陳海洋

摘? 要：MBD是一種基于模型的工程表達語言，用一個集成的三維實體模型完整表達了產(chǎn)品的定義信息，目前MBD技術(shù)在設(shè)計階段的應(yīng)用已日趨成熟，但是在生產(chǎn)制造過程中，由于生產(chǎn)條件的多樣性、生產(chǎn)環(huán)節(jié)的復(fù)雜性，一直以來并未得到很好的推廣應(yīng)用，文章通過對生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的人機料法環(huán)測六個方面，探討了MBD技術(shù)在各環(huán)節(jié)中的傳遞與應(yīng)用，實現(xiàn)MBD技術(shù)在產(chǎn)品三維數(shù)字化設(shè)計制造全流程中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：MBD;生產(chǎn)制造;數(shù)字化

1.引言

在產(chǎn)品的設(shè)計制造過程中，為了實現(xiàn)設(shè)計人員與制造人員之間的技術(shù)溝通，將設(shè)計意圖準(zhǔn)確地傳遞到生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，早在17世紀，法國科學(xué)家蒙日便提出了以投影幾何為主線的畫法幾何，從而成為了機械制造領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)定義語言。后來，隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，從20世紀60年代起，又出現(xiàn)了以AutoCAD為代表的二維CAD軟件，實現(xiàn)了從手工繪制工程圖到計算機繪制的轉(zhuǎn)變。到了20世紀90年代，隨著三維建模技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，出現(xiàn)了基于三維模型的產(chǎn)品定義表達，并且憑借著三維模型定義的直觀性、高效性，目前正得到著快速地發(fā)展，這種基于模型的工程定義語言，即MBD（Model Based Definition）技術(shù)[1]。

MBD用一個集成的三維實體模型完整表達了產(chǎn)品的定義信息，它詳細規(guī)定了三維實體模型中產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征、尺寸公差等工藝信息，MBD技術(shù)改變了傳統(tǒng)由二維工程圖紙來描述幾何形狀信息的方法，而用三維實體模型來定義特征、尺寸、公差和工藝信息，被認為是第三代產(chǎn)品設(shè)計語言，極大的提高了產(chǎn)品信息的表達直觀性[2]。并且，借助于數(shù)字仿真技術(shù)，實現(xiàn)了基于模型的設(shè)計仿真分析，縮短了復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計驗證周期，借助于數(shù)控加工技術(shù)，實現(xiàn)了基于模型的數(shù)控智能制造，縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)制造周期。

目前，MBD技術(shù)在設(shè)計階段的應(yīng)用已日趨成熟，但是在生產(chǎn)制造階段，由于生產(chǎn)條件的多樣性、生產(chǎn)環(huán)節(jié)的復(fù)雜性，MBD技術(shù)還沒得到有效的推廣應(yīng)用，尤其是在工藝、檢驗與非數(shù)控加工等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，MBD的應(yīng)用尚還缺乏相應(yīng)的規(guī)范與解決方案。因此，文章通過對生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的人機料法環(huán)測六個方面，分析了MBD技術(shù)在各環(huán)節(jié)中的傳遞與應(yīng)用，力求探索MBD技術(shù)在產(chǎn)品三維數(shù)字化設(shè)計制造全流程中的應(yīng)用。

2.MBD生產(chǎn)制造模式建設(shè)

產(chǎn)品的生產(chǎn)制造實質(zhì)上就是產(chǎn)品根據(jù)圖紙實體化的過程，按照全面質(zhì)量管理的理論，產(chǎn)品的實現(xiàn)主要包括“人、機、料、法、環(huán)”五個主要因素，其中為了達到對過程進行監(jiān)測，形成閉環(huán)控制，又引入了“測”因素，形成了5M1E的管理理論。因此要實現(xiàn)基于MBD的生產(chǎn)制造，就必須針對產(chǎn)品實現(xiàn)的這六個要素，探索MBD技術(shù)應(yīng)用的解決方案。

2.1 人

“人”是產(chǎn)品生產(chǎn)制造活動中的能動者，既包括一線操作者，也包括管理者，在質(zhì)量管理理論中，“人”是管理中討論的重點。相比較以二維工程圖為依據(jù)的生產(chǎn)模式，在MBD生產(chǎn)制造模式中，不變的是“人”的工作分工、工作內(nèi)容，改變的是工作所依據(jù)的數(shù)據(jù)的形式，從傳統(tǒng)的二維工程圖變成了三維數(shù)字化模型，如何查看數(shù)據(jù)模型、處理數(shù)據(jù)模型、使用數(shù)據(jù)模型，這就對“人”的技能有了新的要求，顯然必要的技能培訓(xùn)是不可缺少的，但是由于人員的知識層次不同，通常培訓(xùn)可能也不能解決生產(chǎn)中的每一個環(huán)節(jié)，這就要求根據(jù)企業(yè)產(chǎn)品特點，根據(jù)業(yè)務(wù)情況重新劃分職責(zé)分工，有取舍的改變?nèi)瞬艑哟谓Y(jié)構(gòu)。

在MBD建設(shè)過程中，由于生產(chǎn)模式的變更，必然會與現(xiàn)有的生產(chǎn)組織管理模式產(chǎn)生沖突，也難免遭遇各方面人員的抵觸情節(jié)，因此，MBD建設(shè)離不開單位領(lǐng)導(dǎo)的絕對支持，不光是人力、物力、財力的支持，還包括制度上、精神上的支持，否則很難取得成功。

2.2 機

“機”就是指生產(chǎn)中所使用的設(shè)備、工具等輔助生產(chǎn)用具。無論是基于三維模型的MBD模式還是基于二維圖紙的工程圖模式，其實都只是描述產(chǎn)品狀態(tài)要求的一種語言形式，生產(chǎn)中，真正將圖紙轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品的手段工具仍然是設(shè)備、工具等，也就是我們所說的“機”，因此單純的基于三維模型的MBD技術(shù)，也許可能會提高設(shè)計效率，也可能會改善管理質(zhì)量，但一定不會改變生產(chǎn)加工效率，只有在MBD技術(shù)與生產(chǎn)設(shè)備相輔相成時，才能實現(xiàn)基于數(shù)字化技術(shù)的智能化制造，從而提高生產(chǎn)效率與質(zhì)量。例如，MBD技術(shù)是基于三維模型的一種數(shù)字化語言表達技術(shù)，但是在傳統(tǒng)的手工作業(yè)、非數(shù)控加工中，數(shù)字化信息的傳遞反而顯得并不是那么的方便好用，相反在一些數(shù)控加工、自動化流水線作業(yè)中，由于設(shè)備本身采用的就是數(shù)字化信息進行處理，MBD技術(shù)的引入就如同如虎添翼。因此，選擇基于MBD生產(chǎn)制造模式，就需要建設(shè)與之相匹配的自動化設(shè)備，同步完成對“機”的更新?lián)Q代，正所謂沒有三維數(shù)字化技術(shù)支持的自動化設(shè)備是難以物盡其用的，沒有自動化設(shè)備為基礎(chǔ)的三維數(shù)字化建設(shè)也是沒有意義的。

2.3 料

“料”指物料，半成品、配件、原料等產(chǎn)品用料。在MBD生產(chǎn)制造模式中，產(chǎn)品制造所需的物料清單是通過BOM（Bill of Material）進行表達，產(chǎn)品BOM按照實現(xiàn)階段主要包括EBOM（工程設(shè)計階段的BOM）、PBOM（產(chǎn)品工藝計劃階段的BOM）、MBOM（生產(chǎn)制造階段的BOM），其中MBOM作為制造部門主要數(shù)據(jù)，是在PBOM的基礎(chǔ)上，增加詳細的工藝路線、材料定額、制造資源等信息。從本質(zhì)上來說，MBD生產(chǎn)制造模式中的“料”與基于二維工程圖為依據(jù)的生產(chǎn)模式并無不同。但是由于MBD采用了三維技術(shù)，在工藝仿真、加工仿真方面，解決了傳統(tǒng)二維工程圖無法解決的虛擬仿真難題，因此與二維工程圖為依據(jù)的生產(chǎn)模式相比，MBD生產(chǎn)制造模式的“料”還應(yīng)包括虛擬仿真所需的三維模型資源庫，例如機床模型資源庫、刀具模型資源庫、工具夾具資源庫等，完善的資源庫是進行MBD仿真應(yīng)用的前提條件。

2.4 法

“法”即法則，指生產(chǎn)過程中所需遵循的規(guī)章制度。在MBD生產(chǎn)制造模式中，三維數(shù)字化模型代替了傳統(tǒng)的二維工程圖，虛擬介質(zhì)代替了紙質(zhì)文檔，因此在管理的上的規(guī)章制度也必須做相應(yīng)的調(diào)整改變，這既包括基于基于數(shù)字化技術(shù)的管理標(biāo)準(zhǔn)，也包括基于基于三維模型的技術(shù)規(guī)范。雖然，早在1997年，美國機械工程師協(xié)會就發(fā)起了三維標(biāo)注技術(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)化的研究，并于2003年形成了美國國家標(biāo)準(zhǔn)ASMEY14.41-2003《數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)實施規(guī)程》，到了2006年，ISO借鑒ASMEY14.41-2003制定了ISO標(biāo)準(zhǔn)草案ISO16792：2006《技術(shù)產(chǎn)品文件 數(shù)字產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則》，2009年，我國SAC/TC 146“全國技術(shù)產(chǎn)品文件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會”以ISO16792：2006標(biāo)準(zhǔn)為藍本，制定了GB/T24734.1～.11-2009《技術(shù)產(chǎn)品文件數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則》系列標(biāo)準(zhǔn)，但是由于MBD技術(shù)尚還處在摸索發(fā)展階段，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)體系并不夠健全，一時間還難以適應(yīng)各行各業(yè)的不同需求，尤其是在三維工藝、三維制造、三維檢驗等生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，可參考的標(biāo)準(zhǔn)更是乏善可陳，但是標(biāo)準(zhǔn)是約束企業(yè)行為的依據(jù)，也是企業(yè)管理水平的體現(xiàn)，因此建設(shè)必要的基于MBD模式的生產(chǎn)制造標(biāo)準(zhǔn)，依然應(yīng)該是企業(yè)MBD建設(shè)的重點。

2.5 環(huán)

“環(huán)”指生產(chǎn)加工的環(huán)境。在基于MBD的生產(chǎn)制造模式中，除了必要的廠房、辦公室等生產(chǎn)環(huán)境外，由于采用了數(shù)字化信息傳遞模式，因此基于數(shù)字化信息傳遞的信息化建設(shè)是不可避免的，如何讓數(shù)據(jù)在信息系統(tǒng)中貫穿設(shè)計、工藝、定額、計劃、檢驗、加工、庫管等各個環(huán)節(jié)，是MBD建設(shè)必須解決的問題。一般來說，基于MBD的信息化建設(shè)是MBD建設(shè)過程中工作量最大、工作內(nèi)容最復(fù)雜、投入成本最高的建設(shè)部分，信息化的建設(shè)程度也是衡量一個企業(yè)現(xiàn)代化水平的重要指標(biāo)。目前，基于MBD的信息化建設(shè)的主干通常包括DM（項目管理系統(tǒng)）、MDM（主數(shù)據(jù)系統(tǒng)）、PLM（產(chǎn)品管理系統(tǒng)）、ERP（生產(chǎn)管理系統(tǒng)）、MES（生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)）這5大系統(tǒng)，并以其為基礎(chǔ)，將設(shè)計工藝、定額、計劃、檢驗、加工、庫管等終端軟件接入平臺，形成一個聯(lián)通的信息網(wǎng)絡(luò)。

2.6 測

“測”主要指測量工具、測量方法、測量人?！皽y”雖然不是產(chǎn)品實現(xiàn)過程中的直接環(huán)節(jié)，但卻是監(jiān)督制造過程、保證產(chǎn)品質(zhì)量不可缺少的環(huán)節(jié)。在基于MBD的生產(chǎn)制造模式中，由于三維模型的引入，使得基于模型的三坐標(biāo)檢驗、激光點陣掃描檢測等先進的檢驗手段的應(yīng)用成為了可能，不僅提高了檢驗效率，也提高了檢驗精度，尤其是對一些大型復(fù)雜產(chǎn)品的檢驗，以二維圖紙為檢驗依據(jù)的傳統(tǒng)檢驗手段早已無法滿足日趨復(fù)雜化、精密化、大型化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)需求，因此基于三維信息化的檢驗必然是未來檢驗手段的發(fā)展方向。

3. 總結(jié)

目前，由于生產(chǎn)條件的多樣性、生產(chǎn)環(huán)節(jié)的復(fù)雜性，基于三維模型的數(shù)字化信息傳遞還很難貫穿在產(chǎn)品實現(xiàn)的全流程，尤其是對于一些非數(shù)控加工的手工作業(yè)環(huán)節(jié)，基于三維模型的數(shù)字化信息傳遞與應(yīng)用還存在較多的困難，因此國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)還是采用二維與三維相輔相成的管理模式。但是從設(shè)計制造的發(fā)展方向來看，基于三維模型的MBD技術(shù)取代傳統(tǒng)的二維工程圖已是大勢所趨，當(dāng)然這還將是一個長期且復(fù)雜的過程，需要伴隨著CAD技術(shù)的不斷發(fā)展以及MBD技術(shù)不斷的完善，終將會為機械設(shè)計制造帶來革命性的進步。

參考文獻

[1]范玉清，梅中義，陶劍.大型飛機數(shù)字化制造工程[M].北京：航空工業(yè)出版社，2011.

[2]田富君，陳興玉.MBD環(huán)境下的三維機加工藝設(shè)計技術(shù)[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2014，20（11）：2690-2696.