基于MBD的生產制造模式探索

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品的定義信息，目前MBD技術在設計階段的應用已日趨成熟，但是在生產制造過程中，由于生產條件的多樣性、生產環節的復雜性，一直以來并未得到很好的推廣應用，文章通過對生產制造環節的人機料法環測六個方面，探討了MBD技術在各環節中的傳遞與應用，實現MBD技術在產品三維數字化設計制造全流程中的應用。

關鍵詞：MBD;生產制造;數字化

1.引言

在產品的設計制造過程中，為了實現設計人員與制造人員之間的技術溝通，將設計意圖準確地傳遞到生產制造環節，早在17世紀，法國科學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域的標準定義語言。后來，隨著計算機技術的不斷發展，從20世紀60年代起，又出現了以AutoCAD為代表的二維CAD軟件，實現了從手工繪制工程圖到計算機繪制的轉變。到了20世紀90年代，隨著三維建模技術的不斷發展和應用，出現了基于三維模型的產品定義表達，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展，這種基于模型的工程定義語言，即MBD（Model Based Definition）技術[1]。

MBD用一個集成的三維實體模型完整表達了產品的定義信息，它詳細規定了三維實體模型中產品結構特征、尺寸公差等工藝信息，MBD技術改變了傳統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，被認為是第三代產品設計語言，極大的提高了產品信息的表達直觀性[2]。并且，借助于數字仿真技術，實現了基于模型的設計仿真分析，縮短了復雜產品的設計驗證周期，借助于數控加工技術，實現了基于模型的數控智能制造，縮短了產品的生產制造周期。

目前，MBD技術在設計階段的應用已日趨成熟，但是在生產制造階段，由于生產條件的多樣性、生產環節的復雜性，MBD技術還沒得到有效的推廣應用，尤其是在工藝、檢驗與非數控加工等生產環節，MBD的應用尚還缺乏相應的規范與解決方案。因此，文章通過對生產制造環節的人機料法環測六個方面，分析了MBD技術在各環節中的傳遞與應用，力求探索MBD技術在產品三維數字化設計制造全流程中的應用。

2.MBD生產制造模式建設

產品的生產制造實質上就是產品根據圖紙實體化的過程，按照全面質量管理的理論，產品的實現主要包括“人、機、料、法、環”五個主要因素，其中為了達到對過程進行監測，形成閉環控制，又引入了“測”因素，形成了5M1E的管理理論。因此要實現基于MBD的生產制造，就必須針對產品實現的這六個要素，探索MBD技術應用的解決方案。

2.1 人

“人”是產品生產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的生產模式，在MBD生產制造模式中，不變的是“人”的工作分工、工作內容，改變的是工作所依據的數據的形式，從傳統的二維工程圖變成了三維數字化模型，如何查看數據模型、處理數據模型、使用數據模型，這就對“人”的技能有了新的要求，顯然必要的技能培訓是不可缺少的，但是由于人員的知識層次不同，通常培訓可能也不能解決生產中的每一個環節，這就要求根據企業產品特點，根據業務情況重新劃分職責分工，有取舍的改變人才層次結構。

在MBD建設過程中，由于生產模式的變更，必然會與現有的生產組織管理模式產生沖突，也難免遭遇各方面人員的抵觸情節，因此，MBD建設離不開單位領導的絕對支持，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”就是指生產中所使用的設備、工具等輔助生產用具。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，其實都只是描述產品狀態要求的一種語言形式，生產中，真正將圖紙轉換為產品的手段工具仍然是設備、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，也許可能會提高設計效率，也可能會改善管理質量，但一定不會改變生產加工效率，只有在MBD技術與生產設備相輔相成時，才能實現基于數字化技術的智能化制造，從而提高生產效率與質量。例如，MBD技術是基于三維模型的一種數字化語言表達技術，但是在傳統的手工作業、非數控加工中，數字化信息的傳遞反而顯得并不是那么的方便好用，相反在一些數控加工、自動化流水線作業中，由于設備本身采用的就是數字化信息進行處理，MBD技術的引入就如同如虎添翼。因此，選擇基于MBD生產制造模式，就需要建設與之相匹配的自動化設備，同步完成對“機”的更新換代，正所謂沒有三維數字化技術支持的自動化設備是難以物盡其用的，沒有自動化設備為基礎的三維數字化建設也是沒有意義的。

2.3 料

“料”指物料，半成品、配件、原料等產品用料。在MBD生產制造模式中，產品制造所需的物料清單是通過BOM（Bill of Material）進行表達，產品BOM按照實現階段主要包括EBOM（工程設計階段的BOM）、PBOM（產品工藝計劃階段的BOM）、MBOM（生產制造階段的BOM），其中MBOM作為制造部門主要數據，是在PBOM的基礎上，增加詳細的工藝路線、材料定額、制造資源等信息。從本質上來說，MBD生產制造模式中的“料”與基于二維工程圖為依據的生產模式并無不同。但是由于MBD采用了三維技術，在工藝仿真、加工仿真方面，解決了傳統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的生產模式相比，MBD生產制造模式的“料”還應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仿真應用的前提條件。

2.4 法

“法”即法則，指生產過程中所需遵循的規章制度。在MBD生產制造模式中，三維數字化模型代替了傳統的二維工程圖，虛擬介質代替了紙質文檔，因此在管理的上的規章制度也必須做相應的調整改變，這既包括基于基于數字化技術的管理標準，也包括基于基于三維模型的技術規范。雖然，早在1997年，美國機械工程師協會就發起了三維標注技術及其標準化的研究，并于2003年形成了美國國家標準ASMEY14.41-2003《數字化產品定義數據實施規程》，到了2006年，ISO借鑒ASMEY14.41-2003制定了ISO標準草案ISO16792：2006《技術產品文件 數字產品定義數據通則》，2009年，我國SAC/TC 146“全國技術產品文件標準化技術委員會”以ISO16792：2006標準為藍本，制定了GB/T24734.1～.11-2009《技術產品文件數字化產品定義數據通則》系列標準，但是由于MBD技術尚還處在摸索發展階段，相關的標準體系并不夠健全，一時間還難以適應各行各業的不同需求，尤其是在三維工藝、三維制造、三維檢驗等生產制造環節，可參考的標準更是乏善可陳，但是標準是約束企業行為的依據，也是企業管理水平的體現，因此建設必要的基于MBD模式的生產制造標準，依然應該是企業MBD建設的重點。

2.5 環

“環”指生產加工的環境。在基于MBD的生產制造模式中，除了必要的廠房、辦公室等生產環境外，由于采用了數字化信息傳遞模式，因此基于數字化信息傳遞的信息化建設是不可避免的，如何讓數據在信息系統中貫穿設計、工藝、定額、計劃、檢驗、加工、庫管等各個環節，是MBD建設必須解決的問題。一般來說，基于MBD的信息化建設是MBD建設過程中工作量最大、工作內容最復雜、投入成本最高的建設部分，信息化的建設程度也是衡量一個企業現代化水平的重要指標。目前，基于MBD的信息化建設的主干通常包括DM（項目管理系統）、MDM（主數據系統）、PLM（產品管理系統）、ERP（生產管理系統）、MES（生產制造執行系統）這5大系統，并以其為基礎，將設計工藝、定額、計劃、檢驗、加工、庫管等終端軟件接入平臺，形成一個聯通的信息網絡。

2.6 測

“測”主要指測量工具、測量方法、測量人。“測”雖然不是產品實現過程中的直接環節，但卻是監督制造過程、保證產品質量不可缺少的環節。在基于MBD的生產制造模式中，由于三維模型的引入，使得基于模型的三坐標檢驗、激光點陣掃描檢測等先進的檢驗手段的應用成為了可能，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雜產品的檢驗，以二維圖紙為檢驗依據的傳統檢驗手段早已無法滿足日趨復雜化、精密化、大型化的產品結構需求，因此基于三維信息化的檢驗必然是未來檢驗手段的發展方向。

3. 總結

目前，由于生產條件的多樣性、生產環節的復雜性，基于三維模型的數字化信息傳遞還很難貫穿在產品實現的全流程，尤其是對于一些非數控加工的手工作業環節，基于三維模型的數字化信息傳遞與應用還存在較多的困難，因此國內大多數企業還是采用二維與三維相輔相成的管理模式。但是從設計制造的發展方向來看，基于三維模型的MBD技術取代傳統的二維工程圖已是大勢所趨，當然這還將是一個長期且復雜的過程，需要伴隨著CAD技術的不斷發展以及MBD技術不斷的完善，終將會為機械設計制造帶來革命性的進步。

參考文獻

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

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