MBD技术在石油装备制造中的应用

0 引言

    MBD(model-based-definition)技术是以三维模型为基础，在三维模型上对产品尺寸、公差、技术要求、材料属性等非几何制造信息进行组织、表达、操作、管理的一项技术，它摒弃了二维工程图，使三维数字化实体模型成为对产品的唯一描述，并使其成为生产制造过程中传递信息的唯一依据。这项技术在上个世纪90年代由波音公司最先提出，并应用到787客机项目的研制中，引领了航空企业数字化发展方向。多家知名企业例如波音、空客、洛马等，在机械产品研制和生产各环节中推广应用MBD技术，使产品质量、协同效率、研制能力大幅度提高。目前，MBD技术在我国航空部门已经广泛使用，在航天和军工部门也得到应用和推广。而在石油装备制造领域，MBD技术还处于起步阶段，本文就石油装备制造业的具体情况，分析了采用MBD技术的必要性，讨论了MBD技术的具体应用方法，应用平台以及应用过程中关键问题。

1 应用MBD技术的需求分析

    目前，我国石油装备制造，虽然在设计制造工作中采用了多项计算机辅助技术，但彼此之间并没有有效的数字化信息共享和传递，实际产品的研制仍然停留在传统的管理模式上。例如：工艺设计、装配检测等环节没有与设计环节协同起来，仍然靠图纸、工艺卡片等传递信息；质量数据管理仍然通过手工记录的方式进行。这种传统模式下数据冗余，管理混乱，导致产品研制周期长、成本高，工厂产能有限，产品质量不稳定，严重束缚了石油装备研发制造的产业升级。而MBD技术以三维实体模型为唯一数据源，集成了模型的几何尺寸信息，公差信息，属性信息，制造技术要求等信息，以带有产品制造信息PMI(Product Manufacturing Information)的三维模型作为制造依据，实现了产品设计、工艺设计、工装设计、零件加工、装配与检测的高度信息集成，大大地提高了产品研制效率。MBD技术的重要价值在于通过PMI(product-manufacturing -information)产品制造信息的一次创建,多次多点应用,实现数据重用的最大化。鉴于基于MBD技术的先进制造方法在我国石油装备制造业中尚处于初步探索阶段，因此开展MBD技术如何在石油装备制造业应用并规范化这方面的研究具有重要的现实意义。

2 MBD技术在石油装备制造业的应用途径

    一个完整的MBD三维数字模型，应该包含的完整零部件信息应如表1所示。以下以某测井仪器研发并产业化流程为例，说明基于MBD技术的产品数字化研制流程。

表1 MBD模型中所含数据集

    2.1 协同设计环节

    设计人员设计好三维数字模型，运用三维标注工具将零组件的PMI(product-manufacturing-information)信息标注在模型中，例如几何尺寸、公差粗糙度、属性等，这是整个MBD技术应用的基础。如图1是某测井设备短节的MDB模型视图，表示一些注释和有待检测尺寸。除了几何信息外，其他非几何信息按照一定格式和规范进行参数化定义，方便被其他数字化系统识别与自动化处理，对多人协同设计、多线程同时数据汇总和调用带来便利。模型的PMI数据应以视图方式进行组织和分类，这样做有利于清晰、完整、层次化地表达模型信息，也便于发布和浏览。在产品的设计过程中，工艺人员应提前介入，提出产品工艺可制造性方面的建议，参与产品设计。模型设计完成后，应通过PDM(product data management)产品数据管理工具共享给对应的工艺设计人员。后续如果技术状态发生变化，需对三维模型更新，并确保版本一致。产品设计阶段所设计的产品三维模型还应包括所有制造和检验所必需的产品数据，以便于后续工作中有足够的依据，例如，产品的非几何信息应包括各种有关的关联设计数据、全局坐标系、局部坐标系、全机基准系统、产品及工装的公差及尺寸标注、工程说明、材料需求说明、详细的装配说明、安装要求、产品和工装数据集所需遵循的企业数字化标准等信息，这些信息需定义在MBD数据集中的若干节点中。实际设计的过程中，每一个零件不是孤立存在的，都需要有装配协调关系，因此还必须做好装配仿真，在模型阶段避免干涉碰撞等现象，确保零件的互换协调以保证装配工艺设计顺利完成。

图1 带PMI数据的MBD三维模型实例

    2.2 工艺环节

    在MBD环境下进行工艺模型创建。基于MBD的工艺模型建模核心思路是：针对工艺过程进行建模，以工序为基本单元进行设计，通过建立视图与工序参数化描述的关联关系来表达。其实质是对于三维环境下的工序模型和三维标注相互配合。通过MBD方式创建的三维工序模型其所表达的工程语义较图纸方式更为丰富，表达更为清晰，使用范围更为广泛。首先，工艺人员应确定零件技术要求，工艺设计依据，并从设计MBD模型中提取结构特征、尺寸公差、表面粗糙度、材料、硬度、参数等后继工艺设计开展所需信息。其次，根据上一步中的信息，制定工艺路线及零件工序划分。在此过程中借助三维标注功能分视图对工艺路线进行详细描述。再根据上一步模型中对工序的定义完成不同类型主辅工艺的详细设计工作，以包含三维标注的不同的视图分别表现必要的定位、加紧、尺寸、工序描述等。最后将相关汇总后生成的工艺MBD模型存档，数据导出到指令性工艺文件中。

    2.3 制造环节

    制造计划编制人员在PDM系统中查阅工艺人员提交的工艺及三维模型信息，制定生产计划并下发。向人力资源管理部门提交工时计划，人力资源管理部门查阅工艺及三维模型信息，制定工时后向车间下发。向物资管理部门提交物资备料计划，物资管理部门在生产管理系统中查阅工艺及三维模型信息，进行物资备料。车间操作人员获得下发的工艺MBD模型，进行生产。

    2.4 检测环节

    检测人员在PDM系统中进行任务接收和进度反馈，查阅三维工艺和三维数字模型。更进一步，检测规划人员可利用原始三维模型创建检验模型，并定义必要的检验视图，标注检验要求、注释等。以三坐标检测为例，检测人员先从PDM中获取检测工序模型。基于MBD三坐标检测工序模型是将本道工序的形状信息、轮廓信息和基准等几何信息，以及尺寸信息、公差信息、精度要求等非几何信息进行提取而获得。再进行检测工序分工院通过对MBD模型结构特征和标注信息进行识别和分析，将三坐标测量机能够检测的部分进行提取，在原MBD模型上将非三坐标测量机测量的部分消隐掉，生成专供三坐标测量机使用的MBD工序模型。最后根据精度和最大行程等信息选择最适合的测量机进行测量。测量时，检测人员可直接以三维模型为基础进行特征的提取和编程，通过软件进行测量过程仿真，检测可能存在碰撞与干涉，实际检测程序运行之后，将检测结果导入相应模板中存档，完成产品检验。相比较传统方式对照图纸编制测量程序，工作效率和可靠性大幅度提高。

    2.5 装配环节

    MBD技术运用以后，装配设计更显立体化。装配之前，设计阶段，设计人员就要初步建立基于容差分配的依靠尺寸保证的产品互换性协调体系；在工艺设计环节，为保证一次加工装配的可行性，就需要采用数字化仿真技术，例如装配路径分析，路径求解。生产现场可以从协同平台获得MBD模型,进行装配工艺文件的编制,并以可视化方式显示装配工艺过程，指导工人进行产品的装配。

    2.6 产品交付

    产品研制完成后，相关记录形成产品数据包，按要求组织预验收，开展产品验收工作，验收通过后交付。

3 MBD技术应用的关键问题

    3.1 MBD技术协同工作平台

    MBD技术在企业实际运用的过程中，基于MBD技术的协同工作平台是最重要的一个环节。此类软件是管理产品在设计、工艺、生产、销售整个过程中(生命周期)所产生的信息资源的计算机辅助管理体系，即PDM软件。在技术协同平台之上，可以新开发各种新功能模块，即各环节数字化自动化工具，例如工艺设计与管理系统、生产现场管理系统、自动检测系统。数据库将所有的功能模块串联起来，实现由设计到制造的一体化，可为各功能模块间提供统一的数据接口，从而实现各功能模块之间的集成，为MBD系统提供了强大的扩展性。基于MBD的产品数据首先由各个用户上传到PDM数据库服务器，数据库又为所有用户提供数据，并管理由用户上传的数据。在此MBD技术比起传统的计算机辅助技术凸显了优越性。由于所有数据都集成在模型中，数据量大大减少，避免了使用计算机辅助工具后信息量往往爆炸的情况。数据库根据用户不同的权限设定各个用户调取数据的范围。

    3.2 相关输入标准

    其次，由于MBD技术下，三维模型是产品制造的唯一依据，如果三维建模、产品制造信息输入不规范，将给后续数据管理和重用带来巨大的麻烦。后续开发与协同工作平台相对接的数字化自动化运用模块也会出现问题。为此，还需建立相应的三维建模及标注规范并有效落实。基于MBD技术的数据输入标准有ISO 16792–数字化产品定义规程、ASME Y14.41-3D数字化产品定义、中国国家标准：数字化产品定义数据通则；美国波音公司，中国航空工业集团也有相应的企业标准。在石油装备制造行业，我们也要根据企业制造资源的实际运行情况，加紧建立自己的企业标准，为MBD技术深度应用，实现装备制造自动化信息化打下基础。

    3.3 模型数据轻量化

    此外，MBD技术下的产品模型，数据量大，而石油装备的零组件，往往结构复杂且数量巨大。当处理复杂产品的CAD源模型时，对计算机硬件要求很高，而大多数时候，用户只需要处理模型的局部信息，并不需要显示和加载所有特征和数据。因此，三维模型野轻量化冶也是提高系统运行效率的必要关键技术。目前，如NX，CATIA等软件有相应的轻量化技术，但如何将其与平台对接，具体应用到企业自己的系统中，仍然需要进一步的研究和设计。

4 结论

    MBD技术已经成为国内外航空航天、军工产品研制不可或缺的手段，在制造业的应用也越来越多，是设计与制造技术发展的一个方向。MBD技术应用到石油装备制造中，会大大减少产品的市场投放时间并提高了产品的质量。我国石油装备制造行业在推进智能制造建设过程中，要充分认识到MBD技术带来的研制模式和研制流程的变革。笔者从石油装备数字化研制流程出发，提出了石油装备制造业应用MBD技术的途径和方案，同时也指出了MBD技术应用的关键问题和未来应该着重解决的方向，为石油装备制造领域MBD技术应用研究提供了参考。