周紅橋，張紅旗

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

支持MBD研發(fā)模式的產(chǎn)品數(shù)據(jù)集成研究

周紅橋，張紅旗

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

基于模型定義(Model Based Definition，MBD)的研發(fā)模式以全三維數(shù)字量傳遞為顯著特征，大量以三維模型為主要載體的產(chǎn)品數(shù)據(jù)(亦稱MBD數(shù)據(jù))給集成帶來了新的挑戰(zhàn)。文中提出了支持MBD研發(fā)模式的產(chǎn)品數(shù)據(jù)集成框架，構(gòu)建了MBD主模型和域模型相結(jié)合的產(chǎn)品MBD數(shù)據(jù)模型，給出了基于物料清單(Bill of Material，BOM)的MBD數(shù)據(jù)集成實現(xiàn)方式。該集成方法已在雷達結(jié)構(gòu)全三維研發(fā)平臺中得到了應(yīng)用，取得了較好效果。

基于模型定義；產(chǎn)品數(shù)據(jù)集成；物料清單

引 言

基于模型定義(Model Based Definition，MBD)[1-2]是一種新的產(chǎn)品定義技術(shù)，它以三維產(chǎn)品模型為基礎(chǔ)，完整地表達了產(chǎn)品定義信息，包括幾何尺寸、公差、裝配結(jié)構(gòu)、表面粗糙度、表面處理方法等。當(dāng)前，MBD研發(fā)模式越來越受到業(yè)界青睞與關(guān)注，航空、航天、船舶、汽車、電子等行業(yè)企業(yè)正在如火如荼地開展MBD研發(fā)模式應(yīng)用試點工作，取得了較好效果[3]。

MBD核心概念體現(xiàn)在產(chǎn)品數(shù)據(jù)傳遞的全三維化和數(shù)字化，因此能極大地提高產(chǎn)品定義的質(zhì)量和利用率，并有助于形成完整、通暢的全壽命周期數(shù)據(jù)鏈，從而為設(shè)計、仿真、工藝和制造等環(huán)節(jié)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源，實現(xiàn)設(shè)計制造的一體化。

MBD研發(fā)模式的蓬勃發(fā)展和應(yīng)用使得企業(yè)存在大量的以三維模型為主要載體的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，即產(chǎn)品MBD數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)的二維數(shù)據(jù)相比，產(chǎn)品MBD數(shù)據(jù)之間具有更高的依存度和關(guān)聯(lián)性。若不能有序和規(guī)范地對它們進行組織和管理，則極易產(chǎn)生不一致和冗余問題，嚴重影響產(chǎn)品研發(fā)的質(zhì)量和效率。

本文針對上述問題，提出了一種支持MBD研發(fā)模式的產(chǎn)品數(shù)據(jù)集成框架，以BOM(如EBOM、PBOM和MBOM)為核心，集成關(guān)聯(lián)了產(chǎn)品設(shè)計MBD數(shù)據(jù)、仿真MBD數(shù)據(jù)、工藝MBD數(shù)據(jù)和制造MBD數(shù)據(jù)；構(gòu)建了基于MBD主模型與設(shè)計、工藝、仿真、制造等域模型相結(jié)合的產(chǎn)品MBD數(shù)據(jù)模型；給出了基于BOM的MBD數(shù)據(jù)集成實現(xiàn)方式。該集成框架和集成方法已應(yīng)用在雷達結(jié)構(gòu)全三維工藝研發(fā)平臺中，為“模型下車間”等技術(shù)的工程化應(yīng)用提供了支撐環(huán)境。

1 支持MBD研發(fā)模式的產(chǎn)品數(shù)據(jù)集成框架

本文提出的支持MBD研發(fā)模式的產(chǎn)品數(shù)據(jù)集成框架涵蓋CAD、CAE、CAPP、PDM、ERP和MES系統(tǒng)，用于支撐設(shè)計工程師、仿真工程師、工藝工程師、計劃人員、車間人員等開展產(chǎn)品研制。其體系架構(gòu)如圖1所示。

圖1 支持MBD研發(fā)模式的產(chǎn)品數(shù)據(jù)集成框架

該集成框架以BOM(如EBOM、PBOM和MBOM)為核心，通過BOM之間的演變以及BOM與產(chǎn)品MBD數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實現(xiàn)設(shè)計、仿真、工藝和制造等階段的數(shù)據(jù)集成。

1.1 BOM的演變

EBOM→PBOM→MBOM的演變通過面向?qū)ο蠹夹g(shù)實現(xiàn)，即BOM的節(jié)點用對象來表示，由節(jié)點對象的屬性表達父子結(jié)構(gòu)關(guān)系、視圖(Engineering、Process和Manufacturing，對應(yīng)EBOM、PBOM和MBOM)以及域信息(如工藝域包括工藝關(guān)鍵件、是否為虛擬件等)。在EBOM→PBOM演變時，一般存在節(jié)點父子關(guān)系調(diào)整和加入工藝虛擬件等操作；而PBOM→MBOM演變時，節(jié)點父子關(guān)系一般不作變更，但會添加輔料節(jié)點、工裝節(jié)點以及制造域信息等。

1.2 BOM與產(chǎn)品MBD數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)

BOM節(jié)點與各類產(chǎn)品MBD數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)，進而實現(xiàn)基于BOM的檢索、匯總等管理操作。

EBOM節(jié)點與設(shè)計MBD數(shù)據(jù)和仿真MBD數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。設(shè)計工程師通過三維建模工具軟件CAD系統(tǒng)構(gòu)建產(chǎn)品三維模型，在檢入到PDM系統(tǒng)后生成EBOM，并關(guān)聯(lián)設(shè)計文檔(如三維模型、工程圖、計算說明書、論證報告等)。仿真工程師在檢入仿真模型、變形動畫、位移/應(yīng)力云圖等仿真MBD數(shù)據(jù)時，PDM系統(tǒng)也將執(zhí)行與特定EBOM節(jié)點的關(guān)聯(lián)操作。

工藝工程師在CAPP系統(tǒng)中獲取PDM中的EBOM后，經(jīng)調(diào)整EBOM形成PBOM以及完成工藝設(shè)計任務(wù)后，檢入到PDM中形成PBOM并關(guān)聯(lián)三維工藝模型、工藝路線、工藝方案等工藝MBD數(shù)據(jù)。

計劃人員在ERP系統(tǒng)中基于從PDM系統(tǒng)中獲取的PBOM構(gòu)建MBOM，并關(guān)聯(lián)加工設(shè)備信息、工裝信息、定額信息、生產(chǎn)計劃信息等制造MBD數(shù)據(jù)。

通過BOM演變、BOM與MBD數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，產(chǎn)品數(shù)據(jù)形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可方便地從某一數(shù)據(jù)查詢到相關(guān)的所有數(shù)據(jù)，并可抽取出滿足一定要求的數(shù)據(jù)形成特定視圖，以供相關(guān)人員使用。例如，車間人員通過MES系統(tǒng)從PDM系統(tǒng)中抽取出三維工藝規(guī)程視圖，并顯示在終端上。

2 基于BOM的MBD數(shù)據(jù)集成方法

2.1 產(chǎn)品MBD數(shù)據(jù)模型

MBD研發(fā)模式下的產(chǎn)品數(shù)據(jù)以MBD數(shù)據(jù)形式存在，其突出特點是設(shè)計、仿真、工藝、制造等階段過程中的產(chǎn)品數(shù)據(jù)表示和傳遞的全三維化和數(shù)字化。對此，本文采用圖2所示的MBD主模型和域模型相結(jié)合的方法，構(gòu)建了產(chǎn)品MBD數(shù)據(jù)模型。

圖2 產(chǎn)品MBD數(shù)據(jù)模型

2.1.1 MBD主模型

MBD主模型包括三維模型、標注和屬性。其中，三維模型由三維實體模型中的幾何模型、坐標系和基準等元素表達；標注是在三維模型上通過標記手段表達的產(chǎn)品相關(guān)信息，如尺寸、公差、工程注釋等，這些元素?zé)o需手工或外部處理即可見；屬性是三維模型不可見的信息，需通過查詢方式獲得，如名稱、標識、版本、設(shè)計者、審核者、批準者等。

2.1.2 域模型

域模型包括設(shè)計域模型、仿真域模型、工藝域模型和制造域模型，它包含與各個域相關(guān)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)。例如，設(shè)計域模型包括工程圖、工程實施方案、論證報告、計算說明書等。各個域模型所包含的數(shù)據(jù)一般通過標注和屬性方式關(guān)聯(lián)到MBD主模型上。例如，工藝域中的工藝路線、工藝方案等信息通過屬性的方式關(guān)聯(lián)到工藝三維模型上，而工序尺寸、加工方法、加工參數(shù)等信息通過標注方式關(guān)聯(lián)到工藝三維模型上。

MBD主模型與各域模型分別形成了設(shè)計MBD數(shù)據(jù)、仿真MBD數(shù)據(jù)、工藝MBD數(shù)據(jù)和制造MBD數(shù)據(jù)，它們之間并不是孤立的。例如，仿真MBD數(shù)據(jù)中的幾何模型可通過對設(shè)計MBD數(shù)據(jù)中的幾何模型進行簡化得到，工藝MBD數(shù)據(jù)中的工序幾何模型可在設(shè)計MBD數(shù)據(jù)中的幾何模型基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建毛坯模型和各級工序模型而獲得。

2.2 基于BOM的數(shù)據(jù)集成實現(xiàn)

BOM是企業(yè)的主要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一，在CAD/CAPP/PDM/ERP等系統(tǒng)的集成中發(fā)揮著重要的作用。如1.2節(jié)所述，在MBD研發(fā)模式下，EBOM與設(shè)計MBD數(shù)據(jù)和仿真MBD數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)，PBOM與工藝MBD數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)，MBOM與制造MBD數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)。下面結(jié)合2.1節(jié)中的產(chǎn)品MBD數(shù)據(jù)模型，給出各種BOM與產(chǎn)品數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)實現(xiàn)方法。

2.2.1 EBOM與設(shè)計MBD數(shù)據(jù)和仿真MBD數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)

EBOM節(jié)點對象與零件模型、裝配模型、工程圖、計算說明書、仿真分析模型、仿真結(jié)果報告等文件進行關(guān)聯(lián)，且EBOM節(jié)點對象的相關(guān)屬性(如某EBOM節(jié)點的材料、重量、類型等)從上述文件中提取獲得。

2.2.2 PBOM與工藝MBD數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)

工藝MBD數(shù)據(jù)一般包括3類：

1)三維工藝模型。三維工藝模型指的是表達工序或工步結(jié)果的三維幾何模型，帶有工序或工步尺寸、定位、基準以及夾緊方式等工藝信息標注或?qū)傩?。通常，每一道工序均有對?yīng)的三維工序模型，共同構(gòu)成三維工藝模型。

2)工藝路線、工序信息(如工序名稱、工序編碼、技術(shù)要求)等，一般以數(shù)據(jù)庫的形式進行存儲。

3)可視化發(fā)布文件。每一道工序都有相應(yīng)的可視化發(fā)布文件，通常采用輕量化格式，并可在瀏覽器環(huán)境下瀏覽、旋轉(zhuǎn)、標記等。

上述第2類和第3類數(shù)據(jù)可通過HTML技術(shù)有機地構(gòu)成三維工藝規(guī)程卡，或直接轉(zhuǎn)換為3D PDF文件，顯示在終端上以指導(dǎo)車間工人作業(yè)。

為便于PBOM節(jié)點與工藝MBD數(shù)據(jù)集關(guān)聯(lián)以及保證工藝MBD數(shù)據(jù)集之間的邏輯關(guān)系，本文引入了三維工藝數(shù)據(jù)索引文件。該文件以XML表達，包含了三維工藝模型、工藝信息以及可視化發(fā)布數(shù)據(jù)3個部分，其中的URI表示三維工藝模型文件、可視化發(fā)布文件的網(wǎng)絡(luò)位置。PDM系統(tǒng)可根據(jù)三維工藝數(shù)據(jù)索引文件以及工藝MBD數(shù)據(jù)，生成網(wǎng)頁形式的三維工藝規(guī)程卡或直接生成PDF文件，如圖3所示。

圖3 基于PBOM的工藝MBD數(shù)據(jù)集成

2.2.3 MBOM與制造MBD數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)

MBOM與制造MBD數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)與EBOM類似，主要通過屬性方式實現(xiàn)MBOM節(jié)點與定額信息、生產(chǎn)計劃、設(shè)備信息等的關(guān)聯(lián)。

3 應(yīng)用實例

根據(jù)上述方法，開發(fā)了原型系統(tǒng)-雷達結(jié)構(gòu)全三維研發(fā)平臺。該平臺以Windchill PDM Link 9.1和Pro/E Wildfire 5為基礎(chǔ)，通過定制開發(fā)，實現(xiàn)了三維結(jié)構(gòu)設(shè)計、三維工藝設(shè)計以及三維設(shè)計與工藝數(shù)據(jù)的集成管理。該平臺以EBOM和PBOM為核心管理雷達結(jié)構(gòu)設(shè)計MBD數(shù)據(jù)和工藝MBD數(shù)據(jù)。

在實現(xiàn)工藝MBD數(shù)據(jù)集成時，通過解析三維工藝索引文件，將工藝路線、工序信息和工序可視化發(fā)布文件以Web頁面的形式表達為三維工藝規(guī)程卡(如圖4所示)，可用于工藝簽審時的可視化瀏覽或在車間現(xiàn)場終端顯示以指導(dǎo)制造人員加工和裝配作業(yè)。三維工藝索引文件關(guān)聯(lián)的三維工藝模型不用于工藝簽審和車間現(xiàn)場作業(yè)指導(dǎo)，而用于工藝更改時通過PBOM節(jié)點定位三維工藝模型文件，從而檢出三維工藝模型文件并進行修改。

圖4 雷達結(jié)構(gòu)三維工藝規(guī)程卡

目前，該平臺已在某研究所“模型下車間”項目中得到了應(yīng)用，取得了較好的效果。

4 結(jié)束語

本文針對MBD研發(fā)環(huán)境下以三維模型為主要載體的設(shè)計、仿真、工藝和制造等數(shù)據(jù)集成問題，提出了支持MBD研發(fā)模式的產(chǎn)品數(shù)據(jù)集成框架，構(gòu)建了MBD主模型和域模型相結(jié)合的產(chǎn)品MBD數(shù)據(jù)模型，給出了基于BOM的MBD數(shù)據(jù)集成實現(xiàn)方式。開發(fā)出的原型系統(tǒng)經(jīng)過試點應(yīng)用，驗證了該集成方法的有效性。

[1] QUINTANA V, RIVEST L, PELLERIN R, et al. Will model-based definition replace engineering drawings throughout the product lifecycle? A global perspective from aerospace industry[J]. Computers in Industry, 2010, 61(5): 497-508.

[2] ALEMANNI M, DESTEFANIS F, VEZZETTI E. Model-based definition design in the product lifecycle management scenario[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2011, 52 (4): 1-14.

[3] 中國電子科技集團公司. 三維CAPP引領(lǐng)電科集團29所工藝設(shè)計[EB/OL]. [2015-04-15]. http://www.cetc.com.cn/NewsInfo.aspx?NId=4207.

周紅橋(1980-)，男，博士，高級工程師，主要從事數(shù)字化設(shè)計與制造、企業(yè)信息化理論與系統(tǒng)集成等基礎(chǔ)科研工作。

張紅旗(1975-)，男，研究員，主要從事數(shù)字化設(shè)計與制造、數(shù)字樣機相關(guān)標準研究等基礎(chǔ)科研工作。

Research on Product Data Integration for MBD Development Mode

ZHOU Hong-qiao，ZHANG Hong-qi

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

The significant characteristic of the model based definition (MBD) development mode is full 3D digital relaying. In this environment, large numbers of product data mainly composed of 3D models (also called MBD data) bring the new challenge to product data integration. To solve this issue, a framework that supports product data integration for MBD development model is proposed and a MBD data model that is formed of the master model and the domain model is built. In the proposed framework, MBD data integration is implemented by a bill of material (BOM) based approach. The presented framework has been applied to the project of full 3D development platform for the radar structure with good effect.

model based definition; product data integration; bill of material

2015-10-13

國防基礎(chǔ)科研計劃資助項目(A1120131044)；國防技術(shù)基礎(chǔ)科研計劃資助項目(JSJC2014210A005)；國防技術(shù)基礎(chǔ)科研計劃資助項目(JSBZ2014210B007)

TH122

A

1008-5300(2015)06-0050-04