基于MBD的生产制造模式探索

陈海洋

摘  要：MBD是一种基于模型的工程表达语言，用一个集成的三维实体模型完整表达了产品的定义信息，目前MBD技术在设计阶段的应用已日趋成熟，但是在生产制造过程中，由于生产条件的多样性、生产环节的复杂性，一直以来并未得到很好的推广应用，文章通过对生产制造环节的人机料法环测六个方面，探讨了MBD技术在各环节中的传递与应用，实现MBD技术在产品三维数字化设计制造全流程中的应用。

关键词：MBD;生产制造;数字化

1.引言

在产品的设计制造过程中，为了实现设计人员与制造人员之间的技术沟通，将设计意图准确地传递到生产制造环节，早在17世纪，法国科学家蒙日便提出了以投影几何为主线的画法几何，从而成为了机械制造领域的标准定义语言。后来，随着计算机技术的不断发展，从20世纪60年代起，又出现了以AutoCAD为代表的二维CAD软件，实现了从手工绘制工程图到计算机绘制的转变。到了20世纪90年代，随着三维建模技术的不断发展和应用，出现了基于三维模型的产品定义表达，并且凭借着三维模型定义的直观性、高效性，目前正得到着快速地发展，这种基于模型的工程定义语言，即MBD（Model Based Definition）技術[1]。

MBD用一个集成的三维实体模型完整表达了产品的定义信息，它详细规定了三维实体模型中产品结构特征、尺寸公差等工艺信息，MBD技术改变了传统由二维工程图纸来描述几何形状信息的方法，而用三维实体模型来定义特征、尺寸、公差和工艺信息，被认为是第三代产品设计语言，极大的提高了产品信息的表达直观性[2]。并且，借助于数字仿真技术，实现了基于模型的设计仿真分析，缩短了复杂产品的设计验证周期，借助于数控加工技术，实现了基于模型的数控智能制造，缩短了产品的生产制造周期。

目前，MBD技术在设计阶段的应用已日趋成熟，但是在生产制造阶段，由于生产条件的多样性、生产环节的复杂性，MBD技术还没得到有效的推广应用，尤其是在工艺、检验与非数控加工等生产环节，MBD的应用尚还缺乏相应的规范与解决方案。因此，文章通过对生产制造环节的人机料法环测六个方面，分析了MBD技术在各环节中的传递与应用，力求探索MBD技术在产品三维数字化设计制造全流程中的应用。

2.MBD生产制造模式建设

产品的生产制造实质上就是产品根据图纸实体化的过程，按照全面质量管理的理论，产品的实现主要包括“人、机、料、法、环”五个主要因素，其中为了达到对过程进行监测，形成闭环控制，又引入了“测”因素，形成了5M1E的管理理论。因此要实现基于MBD的生产制造，就必须针对产品实现的这六个要素，探索MBD技术应用的解决方案。

2.1 人

“人”是产品生产制造活动中的能动者，既包括一线操作者，也包括管理者，在质量管理理论中，“人”是管理中讨论的重点。相比较以二维工程图为依据的生产模式，在MBD生产制造模式中，不变的是“人”的工作分工、工作内容，改变的是工作所依据的数据的形式，从传统的二维工程图变成了三维数字化模型，如何查看数据模型、处理数据模型、使用数据模型，这就对“人”的技能有了新的要求，显然必要的技能培训是不可缺少的，但是由于人员的知识层次不同，通常培训可能也不能解决生产中的每一个环节，这就要求根据企业产品特点，根据业务情况重新划分职责分工，有取舍的改变人才层次结构。

在MBD建设过程中，由于生产模式的变更，必然会与现有的生产组织管理模式产生冲突，也难免遭遇各方面人员的抵触情节，因此，MBD建设离不开单位领导的绝对支持，不光是人力、物力、财力的支持，还包括制度上、精神上的支持，否则很难取得成功。

2.2 机

“机”就是指生产中所使用的设备、工具等辅助生产用具。无论是基于三维模型的MBD模式还是基于二维图纸的工程图模式，其实都只是描述产品状态要求的一种语言形式，生产中，真正将图纸转换为产品的手段工具仍然是设备、工具等，也就是我们所说的“机”，因此单纯的基于三维模型的MBD技术，也许可能会提高设计效率，也可能会改善管理质量，但一定不会改变生产加工效率，只有在MBD技术与生产设备相辅相成时，才能实现基于数字化技术的智能化制造，从而提高生产效率与质量。例如，MBD技术是基于三维模型的一种数字化语言表达技术，但是在传统的手工作业、非数控加工中，数字化信息的传递反而显得并不是那么的方便好用，相反在一些数控加工、自动化流水线作业中，由于设备本身采用的就是数字化信息进行处理，MBD技术的引入就如同如虎添翼。因此，选择基于MBD生产制造模式，就需要建设与之相匹配的自动化设备，同步完成对“机”的更新换代，正所谓没有三维数字化技术支持的自动化设备是难以物尽其用的，没有自动化设备为基础的三维数字化建设也是没有意义的。

2.3 料

“料”指物料，半成品、配件、原料等产品用料。在MBD生产制造模式中，产品制造所需的物料清单是通过BOM（Bill of Material）进行表达，产品BOM按照实现阶段主要包括EBOM（工程设计阶段的BOM）、PBOM（产品工艺计划阶段的BOM）、MBOM（生产制造阶段的BOM），其中MBOM作为制造部门主要数据，是在PBOM的基础上，增加详细的工艺路线、材料定额、制造资源等信息。从本质上来说，MBD生产制造模式中的“料”与基于二维工程图为依据的生产模式并无不同。但是由于MBD采用了三维技术，在工艺仿真、加工仿真方面，解决了传统二维工程图无法解决的虚拟仿真难题，因此与二维工程图为依据的生产模式相比，MBD生产制造模式的“料”还应包括虚拟仿真所需的三维模型资源库，例如机床模型资源库、刀具模型资源库、工具夹具资源库等，完善的资源库是进行MBD仿真应用的前提条件。

2.4 法

“法”即法则，指生产过程中所需遵循的规章制度。在MBD生产制造模式中，三维数字化模型代替了传统的二维工程图，虚拟介质代替了纸质文档，因此在管理的上的规章制度也必须做相应的调整改变，这既包括基于基于数字化技术的管理标准，也包括基于基于三维模型的技术规范。虽然，早在1997年，美国机械工程师协会就发起了三维标注技术及其标准化的研究，并于2003年形成了美国国家标准ASMEY14.41-2003《数字化产品定义数据实施规程》，到了2006年，ISO借鉴ASMEY14.41-2003制定了ISO标准草案ISO16792：2006《技术产品文件 数字产品定义数据通则》，2009年，我国SAC/TC 146“全国技术产品文件标准化技术委员会”以ISO16792：2006标准为蓝本，制定了GB/T24734.1～.11-2009《技术产品文件数字化产品定义数据通则》系列标准，但是由于MBD技术尚还处在摸索发展阶段，相关的标准体系并不够健全，一时间还难以适应各行各业的不同需求，尤其是在三维工艺、三维制造、三维检验等生产制造环节，可参考的标准更是乏善可陈，但是标准是约束企业行为的依据，也是企业管理水平的体现，因此建设必要的基于MBD模式的生产制造标准，依然应该是企业MBD建设的重点。

2.5 环

“环”指生产加工的环境。在基于MBD的生产制造模式中，除了必要的厂房、办公室等生产环境外，由于采用了数字化信息传递模式，因此基于数字化信息传递的信息化建设是不可避免的，如何让数据在信息系统中贯穿设计、工艺、定额、计划、检验、加工、库管等各个环节，是MBD建设必须解决的问题。一般来说，基于MBD的信息化建设是MBD建设过程中工作量最大、工作內容最复杂、投入成本最高的建设部分，信息化的建设程度也是衡量一个企业现代化水平的重要指标。目前，基于MBD的信息化建设的主干通常包括DM（项目管理系统）、MDM（主数据系统）、PLM（产品管理系统）、ERP（生产管理系统）、MES（生产制造执行系统）这5大系统，并以其为基础，将设计工艺、定额、计划、检验、加工、库管等终端软件接入平台，形成一个联通的信息网络。

2.6 测

“测”主要指测量工具、测量方法、测量人。“测”虽然不是产品实现过程中的直接环节，但却是监督制造过程、保证产品质量不可缺少的环节。在基于MBD的生产制造模式中，由于三维模型的引入，使得基于模型的三坐标检验、激光点阵扫描检测等先进的检验手段的应用成为了可能，不仅提高了检验效率，也提高了检验精度，尤其是对一些大型复杂产品的检验，以二维图纸为检验依据的传统检验手段早已无法满足日趋复杂化、精密化、大型化的产品结构需求，因此基于三维信息化的检验必然是未来检验手段的发展方向。

3. 总结

目前，由于生产条件的多样性、生产环节的复杂性，基于三维模型的数字化信息传递还很难贯穿在产品实现的全流程，尤其是对于一些非数控加工的手工作业环节，基于三维模型的数字化信息传递与应用还存在较多的困难，因此国内大多数企业还是采用二维与三维相辅相成的管理模式。但是从设计制造的发展方向来看，基于三维模型的MBD技术取代传统的二维工程图已是大势所趋，当然这还将是一个长期且复杂的过程，需要伴随着CAD技术的不断发展以及MBD技术不断的完善，终将会为机械设计制造带来革命性的进步。

参考文献

[1]范玉清，梅中义，陶剑.大型飞机数字化制造工程[M].北京：航空工业出版社，2011.

[2]田富君，陈兴玉.MBD环境下的三维机加工艺设计技术[J].计算机集成制造系统，2014，20（11）：2690-2696.