MBD技术在重型装备研发过程中的应用

范 勇

(二重(德阳)重型装备有限公司，四川618013)

1 重型装备的行业分析

重型装备制造企业属于单件小批量离散机械制造业。其产品主要特点有：

(1)产品的个性化非常强，通常是按照用户合同需求，采用项目管理的理念和方法，进行单独设计并组织生产。

(2)对于单台设备，产品没有成熟定型的阶段，都是边研发，边制造。

(3)重型装备的产品结构非常复杂，零部件种类繁多，BOM层级很多(7～8级)。

(4)为了缩短产品交货周期，企业通常按照并行工程的方式进行设计并生产。

(5)产品制造周期长，占用资金大，项目报价准确，项目预算及控制对项目的利润影响很大。

2 重型装备研发现状及面临的挑战

2.1 重型装备研发的传统设计模式分析

2.1.1 二维工程图定义产品存在缺陷

二维工程图纸已经成为非常成熟的产品结构的表达手段。国内绝大多数的重型装备企业在研发新产品时，都采用二维图纸表达工程设计结构。二维工程图纸是产品结构定义的主要形式(其他信息有技术文档和BOM表)。在二维图纸上详细标注出产品的设计、制造、装配等业务环节所需要的技术信息，并提供设计生产整个流程的企业运作。这些文件的产生流程是：

(1)设计人员通过二维CAD系统，绘制二维工程图(含零件图，装配图)，并且编制BOM文件。

(2)工艺部门根据二维工程图与BOM文件，在CAPP系统中，使用word等工具编制生成工艺规程和作业指导书。

由于二维工程图纸是靠着各个视图定义的，表达产品的复杂结构，不能很好地体现复杂产品的设计理念，而且不符合人类思维模式的表达，造成从设计到制造整个流程中，在各个环节出现“二次”理解的过程，不仅降低了工作效率，而且容易产生理解上的歧义，影响工程质量。

因此，二维工程图纸必须结合其他诸多技术文件(产品明细表BOM、技术要领书、技术要求、采购说明等)一起，才能组成完整的产品定义信息。因此造成同一份数据(管理数据)会出现在多处，容易造成数据的不一致和矛盾，从而造成产品数据管理上的混乱。

2.1.2 文档管理冗杂

目前，大多数重型装备企业的设计人员在绘制二维工程图时，一般采用两种方式。一种方式为直接使用二维CAD进行工程图设计，并输出图纸文件；第二种方式为在三维设计软件中，通过三维模型投影生成平面图纸文件，最后在二维工程图平台中进行详细设计输出图纸文件，多种形式并存的现状使企业文档管理趋于复杂化。

利用二维工程图平台产生二维工程图的二维图纸与利用三维设计软件平台产生的文件不能相互识别。造成二维与三维信息不能关联，一个更改而另一个并没有动态更新，需要人工进行更改，造成设计人员工作量增加，更严重的问题是二维和三维数据的脱节使信息管理混乱，容易产生误解，导致最终产品的生产延期抑或产品的质量问题等。

2.1.3 协同管理流程管理脱节

二维设计平台和三维设计平台都有其相应的流程管理及制度规定。然而，目前在重型装备企业，往往不注重这一环节，虽然引进了三维CAD，却没有相应建立新的制度体系，依然将企业原有基于二维CAD平台的流程制度在三维CAD的平台上套用。但是工艺过程并没有与设计部门接轨，这种情况造成了工艺信息无法进入数字化管理系统，从而使企业数据不能自由流通。另外，下游工艺部门的信息也不能有效地对上游设计端进行反馈，设计部门不能根据工艺反馈进一步改进和优化设计。

设计和工艺的脱节造成设计信息传达不完整，重点表现在EBOM和MBOM的转换过程中。由现状可知，由于EBOM的庞大使得工艺人员通过文件模板将EBOM转换为MBOM，但在该转换过程中，各种工装、设备、工具、量具等辅料信息并没有进入MBOM中，造成企业在自身资源上难以及时统计和管理。

2.1.4 纸质文档管理成本

重型装备企业内部普遍仍以纸质文件进行文档存档、文档信息传递、文档信息反馈等企业管理。企业零部件数量庞大，工艺装配过程复杂，工艺流程繁多，质检要求严格，工艺部门以及相关检验部门等需要打印大量说明文档进行生产操作。其中需要打印的主要有技术工程图、作业指导书、质量检测指导书等。文字辅以图片的形式并不能简明直观地对操作方法进行阐述，文字量大，使纸质消耗量大，企业成本增加。另外，纸质文档的说明文字量大，作业人员需要花较多的时间阅读理解作业指导书的内容，生产作业效率低。

虽然目前很多重型装备企业在实施数字化管理过程中，在车间逐步设置了电子显示终端机。但是工艺和生产现场目前还未纳入统一的PLM作业管理系统中。一方面工艺信息不能通过软件工具接口上传至PLM系统。另外也没有软件工具接口，通过PLM管理平台数字化的传送，将工艺信息传到终端机，以实现工艺无纸化。

2.2 三维模型库及三维软件应用

2.2.1 三维模型库

由于当前公认的标准为二维技术图纸，而三维尚没有形成统一的标准，使外购部件多为二维图纸，企业要实现三维数字化的深入发展必须将外购件的二维技术文档转化为三维技术文档。

重型装备的系列化发展是基于已有设计经验进行改进革新，形成了企业稳定的模型库和设计知识库，而这种积累同样以二维图纸的形式进行存档，重型装备企业要实施三维数字化，必须将全部设计经验库进行转变，并且要全部采用三维数字化形式，需要企业调用大量人力物力进行。

要实现模型库统一的三维数字化，困难在于三维标准的缺失。三维标准化未统一，造成难以利用三维进行信息沟通。三维标准定义不一会造成供应商在与企业进行技术沟通时难以顺畅地进行技术信息交流与修正，同时在采购时，企业给供应商提供的技术要求同样难以用统一的三维模型文档进行定义，即使定义的技术信息完整，外部供应商也难以准确把握该三维模型中所包含的技术信息，另外不同企业部署的三维数字化平台各异，使三维数字化定义在跨企业间很难操作。

2.2.2 三维软件应用水平评估

参照国内外三维软件应用水平4级评估标准进行评估，国内重型装备研发过程中使用三维软件的水平普遍处于较低的水平。具体表现在：

(1)各企业在技术文件的管控上都针对最终的二维工程图纸及产品零部件BOM表，将三维软件当成二维工程图纸的生成建模工具，产生的三维模型没有进入企业的技术资料管理体系，也没有建立版本管理体系，因此根本无法保证三维模型的有效性和准确性。

(2)在研发过程中，CAE软件的主要作用仅仅是作为验证设计的工具使用，没有与设计过程无缝融合，形成仿真驱动设计，设计满足仿真的闭环。在业务模式上，基本上都是仿真辅助或者验证设计，离仿真主导设计、优化设计还有很大距离。

(3)产品模型、分析等数据均由技术人员自己保存，缺乏系统性的三维设计数据及设计过程的管理平台，缺乏基于三维的设计标准及管理方法，缺乏基础库等。CAD/CAE/CAM各阶段专业业务都相对独立，使业务过程与产品数据都缺乏衔接与约束，且没有完整的产品数字化定义。在使用三维模型时，以上各业务环节均需各自独立完成三维建模。

利用三维模型投影，将复杂模型工程图生成的工程视图文件转化为二维工程图文件进行详细的工程图制定。

在管理上，三维数字化主要表现在查看模型上。在管理流程中以二维工程图为审批依据，而三维模型仅仅以一个较二维工程图直观的表现手法存在。

在应用上，三维数字化的应用主要在于评估装配的可行性、有无装配干涉、虚拟测量等。

在工艺端，则完全脱离三维设计，而完全以二维图纸进行制造工艺路线的制定。

在车间施工端，同样也完全脱离了三维模型，以纸质作业指导书为依据进行现场工艺制造。

从以上现状可知，企业的三维辅助与工艺生产制造脱离，还体现在三维应用的程度比较有限。

3 基于MBD技术的重型装备的研发

3.1 MBD技术概述

20世纪末，波音公司提出了基于模型定义Model Based Definition的工程产品描述技术(简称为MBD)，MBD技术的出现，彻底突破了数百年来工程师的产品设计体系，改变了那种将产品定义数据分散在各种零散技术资料(包括二维工程图纸、BOM清单、工艺文件等技术文件)的形式，从而形成将产品的结构定义描述数据、工艺加工、装配数据(包含NC代码)、技术属性和管理属性、检验数据等信息都以链接的方式保存在产品的三维数字化模型中的一种先进的产品数字化定义方法。

MBD技术的出现，从工具和思维层面上彻底改变了传统产品研发体系中，要么独自构思二维多视图；要么先制作三维数字模型，然后采用投影方式生成二维工程图，再在二维工程图纸上标注几何尺寸、形位公差和工艺加工信息的产品数字化定义方法。

使集各种信息为一体的三维MBD模型作为企业生产过程中的单一数据源，彻底改变了以往二维工程图纸为最终介质，三维模型仅为中间产物的研发体系。基本的MBD数据要求见图1。

3.2 实施MBD技术的必要性

发达国家和地区以及国内先进行(企)业已开始步入以产品数字化、应用互联网化为特点的制造业与信息技术全面综合集成，以互联网、大数据、云计算为核心的信息技术与传统工业加工制造技术深度融合发展(简称为两化融合)的信息化建设新阶段。

图1 基本的MBD数据要求Figure 1 Basic MBD data requirements

以三维模型为核心的协同设计、工艺、制造过程技术已经发展到了很高的水平，基于三维模型的数字化研发平台得到广泛推广和应用。

在航空航天和汽车领域已经基本实现了全三维数字化样机的工程实践，在其制造转型过程中发挥了重大作用。随着全球制造业转型大潮的袭来，基于三维模型的数字化研发平台已经成为企业信息化建设的热点和要点。

基于MBD技术的研发平台是智能化生产体系的核心支撑系统和数据来源。国内重型装备制造企业经过多年的企业信息化建设，已经建成了以PDM(管理二维CAD)、ERP、MES系统。但这些企业由于技术条件的限制，所建设的信息系统对三维设计的管理无法提供全面深入的支持，也无法满足现在全面开展智能制造和数字化车间建设对产品数据的要求。

建设基于MBD技术的研发平台是重型装备制造企业推进数字化制造，进而升级成为智能化生产的需要。由于二维图纸的机器不可识别性是阻碍数字化、智能化车间/企业建设的关键瓶颈和问题。基于三维模型的MBD技术能彻底解决机器不可识别产品设计信息这个问题。三维模型将作为数字化、智能化车间/企业运行的核心基础数据之一。

建设基于MBD技术的研发平台是提升重型装备制造企业研发水平、制造能力和产品质量，降低研发成本的需要。

3.3 MBD技术的应用架构

重型装备的生产制造过程，实质上可以看成是对其生产的产品进行全面digital定义(数字化定义)。从上游的设计和工艺等部门向下游的生产和销售等部门按需要进行各种数据传递，最终完成加工和装配的产品可以看作是数字化定义产品的物理实体产物，而这正是形成数字双胞胎的基础数据。

基于MBD技术在重型装备研发领域的解决方案见图2。

图2 基于MBD技术在重型装备研发领域的解决方案Figure 2 Solutions based on MBD in the process of research and development in heavy equipment

整个解决方案的核心是支持管理三维模型的PLM系统，在PLM系统的统一协同管理下，在各种三维软件(CAD、CAE、CAM、CAPP)的使用规范、产品结构设计、机加工工艺、焊接工艺、铸锻工艺、装配工艺的技术标准和知识库的基础上，开展基于三维MBD模型的数字化定义，让MBD模型所附带的几何模型、制造数据、BOM等数据能够全部贯穿于设计、工艺、制造和售后等业务全过程。

由于重型装备行业的特点，其使用PDM系统管理的BOM结构相对于其他行业使用的PDM也有自身特殊的要求。

作为产品数据组织核心的物料需要将设计数据和工艺数据组织起来；产品结构BOM、制造BOM和装配BOM上节点采取引用的方式指向基础物料；制造BOM是在编制工艺的过程中自然产生的(不需要或很少需要用户后期安排专人编制维护制造BOM)；物料模型通过装配关系形成面向具体合同的单一确定结构，系统通过合同代号形成的结构展示零件明细；工艺路线作为制造BOM的逻辑视图体现；支持产品定义数据多语言版本并存管理。

在PLM系统支持下，研发人员使用三维CAD、数字化仿真CAE和三维CAPP软件协同工作，完成产品的MBD建模。

按照数字化样机技术规范，根据产品性质，在设计阶段规划数字化样机技术的应用深度，在单一数据源性数据条件下，实现各类样机的分类及可视化的表现形式，并根据特殊应用场景如大型装配、系统级仿真模型进行简化或轻量化。

采用自顶向下设计模式，解决在二维环境下自底向上模式下从局部到总体的缺陷，特别是解决各设备组件间整体的数据关联约束问题，功能模块划分的完整性及直观性问题，可实现设计数据从方案设计、技术设计、详细设计展开过程中的继承关系。

重型成套装备研发的产品涉及到机械、流体、电气、控制软件等多个系统仿真。具体包括了系统运动学、动力学仿真分析、热力耦合分析和多物理场分析，通过成套设备的机、电、液联合仿真实现设备运行状态预测与可靠性评估。

工艺设计人员可以在PLM平台的支持下，无缝直接利用设计产生的MBD模型，进行结构化机械加工、热工艺和装配工艺设计，关联产品、资源和工厂数据实现整个技术研发阶段的深度数据集成。

4 结语

实施MBD技术后，对重型装备产品的研发将是革命性的变革。使用MBD模式将可以贯通从结构设计、加工工艺设计到生产制造全过程。企业生产的产品可以在MBD技术的支持下，真正实现单一数据源的管理。同时，作为唯一的产品定义数据集，实现了对重型装备产品各种特征描述的所有定义内容以结构化的形式传递，提高了各业务环节的协同程度，使设计、制造一体化的实现成为可能，从而带动整个重型装备制造业生产模式的变革。