1704006046
工业4.0实战：装备制造业数字化之道 [:1704005725]
1704006047
工业4.0实战：装备制造业数字化之道 第2章 从MBD走向MBE
1704006048
1704006049
2.1 概述
1704006050
1704006051
当前，国内外大型装备制造企业的数字化技术发展迅速，三维数字化设计技术得到了广泛的应用，基于模型定义（Model-Based Definition，MBD）的数字化设计与制造技术已经成为制造业信息化的发展趋势。MBD是产品数字化定义的先进方法，它是指产品定义的各类信息按照模型的方式组织，其核心内容是产品的几何模型，所有相关的工艺描述信息、属性信息、管理信息等都附着在产品的三维模型中，一般情况下不再需要二维工程图纸。MBD改变了传统的由三维实体模型来描述几何信息，用二维工程图纸来定义尺寸、公差和工艺信息的产品数字化定义方法。同时，MBD使三维数模作为生产制造过程中的唯一依据，改变了传统以二维工程图纸为主、以三维实体模型为辅的制造方法。
1704006052
1704006053
目前，国外MBD技术的应用已经比较成熟，如波音公司在以波音787为代表的新型客机研制过程中，全面采用了MBD技术，将三维产品制造信息与三维设计信息共同定义到产品的三维模型中，摒弃二维图样，将MBD模型作为制造的唯一依据，开创了飞机数字化设计制造的崭新模式。
1704006054
1704006055
近年来，国内大型装备制造企业已认识到MBD技术的优势，并逐步开始应用MBD技术进行产品设计，并将MBD模型作为制造的唯一依据。
1704006056
1704006057
但仅仅是MBD还无法完全实现最初提出的提高大型复杂系统的设计质量，减少制造交货时间，以及减少工程变更、减少产品缺陷、提高首次质量等目标。为了更好地使MBD数据在产品的整个生命周期内能够有效充分地进行利用，很多大型装备提供商、供应商通过不同的型号项目开始研究、验证和应用MBE（Model Based Enterprise，基于模型的企业）方法，就是要基于MBD在整个企业和供应链范围内建立一个集成和协同化的环境，各业务环节充分利用已有的MBD单一数据源开展工作，从而有效地缩短整个产品研制周期，改善生产现场工作环境，提高产品质量和生产效率。MBE也获得了美国国防部、美国陆军研究实验室等代表客户方单位的大力支持，并在某些大型项目中提供相关的帮助，不仅对MBD/MBE进行了系统的阐述和研究，同时，也通过国家项目进行资助和验证。
1704006058
1704006059
美国“下一代制造技术计划（The Next Generation Manufacturing Technologies Initiative，简称NGMTI）”是美国军方和重要制造企业合作发展制造技术的计划，旨在加速制造技术突破性发展，以加强国防工业的基础和改善美国制造企业在全球经济竞争中的地位。该计划于2005年提出，将于2016年部分完成。NGMTI计划定义的美国下一代制造技术共有6个目标，其中第一个就是“基于模型的企业（Model-Based Enterprise，简称MBE）”，其发展历程见图2-1。“基于模型的企业”项目将由美国爱荷华大学牵头，并由Rockwell Collins公司和雷神导弹系统公司资助。
1704006060
1704006061
1704006062
1704006063
1704006064
图2-1 MBE发展历程
1704006065
1704006066
NGMTI提出的“基于模型的企业”是一种制造实体，它采用建模与仿真技术对设计、制造、产品支持的全部技术和业务的流程进行彻底改造、无缝集成以及战略管理；利用产品和过程模型来定义、执行、控制和管理企业的全部过程；并采用科学的模拟与分析工具，在产品生命周期的每一步做出最佳决策，从根本上减少产品创新、开发、制造和支持的时间和成本。
1704006067
1704006068
这个被美国国防部提出的词语和内涵，慢慢的也被很多商业公司所采纳。“基于模型的企业”已成为这种先进制造方法的具体体现，它的进展代表了数字化制造的未来。美国国防部和国家标准和技术研究所在2009年12月举行了“基于模型的企业”首脑会议和数据包（MBE/TDP）技术研讨会。会议汇集了超过75个专业课题方向的专家，针对国防部和其供应商如何有效处理技术数据提出更改建议。未来的变化都需要支持国防部过渡到基于数字模型而不是二维图纸的全生命周期管理。
1704006069
1704006070
MBE的核心内涵：基于模型的定义（Model-Based Definition，简称MBD）是核心；MBD数据创建一次并能被后续各业务环节直接使用；MBD模型作为配置的基础，并在此基础上对MBE的外延进行了扩展和说明，其中基于模型的系统工程和基于模型的维护是基于模型企业的应用和实践方向。
1704006071
1704006072
MBE的相关组成主要分为三大部分（见图2-2）：基于模型的工程（Model-Based Engine-ering，简称MBe）、基于模型的数字化制造（Model Based Manufacturing，简称MBM）、基于模型的维护（Model Based Sustainment，简称MBS）。其中基于模型的工程是整个MBE实施的基础，特别大家比较熟悉的MBD也是基于模型工程的重要组成。
1704006073
1704006074
1704006075
1704006076
1704006077
图2-2 MBE三大组成
1704006078
1704006079
2.1.1 基于模型的工程MBe
1704006080
1704006081
基于模型的工程是将模型作为技术基线的不可分割的一部分，包括整个生命周期中需求、分析、设计、实施和验证的能力，丰富了以前仅以MBD作为基于模型工程的一个独立部分，且也将基于模型的系统工程（Model Based System Engineering，简称MBSE）作为MBE的一个完善和未来的发展方向之一。
1704006082
1704006083
·基于模型的系统工程MBSE：系统工程国际理事会（INCOSE）出版了系统工程2020年远景规划，提出了从过去以文档为中心的方法转向未来基于模型的方法的发展路径。INCOSE MBSE制定了一个路线图，重点标示出为实现2020年的远景规划，将MBSE的标准的制定作为努力的关键领域。MBSE是正式的建模应用程序，用以支持开始于概念设计阶段的系统需求、设计、分析、验证和确认。可以说系统工程（System Engineering，简称SE）是对整个产品的开发、部署和处置阶段的设计决策的协调，MBSE是一个接口，可以被认为是“将不同阶段黏合在一起”的一个系统化的方式。最近系统建模标准开始对MBSE应用和使用产生重大影响。对象管理集团（OMG）的系统建模语言（SysMLTM）是一种通用的，用于特定的设计、分析和验证复杂系统的图形化建模语言，在2006年由OMG采纳并已被广泛实施在MBSE支持工具中。SysMLTM是一个更广泛的家族，是包括XML元数据交换（XMI）在内的由对象管理集团正在开发的标准的一部分。本标准规定了建模工具与XML格式文件之间的信息交互手段。ISO 10303-233应用协议系统工程（AP233）是一种数据交换的标准协议，以支持许多不同的SE工具之间的工程数据交换。事实上，AP233和SysMLTM的要求已在很大程度上由OMG和ISO的团队一起保持一致，并与INCOSE模型驱动的系统设计工作组密切合作。模型和数据交换在推进MBSE实践以实现不同建模领域的一体化水平中是必不可少的。
1704006084
1704006085
·基于模型的定义MBD：是指用集成的三维模型完整地表达产品定义信息，将设计信息和制造信息共同定义到产品的三维数字化模型中，以改变目前三维模型和二维工程图共存的局面，更好地保证产品定义数据的唯一性。
1704006086
1704006087
基于三维模型定义的核心是将产品三维模型打造为传递到下游生产活动所需详细信息的最恰当的载体，企业所有部门和团队都使用三维模型作为信息传递途径。
1704006088
1704006089
MBD数字模型的价值与产品的复杂程度成正比。如果用二维图纸描述复杂产品，则需要很多时间来培训使用者，以理解其复杂的结构与组织。有了三维MBD数据集，对专门技能的要求可以适当降低，使用者通过对模型进行平移、旋转和缩放就能够很容易地理解产品几何特征和相应的尺寸、公差。MBD数据集还可以表示隐含的信息，进行剖切或特定的测量。在三维模型加二维图纸的定义模式下，三维模型上并没有检验要求的描述，有关产品检验信息标注在二维图纸上。而应用MBD方法，可大大简化检验过程，应用基于三维模型的检验软件，直接读取三维模型上的尺寸和公差数据，在编制检验程序时，使用者的输入达到最小。利用便携式的坐标测量装置，可使检验深入到更多的制造环节中，能及时发现制造缺陷和不合格产品，在后续加工之前就将废品淘汰，避免进一步损失。基于MBD的产品研制方法将质量保证部门纳入到MBD技术体系中，使得产品设计制造形成具有反馈的封闭环，缩短了新产品研制周期，降低了研制成本。
1704006090
1704006091
针对MBD数字模型的表达，美国机械工程师协会从1997年1月发起关于三维模型标注标准的起草工作，以解决图纸与信息系统传输之间的矛盾。此标准于2003年7月被美国机械工程师协会接纳为新标准（ASME Y14.41）。随后，Siemens、PTC、Dassault等公司将该标准应用于各自的CAD系统中，对三维标注进行了支持。作为该项技术的发起者之一，波音公司在787项目中开始推广使用该项技术，从设计开始，波音公司作为上游企业，全面在合作伙伴中推行MBD技术。波音公司采用MBD技术后，在生产管理和生产效率上取得了本质的飞跃。
1704006092
1704006093
通过应用MBD技术可以为企业带来的好处包括：
1704006094
1704006095
·当制造工程师使用3D模型时，将大大减少物理样机的制造；