0 引言

    基于模型的定義 (Model Based Definition，MBD)是新一代產(chǎn)品定義方法。其核心思想是：基于全三維特征的表述方法和文檔的過程驅(qū)動，融入知識工程、過程模擬和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等，用一個集成的三維實體模型可完整地表達產(chǎn)品定義信息。即將制造信息和設(shè)計信息“共同”定義到產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型中，從而取消二維工程圖，保證設(shè)計數(shù)據(jù)的唯一性。

    MBD技術(shù)是上世紀90年代中期美國波音公司在737-NX飛機研制項目中通過構(gòu)型定義與控制制造資源管理（DCAC/MRM）的應(yīng)用提出的第三代設(shè)計語言，美國制造工程師協(xié)會于2003年發(fā)布了《數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)實踐ASME Y14.42-2003》技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。CATIA、SIMENS、PTC等大型三維設(shè)計軟件都開發(fā)了支持ASME Y14.41標(biāo)準(zhǔn)的功能模塊。波音等航空制造商還制訂了自己的3D開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，并與CATIA、Delimia軟件在產(chǎn)品中集成應(yīng)用。眾多的二級供應(yīng)商和伙伴也制訂自己的3D開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)開始應(yīng)用。

    我國在MBD技術(shù)領(lǐng)域，于2009年底發(fā)布，并于2010年9月開始實施國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24734微字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則》，致力于推行該技術(shù)。目前，國內(nèi)航空領(lǐng)域已對MBD技術(shù)的實施前景、技術(shù)路線、管理配套等進行廣泛探討。

    低壓電器作為電網(wǎng)設(shè)施的執(zhí)行單元和故障保護單元，需要在具有一定沖擊振動和大環(huán)境溫差變化的場合實現(xiàn)高精度保護特性，確保用電安全。這決定了設(shè)備的研發(fā)試制需要實現(xiàn)保護特性的低加工敏感性。這對設(shè)備自身結(jié)構(gòu)內(nèi)在變更協(xié)調(diào)，以及設(shè)計、制造、測量等環(huán)節(jié)的相互協(xié)調(diào)具有很強的依賴性。此外，伴隨著設(shè)備智能化的提高，個性化功能需求的日益增長，對從新增功能、設(shè)計變更到試制調(diào)整全過程的信息同步敏捷性要求越來越高。這決定了設(shè)備的新一代數(shù)字化模型需要具備一套模型能同時表達多重信息，支持不同環(huán)節(jié)技術(shù)人員協(xié)同工作，共享數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)更新具有很強的實時性。

    本文著重探討基于MBD構(gòu)建低壓電器多層次信息模型所需要的基本元素、基礎(chǔ)架構(gòu)及運行機理，以及利用SIMENS NX7.5和Teamcenter進行設(shè)計、試制、仿真等信息定義，以期解決研發(fā)設(shè)計與試制之間協(xié)同的初步實施思路。

1 多層次信息模型的結(jié)構(gòu)框架

    低壓電器的數(shù)據(jù)信息模型，基于設(shè)備的3D模型，從執(zhí)行工具、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、應(yīng)用數(shù)據(jù)三個維度，逐層定義、組織、表達和應(yīng)用研制過程相關(guān)的各數(shù)據(jù)信息層。每層數(shù)據(jù)依托3D模型層的拓撲結(jié)構(gòu)和各自的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過信息分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計、仿真計算、加工測量、試驗測試等過程，生成應(yīng)用數(shù)據(jù)，并統(tǒng)一進行3D模型的映射表達。同時，進行MBD模型與產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）系統(tǒng)、企業(yè)資源計劃ERP)系統(tǒng)的信息對接，實現(xiàn)層次模型對設(shè)計、研制及項目管理的驅(qū)動。其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于MBD的數(shù)字化信息模型

    1.1 基于PMI的3D標(biāo)注體系

    產(chǎn)品和制造信息（Product and Manufacturing Information，PMI)是針對數(shù)字化產(chǎn)品定義，提供的產(chǎn)品和制造信息的具體方案。PMI應(yīng)用在3DCAD或協(xié)同產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)中，用于將產(chǎn)品部件設(shè)計的信息正確傳遞到產(chǎn)品制造中，包括幾何公差信息、3D注釋（文字）、表面粗糙度，以及材料規(guī)格等。PMI技術(shù)的應(yīng)用將2D圖紙為主的溝通方式逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槿�面�?biāo)注3D模型，使3D模型與2D圖紙合理結(jié)合，作為傳遞產(chǎn)品和制造信息的完全認同手段，使產(chǎn)品設(shè)計人員能夠?qū)?D零件或裝配標(biāo)注出制造人員需要的全部信息。

    借助NX軟件的PMI應(yīng)用技術(shù)，建立3D的多層次數(shù)字化模型。參照GB/T 24734的系列標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范化圖紙幾何表達、公差、基準(zhǔn)、尺寸、注釋，實現(xiàn)3D模型與2D圖紙的合理結(jié)合。利用圖層管理技術(shù)，進行不同類型數(shù)據(jù)的分層顯示，創(chuàng)建各層數(shù)據(jù)的特征碼和數(shù)據(jù)鏈接規(guī)則，將不同類型數(shù)據(jù)的標(biāo)注和注釋統(tǒng)一于3D模型上，并通過與NX集成的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)Teamcenter實現(xiàn)具體數(shù)據(jù)的管理。

    1.2 樣機與原理層

    提供用于待研設(shè)備總體性能及各部件性能指標(biāo)確定所需的對比參考信息，同時為結(jié)構(gòu)原理與技術(shù)路線的篩選和確定提供必要的信息和工具。一方面，利用自建的國內(nèi)外產(chǎn)品信息庫，提取待研同類產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)、功能等信息，通過歸一化的性能對比模板，進行知識與信息重組，形成設(shè)備總體性能對比，用于參考確定待研產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)。另一方面，對待研產(chǎn)品進行概念性結(jié)構(gòu)分解，建立初始MBD，根據(jù)試驗規(guī)程、拆機規(guī)程和分析規(guī)程等，啟動對應(yīng)的系列分析指令，從樣機實物庫中提調(diào)對應(yīng)樣機，開展技術(shù)分析工作。技術(shù)分析過程所形成的數(shù)據(jù)，按照產(chǎn)品的初始MBD結(jié)構(gòu)拓撲映射，并進行PDM系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步。由于設(shè)備方案設(shè)計主要依靠該層的技術(shù)方案、關(guān)鍵原理、試驗數(shù)據(jù)等信息支撐，該層將作為設(shè)備最終形態(tài)和性能指標(biāo)的重要參照進行指導(dǎo)設(shè)計。

    1.3 專利信息層

    利用自建的國內(nèi)外專利信息庫，對照待研產(chǎn)品的MBD結(jié)構(gòu)，進行專利的檢索過濾和分類標(biāo)引，并通過專利分析模板，驅(qū)動分析指令，形成對應(yīng)的專利策略和自主專利預(yù)期。兩方面的數(shù)據(jù)分別按照產(chǎn)品的初始MBD結(jié)構(gòu)拓撲映射，并進行PDM系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步。由于產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新的日趨激烈，該層數(shù)據(jù)將定期更新，確保專利風(fēng)險管理和技術(shù)策略的有效實施。

    1.4 仿真設(shè)計層

    仿真數(shù)據(jù)信息來源于由動力學(xué)、強度、流體、電磁學(xué)、熱學(xué)等多物理領(lǐng)域計算軟件及二次開發(fā)程序組成的強大的CAE系統(tǒng)。該系統(tǒng)整合了針對用戶端設(shè)備研發(fā)所需要的材料屬性庫和經(jīng)驗參數(shù)庫。根據(jù)設(shè)備的初步3D設(shè)計，進行所需計算評估的MBD定義分解，依托仿真模板，確定具體結(jié)構(gòu)的計算指令，進行任務(wù)分發(fā)。仿真工程師接到計算任務(wù)，依次啟動計算規(guī)程、分析規(guī)程和優(yōu)化規(guī)程，建立計算模型，進行數(shù)據(jù)分析，給出結(jié)構(gòu)設(shè)計建議、關(guān)鍵工藝建議以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。所形成的數(shù)據(jù)及版本按照產(chǎn)品的MBD結(jié)構(gòu)拓撲與3D設(shè)計方案對應(yīng)版本映射，并進行PDM系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步。設(shè)計工程師參照該層數(shù)據(jù)進行可行性評估和設(shè)計改進。該層信息伴隨著設(shè)計、試制、改進，將不斷進行數(shù)據(jù)更新與完善，與設(shè)計改進同步，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 MBD支撐的仿真設(shè)計層結(jié)構(gòu)

    1.5 試驗信息層

    數(shù)據(jù)形成于設(shè)備詳細設(shè)計階段，從局部原理驗證到整機性能測試整套試驗，依據(jù)不同類型試驗的模板所規(guī)定的試驗程序和設(shè)備參數(shù)進行技術(shù)驗證。所形成的數(shù)據(jù)及版本按照產(chǎn)品的MBD結(jié)構(gòu)拓撲與3D設(shè)計方案對應(yīng)版本映射，并進行PDM系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步。

    1.6 加工/測量信息層

    經(jīng)過CAE計算優(yōu)化與可行性評估的模型，結(jié)構(gòu)尺寸趨于完善，進一步通過輔助公差設(shè)計(Computer Aided Tolerance Design,CATD)系統(tǒng)進行尺寸公差設(shè)計。通過已有的基準(zhǔn)設(shè)計模板、公差序列和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，選定基準(zhǔn)、框定公差范圍，初步確定尺寸鏈和尺寸公差方案，通過計算優(yōu)化，調(diào)整尺寸鏈長度，進行公差合理分配，最終確定技術(shù)方案，包括尺寸基準(zhǔn)、公差、關(guān)鍵尺寸序列、裝配和檢測指導(dǎo)意見。所形成的數(shù)據(jù)存放于加工/測量信息層，按照產(chǎn)品的MBD結(jié)構(gòu)拓撲與3D設(shè)計方案對應(yīng)版本映射，并進行PDM系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步。

    此外，利用產(chǎn)品的MBD模型進行加工前的數(shù)字化設(shè)備建模。對設(shè)計模型進行特征識別，將設(shè)計特征轉(zhuǎn)換成加工特征，進一步生成與加工特征關(guān)聯(lián)的工藝路線及數(shù)控機床執(zhí)行程序。同時，根據(jù)檢測指導(dǎo)在模型里定義與裝配和零件制造相關(guān)的檢測特征、尺寸公差和基準(zhǔn)，利用檢測特征和尺寸定義和預(yù)先定義的測量規(guī)則，快速生成檢測方案，驅(qū)動激光跟蹤儀和三坐標(biāo)測量機等精密測量設(shè)施進行測量對照。加工及檢測過程形成的數(shù)據(jù)按照產(chǎn)品的MBD結(jié)構(gòu)拓撲與3D設(shè)計方案對應(yīng)版本映射，并進行ERP系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步。加工/測量信息層的具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 MBD支撐的加工/測量信息層結(jié)構(gòu)

2 MBD驅(qū)動的研制過程協(xié)同實例

    設(shè)備研發(fā)過程中，不同環(huán)節(jié)的技術(shù)人員需要互通信息，協(xié)同工作。利用上述基于MBD的多層次數(shù)字化模型，不同環(huán)節(jié)的技術(shù)人員按照工作需要和角色權(quán)限，分層調(diào)用模型數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)完善，真正實現(xiàn)不同節(jié)點的技術(shù)人員和管理人員公用一套數(shù)據(jù)，實現(xiàn)研制過程信息協(xié)同的立體化和實時化。

    基于MBD思想，在NX7.5和Teamcenter8.3軟件平臺上，通過定制開發(fā)的系統(tǒng)在某斷路器產(chǎn)品研制過程中的應(yīng)用實例如圖4所示。如圖4(a)所示，通過產(chǎn)品研制項目模板在Teamcenter中創(chuàng)建數(shù)據(jù)拓撲，觸發(fā)研發(fā)工作任務(wù)指令，給試驗、仿真、試制、知識產(chǎn)權(quán)等各協(xié)同部門分發(fā)工作任務(wù)。如圖4(b)所示，在集成的NX7.5軟件中創(chuàng)建產(chǎn)品3D模型時，自動建立信息層次，不同部門的工程師公用一套3D模型，完成各自工作后，在Teamcenter系統(tǒng)提交任務(wù)數(shù)據(jù)，同時利用NX PMI工具在對應(yīng)的圖層上完成信息注釋。不同部門的工程師，可以通過3D模型的PMI注釋及對應(yīng)的Teamcenter文檔，獲取必要信息，實現(xiàn)整個產(chǎn)品研制過程的協(xié)同。

圖4 系統(tǒng)應(yīng)用實例

3 結(jié)語

    新興的MBD方法以其嶄新的模型定義方式和信息集成方法，正逐步為制造業(yè)各領(lǐng)域所解讀、構(gòu)建和應(yīng)用嘗試。其在MBD方法向低壓電器研制的導(dǎo)入過程實踐中，優(yōu)勢顯著：

    (1)不同協(xié)作部門公用一套數(shù)字信息模型，實現(xiàn)設(shè)計信息的高度集成，信息資源共享最大化；

    (2)3D模型應(yīng)用從設(shè)計端向制造、檢測等各環(huán)節(jié)滲透，整個研制過程更直觀；

    (3)PMI標(biāo)注的采用和信息的分層管理，使研制團隊更為專注于產(chǎn)品關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵工藝的完善，非關(guān)鍵結(jié)構(gòu)由制造設(shè)備保證，有利于信息標(biāo)準(zhǔn)的簡化和加工成本的降低。

    MBD方法作為一種新的模型定義方法，其應(yīng)用推廣并非簡單的軟件引進應(yīng)用，因此在其技術(shù)探索實踐過程中，面臨著眾多挑戰(zhàn)：

    (1)要充分發(fā)揮統(tǒng)一數(shù)字信息模型的作用，需要整個管理理念的轉(zhuǎn)變及制度規(guī)范配套，讓試制和量產(chǎn)問題向研發(fā)階段前移，實現(xiàn)整個研發(fā)過程的并行工程；

    (2)要實現(xiàn)產(chǎn)品研制過程的全面3D化，對傳統(tǒng)制造方法和裝備逐步進行更新?lián)Q代，如對制造、測量、試驗等環(huán)節(jié)的計算機設(shè)施、通信設(shè)備以及數(shù)字化制造裝備等進行設(shè)備和相關(guān)技術(shù)的配套；

    (3)盡管國外大型的設(shè)計軟件和數(shù)據(jù)管理軟件已發(fā)布了若干適用于MBD方法的技術(shù)功能，但總體上還處于發(fā)展階段，很多具體功能、數(shù)據(jù)接口等需要開發(fā)定制投入。

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本文標(biāo)題：基于MBD的低壓電器多層次信息架構(gòu)探討

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