• MBD/MBE概念
  • MBE成熟度
  • 實施建議
 

當前,國內外大型裝備制造企業的數字化技術發展迅速,三維數字化設計技術得到了廣泛的應用,基于模型定義(Model-Based Definition, MBD)數字化設計與制造技術已經成為制造業信息化的發展趨勢。MBD 是產品數字化定義的先進方法,它是指產品定義的各類信息按照模型的方式組織,其核心內容是產品的幾何模型,所有相關的工藝描述信息、屬性信息、管理信息等都附著在產品的三維模型中,一般情況下不再有工程二維圖紙。MBD改變了傳統的由三維實體模型來描述幾何信息,而用二維工程圖紙來定義尺寸、公差和工藝信息的產品數字化定義方法。同時,MBD 使三維數模作為生產制造過程中的依據,改變了傳統以工程圖紙為主,以三維實體模型為輔的制造方法。


目前,國外MBD 技術的應用已經比較成熟,如波音公司在以波音787 為代表的新型客機研制過程中,全面采用了MBD 技術,將三維產品制造信息與三維設計信息共同定義到產品的三維模型中,摒棄二維圖樣,將MBD 模型作為制造的依據。國內大型裝備制造企業也逐步開始應用MBD技術進行產品設計,并將MBD 模型作為制造的依據。僅僅是MBD 還無法完全實現最初提出的提高大型復雜系統的設計質量,減少制造交貨時間,以及減少工程變更,減少產品缺陷,提高首次質量等目標。為了更好的對MBD 的數據在產品的整個生命周期內能夠有效充分進行利用,很多大型裝備提供商、供應商通過不同的型號項目開始研究、驗證和應用MBE (Model Based Enterprise:基于模型的企業) 方法,就是要基于MBD 在整個企業和供應鏈范圍內建立一個集成和協同化的環境,各業務環節充分利用已有的MBD 單一數據源開展工作,有效地縮短整個產品研制周期,改善生產現場工作環境,提高產品質量和生產效率。MBE 也獲得了美國國防部、美國陸軍研究實驗室等代表客戶方的單位的大力支持,并在某些大型項目中提供相關的幫助,對MBD/MBE 進行了系統的闡述和研究的同時,也通過國家項目進行資助和驗證。


美國“下一代制造技術計劃(The Next Generation Manufacturing Technologies Initiative,簡稱NGMTI)”是美國軍方和重要制造企業合作發展制造技術的計劃,旨在加速制造技術突破性發展,以加強國防工業的基礎和改善美國制造企業在全球經濟競爭中的地位。該計劃于2005 年提出,將于2016 年部分完成,NGMTI 計劃定義的美國下一代制造技術有6 個目標,其中第一個就是“基于模型的企業(Model-Based Enterprise,簡稱MBE)”?!盎諛P偷鈉笠怠畢钅拷擅攔苫笱M?,并由Rockwell Collins 公司和雷神導彈系統公司資助。NGMTI 提出的“基于模型的制造企業”是一種制造實體,它采用建模與仿真技術對其設計、制造、產品支持的全部技術的和業務的流程進行徹底的改進、無縫的集成以及戰略的管理;利用產品和過程模型來定義、執行、控制和管理企業的全部過程;并采用科學的模擬與分析工具,在產品生命周期的每一步做出正確決策,從根本上減少產品創新、開發、制造和支持的時間和成本。


術語“基于模型的企業”已成為這種先進制造方法的具體體現。它的進展代表了數字化制造的未來。這個被美國國防部提出的詞語和內涵,慢慢的也被很多商業公司所采納。美國國防部和國家標準和技術研究所在2009 年12 月舉行了“基于模型的企業”首腦會議和數據包(MBE/TDP)技術研討會。這次研討會匯集了超過75 個專業課題方向的專家,針對國防部和其供應商如何有效處理技術數據提出更改建議。未來的變化都需要支持國防部過渡到基于數字模型而不是二維圖紙的全生命周期管理。大部分的產品生命周期成本產生于維護、支持和改裝階段。在許多情況下,更換部件必
須采取逆向工程方法,因為經常出現原始數據無法訪問或無法使用的情況。對系統組件采用逆向工程的辦法的成本比直接從原來的基于模型的數據生成的成本多幾倍。在這次研討會中又重申了MBE 的核心內涵: 基于模型的定義(Model-Based Definition,簡稱MBD)是核心;MBD 數據創建一次并能被后續各業務環節直接使用;MBD模型作為配置的基礎,并在此基礎上對MBE的外延進行了擴展和說明,其中未來的基于模型的系統工程和基于模型的維護是未來基于模型企業的應用和實踐方向。


由下圖我們可以看出涉及到MBE 的相關組成主要分了三大部分:基于模型的工程(Model-Based Engineering, 簡稱MBe)、基于模型的數字化制造(Model Based Manufacturing, 簡稱MBM)、基于模型的維護(Model Based Sustainability, 簡稱MBS)。其中基于模型的工程是整個MBE 實
施的基礎,特別是大家比較熟悉的MBD也是基于模型工程中的重要組成。


基于模型的工程MBe

基于模型的工程是將模型作為技術基線的不可分割的一部分,包括整個生命周期中需求、分析、設計、實施和驗證的能力,豐富了以前僅以MBD 作為基于模型工程的一個獨立部分,且也將基于模型的系統工程(Model Based System Engineering, 簡稱MBSE) 作為MBE 的一個完善和未來的發展方向之一。


基于模型的系統工程MBSE

系統工程國際理事會(INCOSE)出版了系統工程2020 年遠景規劃,提出了從過去以文檔為中心的方法向未來基于模型的方法的發展途徑,INCOSE MBSE 制定了一個路線圖,重點標識出為實現2020 年的遠景規劃,MBSE 的標準的制定作為努力的關鍵領域。MBSE 是正式的建模應用程序,用以支持開始于概念設計階段的系統需求、設計、分析、驗證和確認活動??梢運迪低徹こ蹋⊿ystem Engineering,簡稱SE)是跨整個產品的開發、部署和處置階段的設計決策的協調,MBSE 是一個接口,可以被認為是“將東西粘合在一起”的一個系統化的方式。最近系統建模標準開始對MBSE 應用和使用產生重大影響。對象管理集團(OMG)的系統建模語言(SysML ™)是一種通用的,用于特定的設計,分析和驗證復雜系統的圖形化建模語言,在2006 年由OMG 采納并現已被廣泛實施在MBSE支持工具中。SysML ™是一個更廣泛的家族,是包括XML 元數據交換(XMI)在內的由對象管理集團正在開發的標準的一部分。本標準規定了建模工具與XML 格式文件之間的信息交互手段。 ISO10303-233應用協議系統工程(AP233)是一種數據交換的標準協議,以支持許多不同的SE 工具之間的工程數據交換。事實上,AP233和SysML ™的要求已在很大程度上由OMG 和ISO 的團隊一起保持一致,并與INCOSE 模型驅動的系統設計工作組密切合作。模型和數據交換在推進的MBSE 實踐以實現不同建模領域的一體化水平中是的必不可少的。


基于模型的定義MBD

是指用集成的三維模型完整地表達產品定義信息,將設計信息和制造信息共同定義到產品的三維數字化模型中,以改變目前三維模型和二維工程圖共存的局面,更好地保證產品定義數據的唯一性?;諶P投ㄒ宓暮誦氖墻啡P痛蛟煳菹掠紊疃柘晗感畔⒌那〉鋇腦靨?,企業所有部門和團隊都使用三維模型作為信息傳遞途徑。MBD 數字模型的價值與產品的復雜程度成正比。如果用二維圖紙描述復雜產品,則需要很多時間來培訓使用者,以理解其復雜的結構與組織。有了三維 MBD 數據集,對專門技能的要求可以適當降低,使用者通過對模型進行平移、旋轉和縮放就能夠很容易地理解產品幾何特征和相應的尺寸、公差。MBD 數據集還可以表示隱含的信息,進行剖切或特定的測量。在三維模型加二維圖紙的定義模式下,三維模型上并沒有檢驗要求的描述,有關產品檢驗信息標注在二維圖紙上。而應用 MBD 方法,可大大簡化檢驗過程,應用基于三維模型的檢驗軟件,直接讀取三維模型上的尺寸和公差數據,在編制檢驗程序時,使用者的輸入達到最小。利用便攜式的坐標測量裝置,可使檢驗深入到更多的制造環節中,能及時發現制造缺陷和不合格產品,在后續加工之前就將廢品淘汰,避免進一步損失。并將質量保證部門納入
到 MBD 技術體系中,將使得產品設計制造形成具有反饋的封閉環,縮短新產品研制周期,降低研制成本。


美國機械工程師協會從1997 年1 月起發起關于三維模型標注標準的起草工作,以解決圖紙與信息系統傳輸之間的矛盾。此標準于2003 年7 月被美國機械工程師協會接納為新標準 (ASME Y14.41)。隨后,Siemens、PTC、Dassault 等公司將該標準應用于各自的CAD 系統中,對三維標注進行了支持。作為該項技術的發起者之一,波音公司在787 項目中開始推廣使用該項技術,從設計開始,波音公司作為上游企業,全面在合作伙伴中推行MBD 技術。波音公司采用MBD 技術后,在管理和效率上取得了本質的飛躍。鑒于國外先進裝備企業采用MBD 技術后取得巨大成功,國內的大型裝備制造企業逐漸開始學習MBD 技術并逐步將MBD 應用于現實生產中。但國內大型裝備制造企業對于MBD 技術的學習與應用起步比較晚,現實生產中的應用并不成熟。


通過應用MBD 技術可以為企業帶來的好處:
√ 當制造工程師用3D 模型時,將大大減少物理樣機的制造
√ 3D 工具將減少30-50% 的產品開發周期
√ 標準件庫在總成裝配上將減少大量時間
√ 3D 模型的使用將減少30-40% 的模型不一致。30-40% 的模型不一致是由2D 圖紙的不準確造成


正是鑒于MBD 技術的效益和國外先進裝備企業采用MBD 技術后取得的巨大成功,國內的大型裝備制造企業逐漸開始學習MBD 技術,并逐步將MBD 應用于現實生產中。但國內大型裝備制造企業對于MBD技術的學習與應用起步比較晚,現實生產中的應用并不成熟,需要深入研究和逐步推廣。


基于模型的數字化制造MBM

基于模型的企業(MBE)是由許多相關的過程組成,基于模型的數字化制造(MBM)是其中關鍵的過程之一,MBM 使用基于模型的定義(MBD)過程中創建的模型,不僅重用MBD 中所包含的產品幾何表示,還重用很多的文本或存儲在MBD 模型中的“元數據”。這消除了傳統的以手工方式重建數據以創建用于生產的工藝過程定義的過程。MBM 模型用于虛擬制造環境內部進行工藝規劃設計、優化和管理,直至提供給生產現場。MBM過程交付物成果包括:三維零件工藝、三維裝配工藝、數控程序、三維電子作業指導書、傳統的作業指導書、離散事件仿真等。所有這些活動或工作都可以在某些情況下開始并有可能在完成設計之前完成。事實上,如果使用得當,MBM 允許在切削任何實物之前都能進行制造和裝配過程仿真,反過來說,這使得制造工程師可以向設計團隊提供反饋以創建一個可制造性更好的設計。作為MBM 中重要組成部分的基于模型的作業指導書(Model Based Instruction,簡稱MBI)是連接虛擬和生產現場的關鍵環節。MBI 是在MBM 制造過程系統中生成和管理的,并基于3D 設計模型生成的車間工作指導書。MBI 在車間現場消除了紙質的二維作業文檔,直接使用MBD 的相關3D 數據和基于三維的工藝信息。MBI 和現場的制造執行系統MES集成在一起,在MBI 的主屏幕上,設置人機交互功能,可以采集及時發生的問題,并加入到數字模型中以進行未來的改進和版本管理。通過使用基于模型的數字化制造(MBM),可以解決以下的問題:
√ 減少轉換產品定義到可用的工藝過程定義所需的時間
√ 通過限制或消除重建模型的需求以減少出錯的機會

√ 允許在產品正式生產制造前進行制造工藝過程的虛擬驗證
√ 允許早期制造數據向設計的反饋


于模型的維護MBS

國防行業隨著維持武器系統運行的時間比原來設計的越來越長,以及國防在未來越來越少的預算,迫切需要采取類似于MBS 的維持技術以提高運行維護效率和降低生命周期成本。同時,隨著MBE 在各類裝備制造業的實踐和實施,未來基于模型的技術應用必然會擴展到產品生命周期的維修階段。在產品和工藝開發過程中創建的模型和模擬仿真結果可以直接在整個產品生命周期的維護保障階段使用,給用戶和維護支持人員提供不斷向下游傳遞的3D 模型和相關數據。企業價值鏈成員將使用真實世界的效果和維護/ 維修/ 故障數據來評估產品和工藝的集成作業環境,反饋給產品設計,進行產品設計的改進。目前大型裝備維護領域還是由基于紙質及其它的非智能化數字化過程為主導,這也是為什么在維護保障領域基于模型的維護(MBS)具有節約成本的提升空間。今天這些過程都因為缺乏高品質的跨越整個供應鏈的集成系統工程數據而只能實現部分的優化:
√ 系統修改和升級
√ 定點維護,維修和大修
√ 現場維修和保養
√ 有競爭力的采購零件
√ DMSMS (Diminishing manufacturing sources and material shortages)制造源萎縮和材料短缺管理和報廢管理
√ 預測和狀態檢修