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导读

INTRODUCTION

随着数字化技术和制造技术的发展，基于模型的定义（MBD）成为了新一代产品定义方法，它是一种全三维的基于特征的表述方法，同时还融入知识工程、过程模拟和产品标准规范等，是更为强大和易于工程师理解的定义方式。

一直以来，工程定义都需要清晰、准确和无歧义的表达。随着计算机技术的发展和广泛应用，CAD技术成为了工程表达的标准方式，是工程师们沟通的重要工程语言；随着数字化技术和制造技术的发展，基于模型的定义（MBD）成为了新一代产品定义方法，它是一种全三维的基于特征的表述方法，同时还融入知识工程、过程模拟和产品标准规范等，是更为强大和易于工程师理解的定义方式，极大地提高了产品定义的设计质量和利用效率，使数字化设计制造一体化变成现实，代表了设计技术的最新发展方向。
01

认识产品定义的新技术

MBD

在数字化制造技术的发展过程中，产品数字化定义的方式先后经历了“图纸数字化+物料表”、“3D数字建模+2D数字化图纸+物料表”、“数字样机+2D数字化图纸+物料表”，再到“基于模型的定义”的阶段。其中，基于模型的定义是将3D模型与物料表一体化定义，不再使用2D数字化图纸。
追溯MBD兴起之路，美国波音公司最先将MBD应用于新一代产品定义方法，之后美国机械工程师协会ASME在此基础上将MBD发展成国际标准ASME Y14.41-2003，欧洲国际标准化组织ISO在借鉴美国标准的基础上也制定了相应的MBD标准ISO 16792-2006，我国也参照ISO标准并结合国内制造业现状制定了GB/T 24734-2009标准。经过多年迭代，最新的MBD工程标准是ASME Y14.41-2019和ISO 16792-2015。
那么，什么是MBD呢？在以上的国际标准中并未给出MBD的具体定义。维基百科将MBD定义为：基于模型定义(MBD)有时也称为数字产品定义(DPD)，是在3D CAD软件中使用3D模型(如实体模型、3D PMI和相关元数据)来定义(为单个组件和产品装配提供规范)的实践。这些信息包括几何尺寸和公差(GD&T)、部件级材料、装配级材料清单、工程配置、设计意图等。
图1 MBD模型所包含的信息（来源：PTC）
基于MBD的潮流和发展趋势，现在主流的CAD软件厂商都认同MBD是用三维实体模型来完整表达产品定义信息的一种新方法，并都根据相关标准更新了自己的软件来适应市场的需求，例如达索系统的Catia和SolidWorks，PTC的Creo，西门子的NX，这些软件都增加了相应的MBD功能模块，主要功能可以总结为：
◉ 三维建模与标注。全三维模型是实现基于MBD设计与制造的基础，现在主流的CAD软件都支持MBD模型的建立，也支持利用三维标注模块根据MBD规范标准在产品的三维模型上定义各类产品信息。包括零件实体、工程几何、外部参考和构造几何等产品几何信息；制造、加工、检验、装配、规范等非几何信息。
◉ 公差分析。理想情况下，结构、热、模态和计算流体动力学分析等仿真分析与使用原生CAD模型的设计工作可以同时进行。CAD中的MBD模型可用于公差分析，以预测和规划制造验收率。
◉ MBD模型质量检查。由于所有的产品信息都在MBD模型中存储，保证模型数据的全面、规范、正确就很重要。检查的内容包括建模合规性、装配合规性、几何对象合规性，文件结构合规性等。
◉ MBD模型属性管理。产品属性包括材料、重量、设计签审和更改过程的信息，比如重量的自动计算、更改和版本通常由PLM管理，借助MBD模型属性管理，设计工程师无需填写工程图内容可从PLM系统自动获得并予以维护。
◉ MBD模型多视图管理。在产品三维模型上标注众多PMI后，为避免出现刺猬状的凌乱视图，MBD多视图管理应运而生，从而在CAD中创建各类不同的视图，分别表达不同阶段、不同角色的查阅需求。
可以说，现在主流的CAD软件厂商开发了的MBD功能，可以在三维模型上进行尺寸、几何公差、基准、粗糙度、技术要求等设计制造信息的标注。相较于其他工程定义方法，MBD技术的应用价值体现在：定义数据统一，避免冲突；表达直观，易于理解；便于设计重用，提升设计效率；有助于协同设计，缩短研发周期；极大缩短设计及图纸变更周期；方便衍生各类信息，更好地支持制造、质量、采购和服务需求；更有效的实现电子化传递与数据存储等。
02

走出传统产品研发困境

MBD不可或缺

传统产品研发模式问题诸多。例如在设计环节，缺乏完整、规范、准确的三维模型定义；三维模型中需要填写更多的零件基本信息；当三维模型在设计阶段发生更改时，无法及时传递至后续环节；企业内部全三维设计规范尚未建立；缺少研发过程协同与知识共享管理平台。
在工艺与制造环节，工艺与制造部门难以方便快捷地获取和浏览所需要的三维模型，难以与设计环节开展并行协作；工艺部门难以充分利用三维模型的数据进行装配、加工、检验等工艺规程的制作以及工装设计；工艺、工装、检验等业务过程中基于三维模型产生的衍生数据无法得到统一、有效管理；相关操作人员在生产现场无法基于三维模型的数据进行制造、装配、检验工作。
图2 MBD对产品研发模式的影响（来源：国睿信维）
而MBD的运用是对以“2D图纸或2D图纸+3D模型”为依据进行数据传递的传统产品研发模式的巨大变革，其影响包括对产品设计、工艺设计、产品制造、质量检测等关键业务过程的影响，也包括对供应商、合作伙伴及客户之间的上下游协同的影响，还包括对标准化、档案、信息化等管理的影响，具体阐述见图2。
03

从概念到落地

推进MBD在企业的有效实施

企业应用MBD，面临诸多问题。例如，一些企业存在设计与工艺分属不同单位，交流和沟通存在障碍，技术人员较难基于MBD获取所需要的数据信息；还有一些企业各项目的MBD标准制定都没统一，更别提上升到行业标准。再如，企业应用MBD，还需要厘清MBD与PLM系统的关系，解决数据冗余、信息有效跟踪、企业上下游格式与信息统一等问题。那么，企业究竟该如何应用MBD呢？
◉ 首先，从IT技术角度，需要统一平台。因为统一的IT应用平台不仅能减少CAD数据格式转换问题，保证企业内部使用统一的CAD系统，进而保证MBD模型在产品全生命周期各个阶段数据传递的唯一性。同时，统一的平台有利于数据模型的统一，保证MBD模型一次创建，可供多次多处使用。
◉ 其次，从流程角度，应用MBD需要考量实施效果、实现自动化工作流程、更新基础设施。在考量MBD实施效果阶段，企业需要建立量化机制，以便考量MBD的实施效果；或者借助问卷调查，在实施各阶段收集团队反馈，跟踪变化。另外，针对个人，还可以设计一系列三维模型定义的测试问题，划分类型和难度级别来考察团队的认识和技能水平，并向通过的成员颁发认证；针对企业，还可以根据美国国际标准和技术委员会定义的三维模型企业级别进行自我评估，具体指标包括几何数据定义、数据关联性、质量检测、数据管理、设计变更、技术交流等。

图3 美国国家标准和技术委员会提出的三维模型企业的级别（数据来源：MBE Maturity Capability Levels，Model Based Enterprise.org，2015 年）

在实现自动化工作流程阶段，企业的很多研发环节需要考虑自动化，如三维发布自动化、三维标注自动化、设计变更对比自动化、可制造性分析自动化。这些功能有些商业软件可以直接提供，有些需要企业在原有软件基础上二次开发。以三维发布自动化来讲，传统手动逐个发布三维PDF耗时太长，三维发布自动化有助于减轻设计师的工作量，缩短文档发布周期。
在更新基础设施阶段，企业需要根据计划实现的MBD目标，结合自身实际更新软件工具和硬件设施。例如，在软件方面，强大的设计软件能更加准确、清晰和迅速地完成三维标注，合适的技术交流软件可以输出信息丰富的三维PDF，有助于下游环节准确读取设计意图；在硬件方面，企业可以借助数字显示屏和局域网等技术来实现车间无纸化，顺利完成加工和制造任务。
◉ 第三，从标准化的角度，还需要建立企业的MBD标准体系。传统的工程定义标准并不适合MBD在企业中的应用，企业需要在项目策划、建设方案、详细设计等实际应用过程中建立MBD标准体系，具体可通过结合企业的产品特点、CAD工具、信息平台，梳理出符合企业应用要求的MBD标准体系清单，逐步建立起企业的MBD标准规范体系。
当然，MBD的应用是一项长期且复杂的工作。尤其是现在大多数企业已经建立起了一套成熟的研发体系，MBD的实施无疑是牵一发而动全身。对于企业内部，MBD的应用会涉及到设计流程、设计方法、设计管理、数据准确无损传输、设计制造检测数据信息化管理、数据的工艺和检测应用等环节的变革；对于企业外部，MBD的应用面临上下游应用的三维软件差异较大、工程模型源数据不统一等问题，因此，MBD的应用注定是缓慢的进化。目前来看，MBD的应用主要还是集中在大型企业。
04

应用案例解析

展示MBD在企业的最新实践

近年来，MBD技术已经从航空逐步应用到高端装备、精密机械、船舶、轨道交通等多个行业，并取得了突破和成效，逐步形成了行业或国家标准。目前，在制造业中，MBD技术的应用依然集中在产品设计、工艺规划、制造、检测等环节的高度协作，是企业走向智能制造和数字化转型的重要桥梁。
案例一：上海发电机厂基于MBD进行协同设计

上海发电机厂隶属于上海电气集团股份有限公司电站集团，主要从事火电、核电、燃机领域的大型发电机成套产品的研发和制造，累计制造了逾3亿千瓦的火电设备，是全球最大的火电设备供应商之一。为实现数字化转型目标，上海发电机厂计划在产业内初步推进MBSE的研发模式，以形成基于模型的数字化企业，而基于MBD的协同设计是基础。
上海发电机厂选用了NX、Teamcenter等系列产品支持基于MBD的协同设计的目标，分为三个步骤实施：第一，建立在线协同跨部门基础设计平台；第二，向后端衍生，建立结构化工艺管理平台；第三，完善价值链管理并结合项目管理完善整个协同作业流程。其中，在产品设计方面，主要通过MBD来定义和管理三维模型所包含的研发信息，并且建立相应的MBD标准，然后协同流程固化到系统中；在工艺规划方面，主要是在产品设计形成的BOM基础上，采用结构化工艺设计模式，搭建统一的三维结构化工艺管理平台，实现研发与工艺协同，实现CAD/CAE/CAM一体化。

图4 基于MBD协同设计中的分类库管理

（来源：上海发电机厂）

最终，围绕MBD，上海发电机厂将打造快速高效的产品数字化研发能力，包括建立三维在线参数化设计验证体系，加快产品研发速度；通过建立数字化设计流程及数据模型，实现数据共享和高效协同；搭建基础协同设计平台和共享数据库，实现设计数据管理、零件分类管理，设计变更管理。在此过程中，上海发电机厂对设计流程进行了重组，改变传统的组织模式和业务流程，有效缩短设计周期、提高设计质量。据悉，通过实施基于MBD的数字化设计，上海电气的产品设计实现系列化、模块化，新产品研制周期从2015年的19个月缩短到至2020年的10个月。
案例二：Veco使用MBD技术加快产品的研发

作为世界领先的电成形、化学蚀刻和激光切割技术提供商Veco，主要帮助客户解决用于生产使用传统加工无法创造的精密零件。为了更好地服务客户，Veco需要升级与加工供应商的交流方式，并从纸质工程图过渡为数字化产品制造信息 (PMI)，以节省工程时间，降低生命周期成本和提高质量。
Veco选择了SOLIDWORKS MBD解决方案，通过添加到已有的SOLIDWORKS Professional部署中，将设计和制造机器零部件所需的时间缩短了一半。例如，Veco利用SOLIDWORKS MBD显著改进产品质量，将资源集中在更快速、更具创新性的产品开发上，在新产品开发中拥有更大的灵活性；在工程图的发布方面，借助SOLIDWORKS MBD软件，Veco可以按照每个零件大约10分钟的速度发布包含丰富信息的3D PDF，其中包含进行制造所需的全部信息。

图5 Veco使用SOLIDWORKS MBD软件

发布3D PDF文档（来源：SOLIDWORKS）

此外，在与制造合作伙伴交流时，Veco可以轻松使用SOLIDWORKS MBD软件传达生产详细信息，不仅节省了大量时间，而且成本也更低——利用SOLIDWORKS MBD生成的3D PDF文档可以在免费的Adobe Acrobat Reader软件中查看PMI和GD&T数据，交流也得到显著改善，生产错误的数量也大幅减少。

案例三：NX MBD助力美菱产品研发实现效率升级

长虹美菱股份有限公司（以下简称美菱）是一家电器制造商，产品线覆盖了冰、洗、空、厨卫、小家电等全产品线，同时还进入生物医疗等新产业领域。随着家电行业竞争日趋激烈，如何缩短产品研发周期，提升研发效率就成了摆在美菱面前的一大难题。
尤其在产品设计数据以二维为主的传统模式下，三维与二维设计往往有所分离，虽然在三维设计中积累了大量的数据和规范，但没有形成基于NX的管理调用机制，产品设计的合规性检查也没有与NX软件相结合，这就导致了出图工作大量反复，多数合规检验依赖人工检查，耗时长且数据准确性难以保证，严重影响研发效率和设计质量。
为解决这些问题，美菱选择了西门子NX MBD解决方案，通过导入数字化MBD设计理念，建立三维设计规范体系与设计环境，美菱可以构建出一套符合自身需求的产品设计知识库。并通过建立零件模板库，帮助固化设计质量，大大减少了设计出图用工和差错率。同时，借助NX嵌入，美菱冰箱/柜三维平台设计还能固化设计流程，统一产品开发的设计平台和规范设计检查，为项目经理统筹全局、项目成员协同设计提供了便利。
图6 美菱采用的MBD实施步骤（来源：西门子）
通过NX MBD解决方案，美菱的工程师能够借助MBD模型和建立产品知识库，打破传统产品研发中对于工程图和三维实体模型的使用痛点，实现产品研发设计效率提升40%-50%，设计差错率降低100%的优秀成绩。未来，美菱还将借助NX产品设计知识库的力量，实现部件数据的直接调用和同步更新，实现从固化、强化到优化的设计流程升级。
案例四：中车戚墅堰基于MBD的三维工程化应用

中车戚墅堰机车有限公司（以下简称中车戚墅堰）是中国中车旗下一级子公司，是我国铁路客货运内燃机车的重要研发、制造和维修基地，产品及业务涵盖内燃机车、电力机车、城轨车辆、轨道工程装备、配件加工及维保服务等多个领域。作为铁路提速的动力先驱，中车戚墅堰从2012年开展基于MBD的三维工程化试点应用，并于2015年扩展MBD产品生命周期的应用。
中车戚墅堰主要基于三维设计工具Creo、产品设计过程及数据管理工具Windchill开展基于MBD三维工程化应用，通过基于统一的访问门户，确保设计、工艺、工装、标准化、制造、检测、展示等环节访问都基于同一三维模型的工程数据，进行基于三维的内燃机车产品研制。
具体在产品设计方面，开展了基于模型的快速设计、基于模型的标注、基于模型的检查、全三维模型展示、设计仿真与试验验证；在工艺设计方面，实现了MBOM为核心的结构化工艺设计模式，通过MBOM零部件实现各类工艺数据的关联化管理；在设计与工艺方面，构建了基于PDM的设计工艺一体化平台，实现了以MBD模型为核心的产品数据管理；在可视化方面，实现了现场通过无纸化终端查看设计模型、结构工艺规程，极大地方便了现场操作人员。
图7 基于模型的签审（来源：中车戚墅堰机车）
同时，在检测方面，一方面测量软件与Creo接口相连，可直接读取带有三维标注的MBD模型，通过选取需要测量的三维标注，直接驱动仪器测量并进行测量结果评价；另一方面，还可通过设计模型生成CMM模型，应用Creo/CMM工具进行机床设置，定义检测步骤，将后处理生成的DMIS（Dimensional Measuring Interface Specification，尺寸测量接口规范）程序传输到三坐标测量仪器驱动设备进行测量。此外，在标准规范方面，建立了内燃机车三维工程化应用标准规范体系，统一了企业基于MBD的全三维工作环境和标准，提高新产品地研制效率。
总之，作为产品数字化定义的代表技术，MBD技术的出现开启了三维数字化设计与制造一体化的全新时代。近年来，MBD技术的应用也呈现出了全新的发展趋势：MBD与CAPP技术结合，打通了基于三维环境下设计与制造之间的集成链路；MBD用于三维可视化装配，实现零部件三维标注下基本信息的自动提取以及关联各零部件的装配约束，提高产品装配的效率；MBD与PDM结合，有助于实现车间无纸化。相信未来，随着企业对MBD技术应用的不断深入，必将能大幅缩短产品研制周期并提高质量，为工程设计制造带来革命性的进步。