研究并提出了簡(jiǎn)化尺寸標(biāo)注的MBD設(shè)計(jì)方法，并在某型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣設(shè)計(jì)與加工的實(shí)踐中進(jìn)行了應(yīng)用，有效地解決了復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品MBD標(biāo)注的“刺猬”現(xiàn)象，大幅減少了設(shè)計(jì)的工作量，提高了設(shè)計(jì)效率。通過機(jī)匣的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及裝配驗(yàn)證，說明了由簡(jiǎn)化尺寸標(biāo)注MBD設(shè)計(jì)方法可帶來較高水平的可制造性，證明了其在工程實(shí)踐中的可行性。

后續(xù)可通過標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的形式對(duì)簡(jiǎn)化尺寸標(biāo)注的MBD設(shè)計(jì)方法進(jìn)行更系統(tǒng)、更詳細(xì)的規(guī)定，使其更具可操作性，進(jìn)而推廣應(yīng)用到型號(hào)研制中，以減少設(shè)計(jì)工作量，并提高工作效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。

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