基于西門子UG平臺的MBD(基于模型的定義)業務模式分析

2024年3月1日發(作者：長煙落日孤城閉)

基于西門子UG平臺的MBD（基于模型的定義）業務模式分析發布時間：2022-11-07T07:40:57.268Z 來源：《科技新時代》2022年6月第12期 作者： 劉健, 李岳峰, 石雷[導讀] MBD最早由波音公司提出，并在B787研制中首次成功使用，CATIA公司同步開發了相關軟件工具，西門子公司后續也開發有相關功能模塊 劉健, 李岳峰, 石雷 (洛陽電光設備研究所，河南洛陽 471000)

摘 要：MBD最早由波音公司提出，并在B787研制中首次成功使用，CATIA公司同步開發了相關軟件工具，西門子公司后續也開發有相關功能模塊。目前，基于西門子公司UG平臺的MBD技術逐步成熟，本文著重分析了MBD業務模式在UG平臺下的技術實現，以及對現有研發生產模式帶來的挑戰。最后對MBD業務推進給出了一些具體的建議。

關 鍵 詞：MBD、UG NX、TCUA、PDM

0 引言

基于模型的的定義（Mode Bad Definition，縮寫為MBD）是將產品的所有相關工藝描述、屬性、管理等信息都附著在產品三維模型中的先進數字化定義方法，是數字化、信息化的關鍵技術[1]。航空工業標準QAVIC 01800-2001 《基于模型的定義 通用要求》對MBD的定義是“由精確幾何實體、相關3D幾何、3D標注及屬性構成的數據集的完整的產品定義”。

狹義上，MBD僅僅是一種產品定義的方法/技術。傳統的產品定義方法是使用二維工程圖（包括手工繪圖、計算機輔助制圖）。隨著計算機的出現，人們逐步把三維模型引入到工程定義中，三維模型的地位從參考、輔助（3D+2D），過渡到主導地位（MBD），如圖1所示。圖1 產品定義方式的發展歷程 實際上，由于產品研發生產體系是牽一發而動全身的，改變了產品的定義方式也就改變了業務模式。也就是說，MBD不僅僅是一種技術，實施MBD既是信息化建設，也是管理變革。

MBD技術最早由波音公司提出，并在B787研制中首次成功使用，CATIA公司同步開發了相關軟件工具，西門子公司 UG NX后續也開發有相關功能模塊。近年來，基于西門子產品線的MBD正趨向成熟，本文對基于西門子UG平臺的MBD業務模式進行全面分析。

1 MBD國內外研究現狀

MBD技術最初由波音公司提出并實現，已在國外先進航空航天企業得到推廣。

目前，國外將MBD技術作為MBE（基于模型的企業）的基礎技術來對待。其思想是：以MBD為核心，以MBSE為驅動，采用建模與仿真技術對產品設計、制造、產品支持相關流程進行徹底的改進，無縫集成，提升產品研制生產管理能力。代表公司有洛克希德.馬丁、雷神公司。例如雷神公司的MBE發展路線圖如下：

2011年，MBD，完成MBD標準編制、全生命周期模型MBD案例以及可視化工具開發；

2012年，MBM（基于模型的制造），數據流打通、模型用于生產制造；

2013年，MBSE（基于模型的系統工程），虛擬驗證、需求分解及傳遞，驗證情況與PDM系統關聯；

2014年，MBLCS（全生命周期支持/服務），MBD用于服務手冊、產品維護基線。

國內，基于CATIA的MBD技術應用較為成熟，而基于UG NX的MBD應用一直在持續探索中，直到2017-2018年才取得明顯進展。較為成功的案例如下：a）九州電器公司開展了九洲電器設計工藝制造一體化平臺建設實踐，MBD試點取得了初步成功。

b）龍江廣瀚，基于UG NX，MBD項目作為整個數字化信息化平臺建設的一部分，數據流已打通，有待大批量生產檢驗。

總體說來，國內基于UG平臺的MBD尚存在如下問題：

a） 全面實現MBD技術的單位少之又少，多數單位停留在對MBD技術的驗證階段，僅少數單位在MBD技術應用上收到較好成效；

b）普遍缺乏MBD相關標準，傳統業務模式沒有發生根本性改變；而MBD標準與設計軟件、企業業務需求息息相關，現有NX軟件已不能滿足MBD技術要求；設計、工藝、生產、檢驗等環節對相關標準理解和執行也不到位。

c） 因MBD技術、質量體系要求、加工和檢驗設備限制，多數單位除了MBD的設計PMI信息外，需再次對模型進行全尺寸標注，工作量較大；需要增加對加工、檢驗工藝人員數量投入；d） 若實現MBD技術，需要升級UG NX、TCUA，購置檢測軟件和三坐標檢測儀等,對PDM、3D CAPP、MES、ERP等系統進行集成，投入較大。

2 MBD業務模式

按照數據/產品的產生、流轉過程，MBD業務主要分為如下幾個部分：

2.1 設計 一般認為，MBD主要是對結構零件三維模型進行數字化定義。但是，如果將MBD作為一種模式來看待，MBD不僅僅是對結構模型進行定義，實際上是對所有的產品數據進行定義，是，實現了虛擬樣機向實物樣機的轉換。 傳統的工程圖模式（3D+2D）下，工程圖紙是生產的唯一依據，三維模型的作用是便于理解產品外形，僅作參考。

MBD模式，數字模型是加工生產的依據。技術要求、工藝信息等以注釋、屬性等方式關聯到三維模型上。

在實施MBD時，模型標注原則是所有尺寸全標注還是僅標注重要尺寸及形位公差存在較多爭議。《基于模型的定義 通用要求》（HB20280-2016）中對此要求如下：“僅當需要詳細說明設計意圖想要表達的特性或公差要求時，才在模型上進行尺寸標注。未注尺寸信息可通過模型值查詢獲取”。因此，應該是僅標注重要尺寸。但是在實際執行過程中，由于檢驗、廠所工作界面劃分等多種原因，也存在所有尺寸全標注的情況。 設計數據的管理，通過產品數據管理系統（PDM）進行，目前TCUA11+ UG NX11對在模型的三維標注（PMI）、數據傳遞方面有較大改進，是現階段實施MBD的主要方式。低版本的UG NX7.5的三維標注部分功能缺失，PMI數據向下游傳遞方面存在問題，較少采用。

2.2 工藝 傳統的工程圖模式（3D+2D）下，工藝設計的數據來源是工程圖紙，輸出主要是工藝路線、工藝規程，工藝規程也以工藝卡片（圖紙）的形式傳遞到生產現場。 MBD模式下，工藝設計的數據來源是數字模型，輸出物以數字化的工序模型和電子工藝規程為主，紙質工藝、附圖為輔。

傳統的工程圖模式（3D+2D）下，設計圖紙、工藝用圖號來對應。而MBD模式下，設計圖紙與工藝文件通過BOM實現關聯，設計的EBOM與工藝的PBOM之間通過信息系統實現關聯，設計數據與工藝數據之間可追溯。這也是MBD統一數據源的一個方面。在實施MBD時，由于EBOM與PBOM關聯，當EBOM變更時，PBOM需要升版，人工處理工作量大，需要系統能夠實現版本對照自動對照，如果EBOM的變更不影響PBOM則不宜對PBOM進行變更。

傳統的工程圖模式（3D+2D）下，二維工藝數據存儲在一套獨立的系統中，例如金葉、開目等工藝設計管理系統。在MBD模式下，三維工藝數據需要與PDM系統關聯，合理的解決方案是直接存儲在同一套PDM系統（產品數據管理系統）中，也即廣義的PLM（產品生命周期數據管理）。 對于三維加工工藝的編制（3D CAPP），需要在設計模型基礎上進行工藝設計，建立工藝模型，編制工藝卡、數控程序。雖然TCUA支持3D工藝的編制（西門子公司只提供了架構），但是只有功能架構，產品不夠完善，因此存在多種解決方案：

a）第一種解決方案是，使用TCUA的3D CAPP架構，開發3D CAPP工具軟件，與TCUA集成；

b）第二種方案是，不使用TCUA的3D CAPP架構，開發獨立的3D CAPP軟件，再與TCUA集成。

第一種解決方案的探索過程中有兩條技術路線：a）使用UG NX編制工藝卡的技術路線。可以實現工藝編制、存儲。但是由于需要創建大量工藝三維模型，模型數據需要不停地在UG NX、TCUA之間傳遞，系統不穩定，效率低。

b）使用TCUA編制工藝路線、UG NX創建工藝模型的技術路線。該技術路線效率較高。使用TCUA接收設計EBOM數據，手動/自動轉換成PBOM，創建工藝路線；工藝模型則采用“總工藝模型”的方式，只創建一個“總工藝模型”，各個工序模型則通過按序調用“總工藝模型”的建模特征自動生成，提升了工藝模型創建效率。對于裝配工藝的編制，技術實現情況較好。例如開目CAPP的結構化工藝，可以設計、管理各個專業的工藝。

2.3 加工制造 加工制造涉及較多的管理系統，主要有MES（制造執行系統）、ERP/MRP。其中，MES用于生產管控，如任務調度安排。ERP/MRP則主要管理物料，進行財務管理。 按照MBD，生產現場以電子文件為主，紙質文檔為輔，生產現場需要配備電腦，連接信息系統。

PDM工藝數據和設計數據傳遞到生產現場，一般需要進行輕量化處理，經轉換后，傳遞到MES系統。輕量化數據方式，有JT、3DPDF。TCUA的輕量化數據為JT格式，需要使用專業版JT，才能在JT上對模型進行批注、測量等操作。開目CAPP系統的輕量化格式，輕量化效果好，但是專有格式。 PDM工藝數據和設計數據傳遞到生產現場也可以不進行輕量化，直接在生產現場連接PDM系統，根據生產現場工位情況，需要增加TCUA、UG Licen。如果通過OA傳遞模型，不連PDM系統，則不需要TCUA、UG的Licen。

對于數控程序DNC生成，傳統的工程圖模式（3D+2D）下，需要新建三維模型，或者對三維模型進行修改，再行創建數控程序。在MBD模式下，直接依據三維模型創建數控程序。

對于外協零件加工，數據傳遞到外協單位，將不再以圖紙為載體，將使用MBD的三維模型+表單，表單信息來自于數字模型，通過提取/轉換得到。為了提升效率，建議不編制外協工藝。

2.4 零件檢驗 零件檢驗有手工檢驗、三坐標儀、輪廓掃描儀等多種檢驗方式。傳統的工程圖模式（3D+2D）下，主要依靠手工檢驗、三坐標檢測儀。MBD模式下，以三坐標檢測儀為主，手工檢驗為輔。通過自動化軟件，可以實現對模型PMI的自動提取，自動/手動生成三坐標儀檢測程序。 與前述模型標注原則對應，如果采用僅標注重要尺寸的方式，則未注尺寸的處理則需要重點考慮。首先需要考慮未注尺寸是否檢測，如果需要檢測則如何檢測。 如果三坐標儀可自動識別未注尺寸，則可自動檢測。 如果無法自動識別，手工重新標注全部尺寸則效率較低。相對提升效率的檢測方法是使用輪廓掃描儀。較高的輪廓掃描儀尺寸精度大約為0.2-0.3mm，因此，需要修改相關的技術標準，對于不重要的尺寸允許較高的尺寸誤差范圍。輪廓掃描儀雖然效率較高，但使用上也有限制：檢測空間受限，對內腔掃描難度大；藍光輪廓掃描儀需要涂覆相關材料，需要清洗。2.5 裝配、調試 產品裝配、調試現場與零件加工制造情況類似，需要通過MES系統傳遞工藝數據。需要借助3D Cortona、3D PDF、 JT等軟件實現裝配過程可視化。2.6 驗收、交付、售后 產品驗收交付、售后等環節，主要是配套電子材料提供，例如IETM。國外公司提供的產品說明材料，模型可簡單操作，更有助于用戶理解，使用。3 研發生產業務模式挑戰 MBD的核心優勢是統一了數據來源，這是企業發展到一定階段的必然需求，必然的發展方向。隨著技術的進步，生產自動化的提升，MBD對效率的提升將得到顯現。但是，目前階段，還難以見到直接成效。例如：

a）受限于三坐標檢測軟件、UG NX PMI功能，模型自動驅動實現零件檢驗還沒有見到生產案例；

b）生產現場數字化/無紙化。這將是一種革命性的改變。生產現場數十年來都已經適應了按照圖紙、數控程序加工。切換到MBD模式，需要對著屏幕查看，工人會不適應，“看屏幕沒有看圖紙直觀”。

由于MBD涉及了產品研發生產各個環節，它實際上就是質量管理體系落地的一種實踐方式，涉及到特別多的業務流程，必須對業務流程進行準確全面的梳理。例如：a）設計環節，主要關注多學科協同設計；

b）設計工藝協同，傳統模式下設計工藝階段分離明顯，有必要推進設計與工藝之間的協同，工藝更早介入；c）生產外協管理，采用工序外協還是零件整體外協存在很大差異，對業務效率影響較大；

業務流程改進的核心是提升整體業務效率，如果局部效率有降低或者工作量有增加則應增加資源。4 信息系統開發、集成良好的信息化可以將業務流程高效落地，提升業務效率；反之，則會降低業務效率。因此，信息系統開發必須準確的梳理業務流程，將業務需求轉換為開發需求。MBD需要實現對PDM、MES、ERP等系統的集成，技術難度較大。UG平臺的MBD全系統集成，目前并無成熟解決方案。不同單位的信息系統建設歷程、現狀各不相同。設計軟件、PDM、CAPP、MES、ERP等系統來自于不同的廠家。MBD信息體系建設，最為困難的就是對各大系統進行集成。主要原因在于不同的系統數據傳遞格式、接口不一致，需要進行統一。在統一的過程中，大多需要進行數據格式轉換，易造成數據丟失，從而造成系統不穩定。為了提升整個業務的效率，還需要開發一些工具軟件。例如PMI輔助標注工具、模型檢查工具、工藝性檢查工具、EBOM和PBOM比對工具、檢驗輔助編程。5 MBD推進建議

基于UG平臺的MBD無成熟經驗可以借鑒，無參考案例可以移植。因此，MBD推進首先要梳理清楚業務模式，明確開發需求：然后以試點項目、試點部門開始，取得效果后逐步擴展到各個部門以及各個業務領域。點、面相互結合，提升業務質量。 [1]范玉清、梅中義、陶劍，大型飛機數字化制造工程[M]，航空工業出版社，2011：312.