MBD技術(shù)在重型裝備研發(fā)過程中的應(yīng)用

范 勇

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618013)

1 重型裝備的行業(yè)分析

重型裝備制造企業(yè)屬于單件小批量離散機械制造業(yè)。其產(chǎn)品主要特點有：

(1)產(chǎn)品的個性化非常強，通常是按照用戶合同需求，采用項目管理的理念和方法，進行單獨設(shè)計并組織生產(chǎn)。

(2)對于單臺設(shè)備，產(chǎn)品沒有成熟定型的階段，都是邊研發(fā)，邊制造。

(3)重型裝備的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，零部件種類繁多，BOM層級很多(7～8級)。

(4)為了縮短產(chǎn)品交貨周期，企業(yè)通常按照并行工程的方式進行設(shè)計并生產(chǎn)。

(5)產(chǎn)品制造周期長，占用資金大，項目報價準(zhǔn)確，項目預(yù)算及控制對項目的利潤影響很大。

2 重型裝備研發(fā)現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)

2.1 重型裝備研發(fā)的傳統(tǒng)設(shè)計模式分析

2.1.1 二維工程圖定義產(chǎn)品存在缺陷

二維工程圖紙已經(jīng)成為非常成熟的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的表達手段。國內(nèi)絕大多數(shù)的重型裝備企業(yè)在研發(fā)新產(chǎn)品時，都采用二維圖紙表達工程設(shè)計結(jié)構(gòu)。二維工程圖紙是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)定義的主要形式(其他信息有技術(shù)文檔和BOM表)。在二維圖紙上詳細標(biāo)注出產(chǎn)品的設(shè)計、制造、裝配等業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)所需要的技術(shù)信息，并提供設(shè)計生產(chǎn)整個流程的企業(yè)運作。這些文件的產(chǎn)生流程是：

(1)設(shè)計人員通過二維CAD系統(tǒng)，繪制二維工程圖(含零件圖，裝配圖)，并且編制BOM文件。

(2)工藝部門根據(jù)二維工程圖與BOM文件，在CAPP系統(tǒng)中，使用word等工具編制生成工藝規(guī)程和作業(yè)指導(dǎo)書。

由于二維工程圖紙是靠著各個視圖定義的，表達產(chǎn)品的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，不能很好地體現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計理念，而且不符合人類思維模式的表達，造成從設(shè)計到制造整個流程中，在各個環(huán)節(jié)出現(xiàn)“二次”理解的過程，不僅降低了工作效率，而且容易產(chǎn)生理解上的歧義，影響工程質(zhì)量。

因此，二維工程圖紙必須結(jié)合其他諸多技術(shù)文件(產(chǎn)品明細表BOM、技術(shù)要領(lǐng)書、技術(shù)要求、采購說明等)一起，才能組成完整的產(chǎn)品定義信息。因此造成同一份數(shù)據(jù)(管理數(shù)據(jù))會出現(xiàn)在多處，容易造成數(shù)據(jù)的不一致和矛盾，從而造成產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理上的混亂。

2.1.2 文檔管理冗雜

目前，大多數(shù)重型裝備企業(yè)的設(shè)計人員在繪制二維工程圖時，一般采用兩種方式。一種方式為直接使用二維CAD進行工程圖設(shè)計，并輸出圖紙文件；第二種方式為在三維設(shè)計軟件中，通過三維模型投影生成平面圖紙文件，最后在二維工程圖平臺中進行詳細設(shè)計輸出圖紙文件，多種形式并存的現(xiàn)狀使企業(yè)文檔管理趨于復(fù)雜化。

利用二維工程圖平臺產(chǎn)生二維工程圖的二維圖紙與利用三維設(shè)計軟件平臺產(chǎn)生的文件不能相互識別。造成二維與三維信息不能關(guān)聯(lián)，一個更改而另一個并沒有動態(tài)更新，需要人工進行更改，造成設(shè)計人員工作量增加，更嚴(yán)重的問題是二維和三維數(shù)據(jù)的脫節(jié)使信息管理混亂，容易產(chǎn)生誤解，導(dǎo)致最終產(chǎn)品的生產(chǎn)延期抑或產(chǎn)品的質(zhì)量問題等。

2.1.3 協(xié)同管理流程管理脫節(jié)

二維設(shè)計平臺和三維設(shè)計平臺都有其相應(yīng)的流程管理及制度規(guī)定。然而，目前在重型裝備企業(yè)，往往不注重這一環(huán)節(jié)，雖然引進了三維CAD，卻沒有相應(yīng)建立新的制度體系，依然將企業(yè)原有基于二維CAD平臺的流程制度在三維CAD的平臺上套用。但是工藝過程并沒有與設(shè)計部門接軌，這種情況造成了工藝信息無法進入數(shù)字化管理系統(tǒng)，從而使企業(yè)數(shù)據(jù)不能自由流通。另外，下游工藝部門的信息也不能有效地對上游設(shè)計端進行反饋，設(shè)計部門不能根據(jù)工藝反饋進一步改進和優(yōu)化設(shè)計。

設(shè)計和工藝的脫節(jié)造成設(shè)計信息傳達不完整，重點表現(xiàn)在EBOM和MBOM的轉(zhuǎn)換過程中。由現(xiàn)狀可知，由于EBOM的龐大使得工藝人員通過文件模板將EBOM轉(zhuǎn)換為MBOM，但在該轉(zhuǎn)換過程中，各種工裝、設(shè)備、工具、量具等輔料信息并沒有進入MBOM中，造成企業(yè)在自身資源上難以及時統(tǒng)計和管理。

2.1.4 紙質(zhì)文檔管理成本

重型裝備企業(yè)內(nèi)部普遍仍以紙質(zhì)文件進行文檔存檔、文檔信息傳遞、文檔信息反饋等企業(yè)管理。企業(yè)零部件數(shù)量龐大，工藝裝配過程復(fù)雜，工藝流程繁多，質(zhì)檢要求嚴(yán)格，工藝部門以及相關(guān)檢驗部門等需要打印大量說明文檔進行生產(chǎn)操作。其中需要打印的主要有技術(shù)工程圖、作業(yè)指導(dǎo)書、質(zhì)量檢測指導(dǎo)書等。文字輔以圖片的形式并不能簡明直觀地對操作方法進行闡述，文字量大，使紙質(zhì)消耗量大，企業(yè)成本增加。另外，紙質(zhì)文檔的說明文字量大，作業(yè)人員需要花較多的時間閱讀理解作業(yè)指導(dǎo)書的內(nèi)容，生產(chǎn)作業(yè)效率低。

雖然目前很多重型裝備企業(yè)在實施數(shù)字化管理過程中，在車間逐步設(shè)置了電子顯示終端機。但是工藝和生產(chǎn)現(xiàn)場目前還未納入統(tǒng)一的PLM作業(yè)管理系統(tǒng)中。一方面工藝信息不能通過軟件工具接口上傳至PLM系統(tǒng)。另外也沒有軟件工具接口，通過PLM管理平臺數(shù)字化的傳送，將工藝信息傳到終端機，以實現(xiàn)工藝無紙化。

2.2 三維模型庫及三維軟件應(yīng)用

2.2.1 三維模型庫

由于當(dāng)前公認的標(biāo)準(zhǔn)為二維技術(shù)圖紙，而三維尚沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，使外購部件多為二維圖紙，企業(yè)要實現(xiàn)三維數(shù)字化的深入發(fā)展必須將外購件的二維技術(shù)文檔轉(zhuǎn)化為三維技術(shù)文檔。

重型裝備的系列化發(fā)展是基于已有設(shè)計經(jīng)驗進行改進革新，形成了企業(yè)穩(wěn)定的模型庫和設(shè)計知識庫，而這種積累同樣以二維圖紙的形式進行存檔，重型裝備企業(yè)要實施三維數(shù)字化，必須將全部設(shè)計經(jīng)驗庫進行轉(zhuǎn)變，并且要全部采用三維數(shù)字化形式，需要企業(yè)調(diào)用大量人力物力進行。

要實現(xiàn)模型庫統(tǒng)一的三維數(shù)字化，困難在于三維標(biāo)準(zhǔn)的缺失。三維標(biāo)準(zhǔn)化未統(tǒng)一，造成難以利用三維進行信息溝通。三維標(biāo)準(zhǔn)定義不一會造成供應(yīng)商在與企業(yè)進行技術(shù)溝通時難以順暢地進行技術(shù)信息交流與修正，同時在采購時，企業(yè)給供應(yīng)商提供的技術(shù)要求同樣難以用統(tǒng)一的三維模型文檔進行定義，即使定義的技術(shù)信息完整，外部供應(yīng)商也難以準(zhǔn)確把握該三維模型中所包含的技術(shù)信息，另外不同企業(yè)部署的三維數(shù)字化平臺各異，使三維數(shù)字化定義在跨企業(yè)間很難操作。

2.2.2 三維軟件應(yīng)用水平評估

參照國內(nèi)外三維軟件應(yīng)用水平4級評估標(biāo)準(zhǔn)進行評估，國內(nèi)重型裝備研發(fā)過程中使用三維軟件的水平普遍處于較低的水平。具體表現(xiàn)在：

(1)各企業(yè)在技術(shù)文件的管控上都針對最終的二維工程圖紙及產(chǎn)品零部件BOM表，將三維軟件當(dāng)成二維工程圖紙的生成建模工具，產(chǎn)生的三維模型沒有進入企業(yè)的技術(shù)資料管理體系，也沒有建立版本管理體系，因此根本無法保證三維模型的有效性和準(zhǔn)確性。

(2)在研發(fā)過程中，CAE軟件的主要作用僅僅是作為驗證設(shè)計的工具使用，沒有與設(shè)計過程無縫融合，形成仿真驅(qū)動設(shè)計，設(shè)計滿足仿真的閉環(huán)。在業(yè)務(wù)模式上，基本上都是仿真輔助或者驗證設(shè)計，離仿真主導(dǎo)設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計還有很大距離。

(3)產(chǎn)品模型、分析等數(shù)據(jù)均由技術(shù)人員自己保存，缺乏系統(tǒng)性的三維設(shè)計數(shù)據(jù)及設(shè)計過程的管理平臺，缺乏基于三維的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及管理方法，缺乏基礎(chǔ)庫等。CAD/CAE/CAM各階段專業(yè)業(yè)務(wù)都相對獨立，使業(yè)務(wù)過程與產(chǎn)品數(shù)據(jù)都缺乏銜接與約束，且沒有完整的產(chǎn)品數(shù)字化定義。在使用三維模型時，以上各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)均需各自獨立完成三維建模。

利用三維模型投影，將復(fù)雜模型工程圖生成的工程視圖文件轉(zhuǎn)化為二維工程圖文件進行詳細的工程圖制定。

在管理上，三維數(shù)字化主要表現(xiàn)在查看模型上。在管理流程中以二維工程圖為審批依據(jù)，而三維模型僅僅以一個較二維工程圖直觀的表現(xiàn)手法存在。

在應(yīng)用上，三維數(shù)字化的應(yīng)用主要在于評估裝配的可行性、有無裝配干涉、虛擬測量等。

在工藝端，則完全脫離三維設(shè)計，而完全以二維圖紙進行制造工藝路線的制定。

在車間施工端，同樣也完全脫離了三維模型，以紙質(zhì)作業(yè)指導(dǎo)書為依據(jù)進行現(xiàn)場工藝制造。

從以上現(xiàn)狀可知，企業(yè)的三維輔助與工藝生產(chǎn)制造脫離，還體現(xiàn)在三維應(yīng)用的程度比較有限。

3 基于MBD技術(shù)的重型裝備的研發(fā)

3.1 MBD技術(shù)概述

20世紀(jì)末，波音公司提出了基于模型定義Model Based Definition的工程產(chǎn)品描述技術(shù)(簡稱為MBD)，MBD技術(shù)的出現(xiàn)，徹底突破了數(shù)百年來工程師的產(chǎn)品設(shè)計體系，改變了那種將產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)分散在各種零散技術(shù)資料(包括二維工程圖紙、BOM清單、工藝文件等技術(shù)文件)的形式，從而形成將產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)定義描述數(shù)據(jù)、工藝加工、裝配數(shù)據(jù)(包含NC代碼)、技術(shù)屬性和管理屬性、檢驗數(shù)據(jù)等信息都以鏈接的方式保存在產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型中的一種先進的產(chǎn)品數(shù)字化定義方法。

MBD技術(shù)的出現(xiàn)，從工具和思維層面上徹底改變了傳統(tǒng)產(chǎn)品研發(fā)體系中，要么獨自構(gòu)思二維多視圖；要么先制作三維數(shù)字模型，然后采用投影方式生成二維工程圖，再在二維工程圖紙上標(biāo)注幾何尺寸、形位公差和工藝加工信息的產(chǎn)品數(shù)字化定義方法。

使集各種信息為一體的三維MBD模型作為企業(yè)生產(chǎn)過程中的單一數(shù)據(jù)源，徹底改變了以往二維工程圖紙為最終介質(zhì)，三維模型僅為中間產(chǎn)物的研發(fā)體系?；镜腗BD數(shù)據(jù)要求見圖1。

3.2 實施MBD技術(shù)的必要性

發(fā)達國家和地區(qū)以及國內(nèi)先進行(企)業(yè)已開始步入以產(chǎn)品數(shù)字化、應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)化為特點的制造業(yè)與信息技術(shù)全面綜合集成，以互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算為核心的信息技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)加工制造技術(shù)深度融合發(fā)展(簡稱為兩化融合)的信息化建設(shè)新階段。

圖1 基本的MBD數(shù)據(jù)要求Figure 1 Basic MBD data requirements

以三維模型為核心的協(xié)同設(shè)計、工藝、制造過程技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了很高的水平，基于三維模型的數(shù)字化研發(fā)平臺得到廣泛推廣和應(yīng)用。

在航空航天和汽車領(lǐng)域已經(jīng)基本實現(xiàn)了全三維數(shù)字化樣機的工程實踐，在其制造轉(zhuǎn)型過程中發(fā)揮了重大作用。隨著全球制造業(yè)轉(zhuǎn)型大潮的襲來，基于三維模型的數(shù)字化研發(fā)平臺已經(jīng)成為企業(yè)信息化建設(shè)的熱點和要點。

基于MBD技術(shù)的研發(fā)平臺是智能化生產(chǎn)體系的核心支撐系統(tǒng)和數(shù)據(jù)來源。國內(nèi)重型裝備制造企業(yè)經(jīng)過多年的企業(yè)信息化建設(shè)，已經(jīng)建成了以PDM(管理二維CAD)、ERP、MES系統(tǒng)。但這些企業(yè)由于技術(shù)條件的限制，所建設(shè)的信息系統(tǒng)對三維設(shè)計的管理無法提供全面深入的支持，也無法滿足現(xiàn)在全面開展智能制造和數(shù)字化車間建設(shè)對產(chǎn)品數(shù)據(jù)的要求。

建設(shè)基于MBD技術(shù)的研發(fā)平臺是重型裝備制造企業(yè)推進數(shù)字化制造，進而升級成為智能化生產(chǎn)的需要。由于二維圖紙的機器不可識別性是阻礙數(shù)字化、智能化車間/企業(yè)建設(shè)的關(guān)鍵瓶頸和問題?；谌S模型的MBD技術(shù)能徹底解決機器不可識別產(chǎn)品設(shè)計信息這個問題。三維模型將作為數(shù)字化、智能化車間/企業(yè)運行的核心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一。

建設(shè)基于MBD技術(shù)的研發(fā)平臺是提升重型裝備制造企業(yè)研發(fā)水平、制造能力和產(chǎn)品質(zhì)量，降低研發(fā)成本的需要。

3.3 MBD技術(shù)的應(yīng)用架構(gòu)

重型裝備的生產(chǎn)制造過程，實質(zhì)上可以看成是對其生產(chǎn)的產(chǎn)品進行全面digital定義(數(shù)字化定義)。從上游的設(shè)計和工藝等部門向下游的生產(chǎn)和銷售等部門按需要進行各種數(shù)據(jù)傳遞，最終完成加工和裝配的產(chǎn)品可以看作是數(shù)字化定義產(chǎn)品的物理實體產(chǎn)物，而這正是形成數(shù)字雙胞胎的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

基于MBD技術(shù)在重型裝備研發(fā)領(lǐng)域的解決方案見圖2。

圖2 基于MBD技術(shù)在重型裝備研發(fā)領(lǐng)域的解決方案Figure 2 Solutions based on MBD in the process of research and development in heavy equipment

整個解決方案的核心是支持管理三維模型的PLM系統(tǒng)，在PLM系統(tǒng)的統(tǒng)一協(xié)同管理下，在各種三維軟件(CAD、CAE、CAM、CAPP)的使用規(guī)范、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、機加工工藝、焊接工藝、鑄鍛工藝、裝配工藝的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和知識庫的基礎(chǔ)上，開展基于三維MBD模型的數(shù)字化定義，讓MBD模型所附帶的幾何模型、制造數(shù)據(jù)、BOM等數(shù)據(jù)能夠全部貫穿于設(shè)計、工藝、制造和售后等業(yè)務(wù)全過程。

由于重型裝備行業(yè)的特點，其使用PDM系統(tǒng)管理的BOM結(jié)構(gòu)相對于其他行業(yè)使用的PDM也有自身特殊的要求。

作為產(chǎn)品數(shù)據(jù)組織核心的物料需要將設(shè)計數(shù)據(jù)和工藝數(shù)據(jù)組織起來；產(chǎn)品結(jié)構(gòu)BOM、制造BOM和裝配BOM上節(jié)點采取引用的方式指向基礎(chǔ)物料；制造BOM是在編制工藝的過程中自然產(chǎn)生的(不需要或很少需要用戶后期安排專人編制維護制造BOM)；物料模型通過裝配關(guān)系形成面向具體合同的單一確定結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)通過合同代號形成的結(jié)構(gòu)展示零件明細；工藝路線作為制造BOM的邏輯視圖體現(xiàn)；支持產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)多語言版本并存管理。

在PLM系統(tǒng)支持下，研發(fā)人員使用三維CAD、數(shù)字化仿真CAE和三維CAPP軟件協(xié)同工作，完成產(chǎn)品的MBD建模。

按照數(shù)字化樣機技術(shù)規(guī)范，根據(jù)產(chǎn)品性質(zhì)，在設(shè)計階段規(guī)劃數(shù)字化樣機技術(shù)的應(yīng)用深度，在單一數(shù)據(jù)源性數(shù)據(jù)條件下，實現(xiàn)各類樣機的分類及可視化的表現(xiàn)形式，并根據(jù)特殊應(yīng)用場景如大型裝配、系統(tǒng)級仿真模型進行簡化或輕量化。

采用自頂向下設(shè)計模式，解決在二維環(huán)境下自底向上模式下從局部到總體的缺陷，特別是解決各設(shè)備組件間整體的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)約束問題，功能模塊劃分的完整性及直觀性問題，可實現(xiàn)設(shè)計數(shù)據(jù)從方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計、詳細設(shè)計展開過程中的繼承關(guān)系。

重型成套裝備研發(fā)的產(chǎn)品涉及到機械、流體、電氣、控制軟件等多個系統(tǒng)仿真。具體包括了系統(tǒng)運動學(xué)、動力學(xué)仿真分析、熱力耦合分析和多物理場分析，通過成套設(shè)備的機、電、液聯(lián)合仿真實現(xiàn)設(shè)備運行狀態(tài)預(yù)測與可靠性評估。

工藝設(shè)計人員可以在PLM平臺的支持下，無縫直接利用設(shè)計產(chǎn)生的MBD模型，進行結(jié)構(gòu)化機械加工、熱工藝和裝配工藝設(shè)計，關(guān)聯(lián)產(chǎn)品、資源和工廠數(shù)據(jù)實現(xiàn)整個技術(shù)研發(fā)階段的深度數(shù)據(jù)集成。

4 結(jié)語

實施MBD技術(shù)后，對重型裝備產(chǎn)品的研發(fā)將是革命性的變革。使用MBD模式將可以貫通從結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工工藝設(shè)計到生產(chǎn)制造全過程。企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品可以在MBD技術(shù)的支持下，真正實現(xiàn)單一數(shù)據(jù)源的管理。同時，作為唯一的產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)集，實現(xiàn)了對重型裝備產(chǎn)品各種特征描述的所有定義內(nèi)容以結(jié)構(gòu)化的形式傳遞，提高了各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的協(xié)同程度，使設(shè)計、制造一體化的實現(xiàn)成為可能，從而帶動整個重型裝備制造業(yè)生產(chǎn)模式的變革。