0 引言
基于模型定義技術(shù)(Model Based Definition，MBD)，是將產(chǎn)品的所有相關(guān)設(shè)計(jì)定義、工藝描述、屬性和管理等信息都附著在產(chǎn)品三維模型中的先進(jìn)的數(shù)字化定義方法。MBD不是簡(jiǎn)單的三維標(biāo)注加三維模型，它不僅描述設(shè)計(jì)幾何信息而且定義了三維產(chǎn)品制造信息和非幾何的管理信息（產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、PMI、BOM等），使用人員僅需MBD數(shù)據(jù)集即可獲取全部信息。
MBD技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品全生命周期，而不僅僅是設(shè)計(jì)、工藝、制造和檢驗(yàn)過(guò)程，產(chǎn)品全生命周期還包括了產(chǎn)品的策劃、采購(gòu)、銷(xiāo)售、維護(hù)和售后等所有環(huán)節(jié)，涵蓋了產(chǎn)品整個(gè)過(guò)程的生命鏈。我國(guó)的企業(yè)引入MBD技術(shù)也有許多年了，在MBD技術(shù)的應(yīng)用上也積累了相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)，然而對(duì)MBD技術(shù)內(nèi)涵的理解不同，以及MBD技術(shù)在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中的應(yīng)用的側(cè)重點(diǎn)的不同，會(huì)影響MBD技術(shù)應(yīng)用的效率，也決定著PLM軟件的架構(gòu)以及在PLM環(huán)境下協(xié)同工作的效果。
本文聚焦于MBD數(shù)據(jù)集應(yīng)用的幾個(gè)基本問(wèn)題，提出了一種統(tǒng)JMBD模型，期望對(duì)應(yīng)用MBD技術(shù)后研制模式的變化提出一些思路。
1 對(duì)MBD技術(shù)在產(chǎn)品全生命周期應(yīng)用的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)
1.1 唯一數(shù)據(jù)源的基本屬性
MBD數(shù)據(jù)集是唯一數(shù)據(jù)源，“唯一”屬性如何理解？MBD技術(shù)的核心觀念是MBD數(shù)據(jù)集是貫穿整個(gè)產(chǎn)品生命周期的唯一數(shù)據(jù)源。然而在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、仿真分析、工藝工裝、制造和檢驗(yàn)的過(guò)程中，MBD模型有不同的表現(xiàn)形態(tài)，往往是幾何模型本身就發(fā)生變化，因?yàn)閹缀文Ｐ偷亩x是面向特征的定義，而特征本身在發(fā)生變化。
比如工藝工序的模型，從毛坯模型開(kāi)始就與MBD設(shè)計(jì)模型有較大不同，通過(guò)MBD設(shè)計(jì)模型根據(jù)制造特征進(jìn)行映射得到工藝工序模型效率會(huì)比較低下。按工序檢驗(yàn)的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ褪且怨に嚬ば蚰Ｐ蜑榛A(chǔ)的。而工裝模型則幾乎就是全新的設(shè)計(jì)，僅僅是在接口上與MBD設(shè)計(jì)模型匹配。在分析師進(jìn)行仿真分析時(shí)，由于主流CAE軟件前處理軟件在導(dǎo)入MBD模型時(shí)會(huì)降階，同時(shí)為了仿真的簡(jiǎn)化，分析師往往會(huì)忽略不影響分析精度的特征幾何，有時(shí)甚至重新構(gòu)建模型。
根據(jù)美國(guó)和中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，MBD數(shù)據(jù)集的定義本身是包含BOM表的，而在產(chǎn)品生命周期的全過(guò)程中，BOM表有EBOM、PBOM和MBOM等等不同的形態(tài)。因此MBD數(shù)據(jù)集的不斷變化也是必然的。
筆者認(rèn)為MBD數(shù)據(jù)集是唯一的數(shù)據(jù)源，只是體現(xiàn)在是“唯一源頭”上，是唯一的標(biāo)準(zhǔn)，而不是唯一的數(shù)據(jù)，在研制的不同階段，設(shè)計(jì)師都要都對(duì)MBD數(shù)據(jù)集提取、修正和組合。
1.2 MBD數(shù)據(jù)集局部信息的提取
MBD包含的信息遠(yuǎn)多于傳統(tǒng)圖紙。而具體的工作卻只需要確定的局部信息（PMI信息、制造特征信息、屬性信息和關(guān)鍵特性信息），如何提取這些信息？這實(shí)質(zhì)上是如何使用MBD數(shù)據(jù)集的問(wèn)題，因?yàn)镸BD數(shù)據(jù)集是一個(gè)大而全的數(shù)據(jù)集，下游往往使用的只是MBD數(shù)據(jù)集的子集，因此需要有效的數(shù)據(jù)提取工具和技術(shù)來(lái)完成工作。首先需要界定兩種形式，一種是上游提供完整的MBD數(shù)據(jù)集，下游提取局部信息；另一種是上游將MBD數(shù)據(jù)集中的局部信息提取出來(lái)，集中在一個(gè)載體中傳遞給下游。
根據(jù)界定的這兩種形式，提取局部信息有以下幾種方式：對(duì)CAD軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)；對(duì)PDM系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)針對(duì)某一項(xiàng)或是幾項(xiàng)信息的批量快速提取；相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)有效通用的數(shù)據(jù)提取工具來(lái)提取局部信息。
1.3 基于特征的模型定義
MBD技術(shù)是基于特征的模型定義。MBD技術(shù)與傳統(tǒng)的特征建模的區(qū)別主要是，傳統(tǒng)的三維建模是基于設(shè)計(jì)特征的，很難用于工藝設(shè)計(jì)和制造過(guò)程，需要進(jìn)行大量繁瑣的特征識(shí)別和特征轉(zhuǎn)換。
而MBD要求在設(shè)計(jì)的過(guò)程中就同時(shí)考慮制造、檢驗(yàn)等加工生產(chǎn)問(wèn)題，因此MBD基于模型定義更多的是面向制造特征的。MBD技術(shù)要求在建模時(shí)盡可能讓設(shè)計(jì)基準(zhǔn)與工藝基準(zhǔn)一致，建模的步驟方法盡可能與零部件的加工步驟方法一致。這樣設(shè)計(jì)特征就與制造特征、檢驗(yàn)特征、裝配特征等等對(duì)應(yīng)起來(lái)。
然而基于特征的模型定義，就會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)員有太多的要求和限制，設(shè)計(jì)員如果按制造特征進(jìn)行產(chǎn)品幾何定義，必然大大降低建模效率。任何一類零件的設(shè)計(jì)形狀特征形成方法不是唯一的，同樣其制造形狀特征形成方法也不是唯一的。如果建模是按一種制造方法進(jìn)行的特征建模，如果后續(xù)加工方法有更改，基于制造特征的產(chǎn)品模型也就不適用了，無(wú)疑也會(huì)造成效率的下降。這里的特征會(huì)有許多信息轉(zhuǎn)換，從設(shè)計(jì)特征到分析特征、加工特征的變化過(guò)程，包括特征的產(chǎn)生、繼承、變異、抽象、映射和消亡。
MBD技術(shù)是基于特征的模型定義，主要指基于制造特征的，是為后續(xù)加工制造服務(wù)的。因此在設(shè)計(jì)階段就必須盡可能做到設(shè)計(jì)特征和制造特征的統(tǒng)一，同時(shí)也要求設(shè)計(jì)人員和制造人員在建模階段就協(xié)同工作，而不是僅僅在尺寸標(biāo)注時(shí)。
1.4 MBD數(shù)據(jù)集的傳遞
MBD數(shù)據(jù)集有三種傳遞方式：
直接三維模型數(shù)據(jù)交換：由PDM系統(tǒng)將產(chǎn)品的MBD設(shè)計(jì)模型直接交付給數(shù)據(jù)接收方，因此數(shù)據(jù)接收方必須具備相同三維建模平臺(tái)或通用的三維瀏覽軟件。缺點(diǎn)：數(shù)據(jù)的保密性差、模型顯示速度慢，且三維文件格式占用空間較大，不利于網(wǎng)絡(luò)傳輸。
中性幾何文件格式數(shù)據(jù)傳遞：利用IGES，STEP，ACIS和Parasolid等中性文件格式作為數(shù)據(jù)交換的媒介，在文件中保留了精確描述零件形狀的三維幾何和拓?fù)湫畔ⅲ蓪?shí)現(xiàn)異構(gòu)CAD系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換。缺點(diǎn)：打開(kāi)模型時(shí)間長(zhǎng)；數(shù)據(jù)交換不夠穩(wěn)定；存在數(shù)據(jù)冗余問(wèn)題；難以查詢零件之間的裝配信息。
輕量化顯示技術(shù)：通過(guò)去除與顯示無(wú)關(guān)的非幾何信息來(lái)簡(jiǎn)化三維模型，提高了三維模型的顯示與處理效率，使得三維模型的應(yīng)用延伸到了產(chǎn)品全生命周期內(nèi)的各個(gè)階段。但是輕量化模型并不能完全適用于業(yè)務(wù)系統(tǒng)的所有環(huán)節(jié)，在工藝設(shè)計(jì)和制造加工等諸多環(huán)節(jié)，輕量化模型還不滿足要求。
2 統(tǒng)一MBD數(shù)據(jù)集的提出
根據(jù)以上的闡述，MBD數(shù)據(jù)集是產(chǎn)品生命周期中的唯一數(shù)據(jù)源，在應(yīng)用和傳遞的過(guò)程中，其形態(tài)是不斷變化的，在產(chǎn)品生命周期的不同階段，各個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)根據(jù)需要對(duì)MBD數(shù)據(jù)集進(jìn)行提取、整合和加工。筆者從MBD數(shù)據(jù)集在產(chǎn)品生命周期中的應(yīng)用和驗(yàn)證的角度提出統(tǒng)JMBD數(shù)據(jù)集模型，主要目的是保證數(shù)據(jù)的唯一性，并使得各種MBD數(shù)據(jù)集的形態(tài)關(guān)聯(lián)起來(lái)。
從設(shè)計(jì)階段開(kāi)始按模型對(duì)象的類型來(lái)分，就有零件模型和裝配模型。按零部件的建模特點(diǎn)來(lái)分，又有機(jī)加件、鑄造件、鍛造件、鈑金件、電纜管路類等。從MBD在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中各個(gè)環(huán)節(jié)的用途出發(fā)，筆者將MBD數(shù)據(jù)集分為以下六類，MBD設(shè)計(jì)模型、MBD工藝工序模型、MBD工裝和模具模型、MBD檢驗(yàn)?zāi)Ｐ汀BD分析仿真模型、MBD輕量化模型。這六類MBD模型涵蓋了MBD數(shù)據(jù)集在設(shè)計(jì)、制造的各個(gè)環(huán)節(jié)，將這六類模型集合起來(lái)，就構(gòu)成了統(tǒng)JMBD數(shù)據(jù)集。統(tǒng)一MBD數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)模型如圖1所示。
圖1 統(tǒng)JMBD數(shù)據(jù)集模型
在統(tǒng)JMBD數(shù)據(jù)集模型中，MBD設(shè)計(jì)模式處于核心的位置，是各種類型MBD模型的唯一源頭，各類MBD模型不一定直接使用設(shè)計(jì)模型，但必須以MBD設(shè)計(jì)模型為依據(jù)，進(jìn)行“對(duì)標(biāo)”。統(tǒng)JMBD數(shù)據(jù)集內(nèi)各類模型之間的關(guān)系如圖2所示。
圖2 MBD模型之間關(guān)系
MBD設(shè)計(jì)模型按照模型成熟度可以劃分為一級(jí)MBD設(shè)計(jì)模型、二級(jí)MBD設(shè)計(jì)模型和三級(jí)MBD設(shè)計(jì)模型等。可以依此開(kāi)展研制階段的并行設(shè)計(jì)。
MBD工藝工序模型是除MBD設(shè)計(jì)模型外最重要的MBD模型，產(chǎn)品制造、檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)都要以此為依據(jù)。建立MBD工藝工序模型的過(guò)程就是依據(jù)MBD設(shè)計(jì)模型重構(gòu)的過(guò)程，工藝人員接到設(shè)計(jì)模型后，完成工藝方案設(shè)計(jì)和工藝路線規(guī)劃，如加工階段的劃分（粗加工、半精加工及精加工等），加工工序的劃分（工序集中或工序分散），然后關(guān)聯(lián)引用設(shè)計(jì)模型進(jìn)行工藝工序模型的建立。最后一道的MBD工藝模型與MBD設(shè)計(jì)模型包含相同的三維幾何形狀特征。
MBD檢驗(yàn)?zāi)Ｐ捅仨氁訫BD設(shè)計(jì)模型和MBD工藝工序模型為依據(jù)，可以說(shuō)是MBD設(shè)計(jì)模型或MBD工藝工序模型的子集。檢驗(yàn)?zāi)Ｐ桶行枰獧z驗(yàn)的要素的信息，幾何公差、形位公差、關(guān)重件尺寸、粗糙度等等。按工序檢驗(yàn)每一道工序MBD檢驗(yàn)?zāi)Ｐ捅仨氁訫BD工藝工序模型為依據(jù)。
MBD工裝模具模型是比較特殊的三維模型，工裝和模具是為產(chǎn)品設(shè)計(jì)服務(wù)的，本身又不同于產(chǎn)品本身，可以說(shuō)是全新設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。設(shè)計(jì)的依據(jù)就是產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型，因此MBD設(shè)計(jì)模型是MBD工裝模具模型的“設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)”，設(shè)計(jì)完成的工裝模具模型必須滿足產(chǎn)品制造的要求，在尺寸、接口關(guān)系上與MBD設(shè)計(jì)模型協(xié)調(diào)一致。MBD工裝模型完成后根據(jù)需要提供可裝配性仿真分析和工藝分析使用。
設(shè)計(jì)部門(mén)的仿真分析工程師接到產(chǎn)品設(shè)計(jì)師交付的MBD設(shè)計(jì)模型后，往往并不能直接使用，需要關(guān)聯(lián)創(chuàng)建MBD仿真分析模型，進(jìn)行多學(xué)科設(shè)計(jì)仿真時(shí)，要根據(jù)具體分析的情況對(duì)MBD設(shè)計(jì)模型進(jìn)行相應(yīng)的修正，如只需要提取部分特征結(jié)構(gòu)的尺寸，局部特征和細(xì)小特征根據(jù)仿真精度分析要求進(jìn)行簡(jiǎn)化和修正，進(jìn)行耦合分析時(shí)，對(duì)不同系統(tǒng)的產(chǎn)品組合在一起建模，因而產(chǎn)品的EBOM結(jié)構(gòu)也有可能發(fā)生變化。
MBD輕量化模型之所以要單獨(dú)地提出，是因?yàn)樵谘b配仿真、在線工藝、動(dòng)畫(huà)制作、質(zhì)量管理和項(xiàng)目管理、脫密處理和封裝處理等多個(gè)環(huán)節(jié)均需要使用輕量化模型，MBD設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)量龐大，處理效率低，不同CAD系統(tǒng)的數(shù)據(jù)互不兼容，從而導(dǎo)致系統(tǒng)間模型信息的交換和共享發(fā)生困難。常用的MBD輕量化方案如表1所示。
表1 輕量化模型的應(yīng)用現(xiàn)狀（主流國(guó)際廠商的輕量化方案）
產(chǎn)品全生命周期中，不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)對(duì)MBD數(shù)據(jù)集的信息獲取也是不一樣的，MBD數(shù)據(jù)集的傳遞關(guān)系如圖3所示。
圖3 統(tǒng)JMBD數(shù)據(jù)集在產(chǎn)品全生命周期的傳遞
3 MBD技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)品研制模式的影響
總的說(shuō)來(lái)，大多數(shù)型號(hào)產(chǎn)品研制還遵循著傳統(tǒng)的研制模式。還是“二維工程圖+三維模型”的應(yīng)用狀態(tài)，這種狀態(tài)主要有以下一些表征：
1)設(shè)計(jì)下廠的圖紙基本上是二維工程圖的“藍(lán)圖”，在工藝、工裝、制造、檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)傳遞的信息載體還是二維圖紙。
2)三維模型一般是獨(dú)立建立的，設(shè)計(jì)獨(dú)立建立設(shè)計(jì)三維模型，工藝依據(jù)藍(lán)圖建立工藝三維模型。設(shè)計(jì)人員和工藝人員分別使用不同的三維建模軟件。
3)三維模型不用來(lái)交換的，設(shè)計(jì)三維模型主要用于生成二維工程圖、進(jìn)行虛擬的裝配、進(jìn)行分析仿真，計(jì)算質(zhì)量特性等；工藝的三維模型主要用于模擬裝配，進(jìn)行數(shù)控加工、工裝和模具設(shè)計(jì)等。
4)在設(shè)計(jì)階段，總體和分系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計(jì)主要還是二維模式，總體向分系統(tǒng)提出任務(wù)書(shū)，以書(shū)面的形式規(guī)定了分系統(tǒng)設(shè)計(jì)的外形要求、包絡(luò)范圍、結(jié)構(gòu)形式和質(zhì)量特性等。分系統(tǒng)完成三維模型設(shè)計(jì)提交總體進(jìn)行總裝。也有自頂向下的設(shè)計(jì)流程，主要是總體進(jìn)行布局設(shè)計(jì)，構(gòu)建骨架模型，發(fā)布幾何提供給分系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。
5)在產(chǎn)品研制過(guò)程中，產(chǎn)生的過(guò)程文件，包括設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)、技術(shù)條件、技術(shù)要求、技術(shù)協(xié)調(diào)文件、質(zhì)量文件以及“三單”，其內(nèi)部的產(chǎn)品信息都以二維圖紙的形式存在。
在MBD技術(shù)引入研制流程后，全三維模式使用人員僅需一個(gè)三維數(shù)模即可獲取全部信息，減少了對(duì)其他信息系統(tǒng)的過(guò)度依賴，使設(shè)計(jì)與制造廠之間的信息交換可不完全依賴信息系統(tǒng)的集成而保持有效的連接。它通過(guò)一系列規(guī)范的方法能夠更好地表達(dá)設(shè)計(jì)思想，具有更強(qiáng)的表現(xiàn)力，同時(shí)打破了設(shè)計(jì)制造的壁壘。為研制單位帶來(lái)很多改變和價(jià)值。
1)設(shè)計(jì)人員只進(jìn)行三維數(shù)模的創(chuàng)建和定義，不出二維工程圖，減少了不增值的環(huán)節(jié)，使設(shè)計(jì)專注于設(shè)計(jì)本身。
2)以往的設(shè)計(jì)人員進(jìn)行三維建模然后二維出圖、工藝根據(jù)二維藍(lán)圖再重復(fù)建模，簡(jiǎn)化為設(shè)計(jì)和工藝協(xié)同建模，減少了中間環(huán)節(jié)，提升了效率，減少了工藝準(zhǔn)備的時(shí)間。
3)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源，降低了由于中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的概率，提高了設(shè)計(jì)制造的質(zhì)量，減少了工程更改。
4)由于MBD數(shù)據(jù)集是完整的數(shù)據(jù)集合，包含了設(shè)計(jì)、制造等信息，使得MBD數(shù)據(jù)集在很多場(chǎng)合會(huì)代替文檔的功能，部分研制文檔將會(huì)簡(jiǎn)化甚至取消。文檔中傳遞的信息會(huì)更多集成在MBD數(shù)據(jù)集的屬性和注釋中，便于結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)管理，也便于進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索。
5)MBD技術(shù)是面向特征的，基于特征分析關(guān)鍵特性是逐級(jí)傳遞的，其解決方案是從系統(tǒng)的角度出發(fā)，通過(guò)對(duì)過(guò)程參數(shù)的分析，使得對(duì)過(guò)程的控制更加有效。
6)MBD數(shù)據(jù)集將成為知識(shí)工程的最佳載體。抽象、分散的知識(shí)可以通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)、屬性或注釋等方式結(jié)合到MBD數(shù)據(jù)集中，使知識(shí)更加集中和形象。將設(shè)計(jì)、制造的過(guò)程演變?yōu)橹R(shí)積累和技術(shù)創(chuàng)新的過(guò)程。
4 結(jié)束語(yǔ)
MBD技術(shù)在制造業(yè)的應(yīng)用方興未艾，它的應(yīng)用會(huì)對(duì)原有的傳統(tǒng)研制模式帶來(lái)很大的沖擊，首先來(lái)源于MBD先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，其本身屬性如唯一數(shù)據(jù)源、基于特征和完整的信息載體等等，這些屬性如何在產(chǎn)品全生命周期中體現(xiàn)和應(yīng)用是值得深入思考和探索的。MBD技術(shù)是并行協(xié)同模式的有力支撐，同時(shí)并行協(xié)同研制模式也是MBD技術(shù)的本質(zhì)要求。統(tǒng)JMBD數(shù)據(jù)集將并行協(xié)同模式明確化和具體化，保持了唯一數(shù)據(jù)源和信息的完整性，有助于MBD技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用。
核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。
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本文標(biāo)題：統(tǒng)一MBD數(shù)據(jù)集在產(chǎn)品全生命周期中的應(yīng)用研究
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