• MBD/MBE概念
  • MBE成熟度
  • 实施建议
 

当前,国内外大型装备制造企业的数字化技术发展迅速,三维数字化设计技术得到了广泛的应用,基于模型定义(Model-Based Definition, MBD)数字化设计与制造技术已经成为制造业信息化的发展趋势。MBD 是产品数字化定义的先进方法,它是指产品定义的各类信息按照模型的方式组织,其核心内容是产品的几何模型,所有相关的工艺描述信息、属性信息、管理信息等都附着在产品的三维模型中,一般情况下不再有工程二维图纸。MBD改变了传统的由三维实体模型来描述几何信息,而用二维工程图纸来定义尺寸、公差和工艺信息的产品数字化定义方法。同时,MBD 使三维数模作为生产制造过程中的依据,改变了传统以工程图纸为主,以三维实体模型为辅的制造方法。


目前,国外MBD 技术的应用已经比较成熟,如波音公司在以波音787 为代表的新型客机研制过程中,全面采用了MBD 技术,将三维产品制造信息与三维设计信息共同定义到产品的三维模型中,摒弃二维图样,将MBD 模型作为制造的依据。国内大型装备制造企业也逐步开始应用MBD技术进行产品设计,并将MBD 模型作为制造的依据。仅仅是MBD 还无法完全实现最初提出的提高大型复杂系统的设计质量,减少制造交货时间,以及减少工程变更,减少产品缺陷,提高首次质量等目标。为了更好的对MBD 的数据在产品的整个生命周期内能够有效充分进行利用,很多大型装备提供商、供应商通过不同的型号项目开始研究、验证和应用MBE (Model Based Enterprise:基于模型的企业) 方法,就是要基于MBD 在整个企业和供应链范围内建立一个集成和协同化的环境,各业务环节充分利用已有的MBD 单一数据源开展工作,有效地缩短整个产品研制周期,改善生产现场工作环境,提高产品质量和生产效率。MBE 也获得了美国国防部、美国陆军研究实验室等代表客户方的单位的大力支持,并在某些大型项目中提供相关的帮助,对MBD/MBE 进行了系统的阐述和研究的同时,也通过国家项目进行资助和验证。


美国“下一代制造技术计划(The Next Generation Manufacturing Technologies Initiative,简称NGMTI)”是美国军方和重要制造企业合作发展制造技术的计划,旨在加速制造技术突破性发展,以加强国防工业的基础和改善美国制造企业在全球经济竞争中的地位。该计划于2005 年提出,将于2016 年部分完成,NGMTI 计划定义的美国下一代制造技术有6 个目标,其中第一个就是“基于模型的企业(Model-Based Enterprise,简称MBE)”。“基于模型的企业”项目将由美国爱荷华大学牵头,并由Rockwell Collins 公司和雷神导弹系统公司资助。NGMTI 提出的“基于模型的制造企业”是一种制造实体,它采用建模与仿真技术对其设计、制造、产品支持的全部技术的和业务的流程进行彻底的改进、无缝的集成以及战略的管理;利用产品和过程模型来定义、执行、控制和管理企业的全部过程;并采用科学的模拟与分析工具,在产品生命周期的每一步做出正确决策,从根本上减少产品创新、开发、制造和支持的时间和成本。


术语“基于模型的企业”已成为这种先进制造方法的具体体现。它的进展代表了数字化制造的未来。这个被美国国防部提出的词语和内涵,慢慢的也被很多商业公司所采纳。美国国防部和国家标准和技术研究所在2009 年12 月举行了“基于模型的企业”首脑会议和数据包(MBE/TDP)技术研讨会。这次研讨会汇集了超过75 个专业课题方向的专家,针对国防部和其供应商如何有效处理技术数据提出更改建议。未来的变化都需要支持国防部过渡到基于数字模型而不是二维图纸的全生命周期管理。大部分的产品生命周期成本产生于维护、支持和改装阶段。在许多情况下,更换部件必
须采取逆向工程方法,因为经常出现原始数据无法访问或无法使用的情况。对系统组件采用逆向工程的办法的成本比直接从原来的基于模型的数据生成的成本多几倍。在这次研讨会中又重申了MBE 的核心内涵: 基于模型的定义(Model-Based Definition,简称MBD)是核心;MBD 数据创建一次并能被后续各业务环节直接使用;MBD模型作为配置的基础,并在此基础上对MBE的外延进行了扩展和说明,其中未来的基于模型的系统工程和基于模型的维护是未来基于模型企业的应用和实践方向。


由下图我们可以看出涉及到MBE 的相关组成主要分了三大部分:基于模型的工程(Model-Based Engineering, 简称MBe)、基于模型的数字化制造(Model Based Manufacturing, 简称MBM)、基于模型的维护(Model Based Sustainability, 简称MBS)。其中基于模型的工程是整个MBE 实
施的基础,特别是大家比较熟悉的MBD也是基于模型工程中的重要组成。


基于模型的工程MBe

基于模型的工程是将模型作为技术基线的不可分割的一部分,包括整个生命周期中需求、分析、设计、实施和验证的能力,丰富了以前仅以MBD 作为基于模型工程的一个独立部分,且也将基于模型的系统工程(Model Based System Engineering, 简称MBSE) 作为MBE 的一个完善和未来的发展方向之一。


基于模型的系统工程MBSE

系统工程国际理事会(INCOSE)出版了系统工程2020 年远景规划,提出了从过去以文档为中心的方法向未来基于模型的方法的发展途径,INCOSE MBSE 制定了一个路线图,重点标识出为实现2020 年的远景规划,MBSE 的标准的制定作为努力的关键领域。MBSE 是正式的建模应用程序,用以支持开始于概念设计阶段的系统需求、设计、分析、验证和确认活动。可以说系统工程(System Engineering,简称SE)是跨整个产品的开发、部署和处置阶段的设计决策的协调,MBSE 是一个接口,可以被认为是“将东西粘合在一起”的一个系统化的方式。最近系统建模标准开始对MBSE 应用和使用产生重大影响。对象管理集团(OMG)的系统建模语言(SysML ™)是一种通用的,用于特定的设计,分析和验证复杂系统的图形化建模语言,在2006 年由OMG 采纳并现已被广泛实施在MBSE支持工具中。SysML ™是一个更广泛的家族,是包括XML 元数据交换(XMI)在内的由对象管理集团正在开发的标准的一部分。本标准规定了建模工具与XML 格式文件之间的信息交互手段。 ISO10303-233应用协议系统工程(AP233)是一种数据交换的标准协议,以支持许多不同的SE 工具之间的工程数据交换。事实上,AP233和SysML ™的要求已在很大程度上由OMG 和ISO 的团队一起保持一致,并与INCOSE 模型驱动的系统设计工作组密切合作。模型和数据交换在推进的MBSE 实践以实现不同建模领域的一体化水平中是的必不可少的。


基于模型的定义MBD

是指用集成的三维模型完整地表达产品定义信息,将设计信息和制造信息共同定义到产品的三维数字化模型中,以改变目前三维模型和二维工程图共存的局面,更好地保证产品定义数据的唯一性。基于三维模型定义的核心是将产品三维模型打造为传递下游生产活动所需详细信息的恰当的载体,企业所有部门和团队都使用三维模型作为信息传递途径。MBD 数字模型的价值与产品的复杂程度成正比。如果用二维图纸描述复杂产品,则需要很多时间来培训使用者,以理解其复杂的结构与组织。有了三维 MBD 数据集,对专门技能的要求可以适当降低,使用者通过对模型进行平移、旋转和缩放就能够很容易地理解产品几何特征和相应的尺寸、公差。MBD 数据集还可以表示隐含的信息,进行剖切或特定的测量。在三维模型加二维图纸的定义模式下,三维模型上并没有检验要求的描述,有关产品检验信息标注在二维图纸上。而应用 MBD 方法,可大大简化检验过程,应用基于三维模型的检验软件,直接读取三维模型上的尺寸和公差数据,在编制检验程序时,使用者的输入达到最小。利用便携式的坐标测量装置,可使检验深入到更多的制造环节中,能及时发现制造缺陷和不合格产品,在后续加工之前就将废品淘汰,避免进一步损失。并将质量保证部门纳入
到 MBD 技术体系中,将使得产品设计制造形成具有反馈的封闭环,缩短新产品研制周期,降低研制成本。


美国机械工程师协会从1997 年1 月起发起关于三维模型标注标准的起草工作,以解决图纸与信息系统传输之间的矛盾。此标准于2003 年7 月被美国机械工程师协会接纳为新标准 (ASME Y14.41)。随后,Siemens、PTC、Dassault 等公司将该标准应用于各自的CAD 系统中,对三维标注进行了支持。作为该项技术的发起者之一,波音公司在787 项目中开始推广使用该项技术,从设计开始,波音公司作为上游企业,全面在合作伙伴中推行MBD 技术。波音公司采用MBD 技术后,在管理和效率上取得了本质的飞跃。鉴于国外先进装备企业采用MBD 技术后取得巨大成功,国内的大型装备制造企业逐渐开始学习MBD 技术并逐步将MBD 应用于现实生产中。但国内大型装备制造企业对于MBD 技术的学习与应用起步比较晚,现实生产中的应用并不成熟。


通过应用MBD 技术可以为企业带来的好处:
√ 当制造工程师用3D 模型时,将大大减少物理样机的制造
√ 3D 工具将减少30-50% 的产品开发周期
√ 标准件库在总成装配上将减少大量时间
√ 3D 模型的使用将减少30-40% 的模型不一致。30-40% 的模型不一致是由2D 图纸的不准确造成


正是鉴于MBD 技术的效益和国外先进装备企业采用MBD 技术后取得的巨大成功,国内的大型装备制造企业逐渐开始学习MBD 技术,并逐步将MBD 应用于现实生产中。但国内大型装备制造企业对于MBD技术的学习与应用起步比较晚,现实生产中的应用并不成熟,需要深入研究和逐步推广。


基于模型的数字化制造MBM

基于模型的企业(MBE)是由许多相关的过程组成,基于模型的数字化制造(MBM)是其中关键的过程之一,MBM 使用基于模型的定义(MBD)过程中创建的模型,不仅重用MBD 中所包含的产品几何表示,还重用很多的文本或存储在MBD 模型中的“元数据”。这消除了传统的以手工方式重建数据以创建用于生产的工艺过程定义的过程。MBM 模型用于虚拟制造环境内部进行工艺规划设计、优化和管理,直至提供给生产现场。MBM过程交付物成果包括:三维零件工艺、三维装配工艺、数控程序、三维电子作业指导书、传统的作业指导书、离散事件仿真等。所有这些活动或工作都可以在某些情况下开始并有可能在完成设计之前完成。事实上,如果使用得当,MBM 允许在切削任何实物之前都能进行制造和装配过程仿真,反过来说,这使得制造工程师可以向设计团队提供反馈以创建一个可制造性更好的设计。作为MBM 中重要组成部分的基于模型的作业指导书(Model Based Instruction,简称MBI)是连接虚拟和生产现场的关键环节。MBI 是在MBM 制造过程系统中生成和管理的,并基于3D 设计模型生成的车间工作指导书。MBI 在车间现场消除了纸质的二维作业文档,直接使用MBD 的相关3D 数据和基于三维的工艺信息。MBI 和现场的制造执行系统MES集成在一起,在MBI 的主屏幕上,设置人机交互功能,可以采集及时发生的问题,并加入到数字模型中以进行未来的改进和版本管理。通过使用基于模型的数字化制造(MBM),可以解决以下的问题:
√ 减少转换产品定义到可用的工艺过程定义所需的时间
√ 通过限制或消除重建模型的需求以减少出错的机会

√ 允许在产品正式生产制造前进行制造工艺过程的虚拟验证
√ 允许早期制造数据向设计的反馈


于模型的维护MBS

国防行业随着维持武器系统运行的时间比原来设计的越来越长,以及国防在未来越来越少的预算,迫切需要采取类似于MBS 的维持技术以提高运行维护效率和降低生命周期成本。同时,随着MBE 在各类装备制造业的实践和实施,未来基于模型的技术应用必然会扩展到产品生命周期的维修阶段。在产品和工艺开发过程中创建的模型和模拟仿真结果可以直接在整个产品生命周期的维护保障阶段使用,给用户和维护支持人员提供不断向下游传递的3D 模型和相关数据。企业价值链成员将使用真实世界的效果和维护/ 维修/ 故障数据来评估产品和工艺的集成作业环境,反馈给产品设计,进行产品设计的改进。目前大型装备维护领域还是由基于纸质及其它的非智能化数字化过程为主导,这也是为什么在维护保障领域基于模型的维护(MBS)具有节约成本的提升空间。今天这些过程都因为缺乏高品质的跨越整个供应链的集成系统工程数据而只能实现部分的优化:
√ 系统修改和升级
√ 定点维护,维修和大修
√ 现场维修和保养
√ 有竞争力的采购零件
√ DMSMS (Diminishing manufacturing sources and material shortages)制造源萎缩和材料短缺管理和报废管理
√ 预测和状态检修