0 引言

    基于模型的定義 (Model Based Definition，MBD)是新一代產品定義方法。其核心思想是：基于全三維特征的表述方法和文檔的過程驅動，融入知識工程、過程模擬和產品標準規范等，用一個集成的三維實體模型可完整地表達產品定義信息。即將制造信息和設計信息“共同”定義到產品的三維數字化模型中，從而取消二維工程圖，保證設計數據的唯一性。

    MBD技術是上世紀90年代中期美國波音公司在737-NX飛機研制項目中通過構型定義與控制制造資源管理（DCAC/MRM）的應用提出的第三代設計語言，美國制造工程師協會于2003年發布了《數字化產品定義數據實踐ASME Y14.42-2003》技術標準。CATIA、SIMENS、PTC等大型三維設計軟件都開發了支持ASME Y14.41標準的功能模塊。波音等航空制造商還制訂了自己的3D開發標準，并與CATIA、Delimia軟件在產品中集成應用。眾多的二級供應商和伙伴也制訂自己的3D開發標準開始應用。

    我國在MBD技術領域，于2009年底發布，并于2010年9月開始實施國家標準GB/T 24734微字化產品定義數據通則》，致力于推行該技術。目前，國內航空領域已對MBD技術的實施前景、技術路線、管理配套等進行廣泛探討。

    低壓電器作為電網設施的執行單元和故障保護單元，需要在具有一定沖擊振動和大環境溫差變化的場合實現高精度保護特性，確保用電安全。這決定了設備的研發試制需要實現保護特性的低加工敏感性。這對設備自身結構內在變更協調，以及設計、制造、測量等環節的相互協調具有很強的依賴性。此外，伴隨著設備智能化的提高，個性化功能需求的日益增長，對從新增功能、設計變更到試制調整全過程的信息同步敏捷性要求越來越高。這決定了設備的新一代數字化模型需要具備一套模型能同時表達多重信息，支持不同環節技術人員協同工作，共享數據，并且數據更新具有很強的實時性。

    本文著重探討基于MBD構建低壓電器多層次信息模型所需要的基本元素、基礎架構及運行機理，以及利用SIMENS NX7.5和Teamcenter進行設計、試制、仿真等信息定義，以期解決研發設計與試制之間協同的初步實施思路。

1 多層次信息模型的結構框架

    低壓電器的數據信息模型，基于設備的3D模型，從執行工具、基礎數據、應用數據三個維度，逐層定義、組織、表達和應用研制過程相關的各數據信息層。每層數據依托3D模型層的拓撲結構和各自的基礎數據，通過信息分析、結構設計、仿真計算、加工測量、試驗測試等過程，生成應用數據，并統一進行3D模型的映射表達。同時，進行MBD模型與產品數據管理（PDM）系統、企業資源計劃ERP)系統的信息對接，實現層次模型對設計、研制及項目管理的驅動。其總體結構如圖1所示。

圖1 基于MBD的數字化信息模型

    1.1 基于PMI的3D標注體系

    產品和制造信息（Product and Manufacturing Information，PMI)是針對數字化產品定義，提供的產品和制造信息的具體方案。PMI應用在3DCAD或協同產品開發系統中，用于將產品部件設計的信息正確傳遞到產品制造中，包括幾何公差信息、3D注釋（文字）、表面粗糙度，以及材料規格等。PMI技術的應用將2D圖紙為主的溝通方式逐步轉變為全面標注3D模型，使3D模型與2D圖紙合理結合，作為傳遞產品和制造信息的完全認同手段，使產品設計人員能夠對3D零件或裝配標注出制造人員需要的全部信息。

    借助NX軟件的PMI應用技術，建立3D的多層次數字化模型。參照GB/T 24734的系列標準，規范化圖紙幾何表達、公差、基準、尺寸、注釋，實現3D模型與2D圖紙的合理結合。利用圖層管理技術，進行不同類型數據的分層顯示，創建各層數據的特征碼和數據鏈接規則，將不同類型數據的標注和注釋統一于3D模型上，并通過與NX集成的數據管理系統Teamcenter實現具體數據的管理。

    1.2 樣機與原理層

    提供用于待研設備總體性能及各部件性能指標確定所需的對比參考信息，同時為結構原理與技術路線的篩選和確定提供必要的信息和工具。一方面，利用自建的國內外產品信息庫，提取待研同類產品技術指標、功能等信息，通過歸一化的性能對比模板，進行知識與信息重組，形成設備總體性能對比，用于參考確定待研產品技術指標。另一方面，對待研產品進行概念性結構分解，建立初始MBD，根據試驗規程、拆機規程和分析規程等，啟動對應的系列分析指令，從樣機實物庫中提調對應樣機，開展技術分析工作。技術分析過程所形成的數據，按照產品的初始MBD結構拓撲映射，并進行PDM系統數據同步。由于設備方案設計主要依靠該層的技術方案、關鍵原理、試驗數據等信息支撐，該層將作為設備最終形態和性能指標的重要參照進行指導設計。

    1.3 專利信息層

    利用自建的國內外專利信息庫，對照待研產品的MBD結構，進行專利的檢索過濾和分類標引，并通過專利分析模板，驅動分析指令，形成對應的專利策略和自主專利預期。兩方面的數據分別按照產品的初始MBD結構拓撲映射，并進行PDM系統數據同步。由于產品技術創新的日趨激烈，該層數據將定期更新，確保專利風險管理和技術策略的有效實施。

    1.4 仿真設計層

    仿真數據信息來源于由動力學、強度、流體、電磁學、熱學等多物理領域計算軟件及二次開發程序組成的強大的CAE系統。該系統整合了針對用戶端設備研發所需要的材料屬性庫和經驗參數庫。根據設備的初步3D設計，進行所需計算評估的MBD定義分解，依托仿真模板，確定具體結構的計算指令，進行任務分發。仿真工程師接到計算任務，依次啟動計算規程、分析規程和優化規程，建立計算模型，進行數據分析，給出結構設計建議、關鍵工藝建議以及結構優化方案。所形成的數據及版本按照產品的MBD結構拓撲與3D設計方案對應版本映射，并進行PDM系統數據同步。設計工程師參照該層數據進行可行性評估和設計改進。該層信息伴隨著設計、試制、改進，將不斷進行數據更新與完善，與設計改進同步，其具體結構如圖2所示。

圖2 MBD支撐的仿真設計層結構

    1.5 試驗信息層

    數據形成于設備詳細設計階段，從局部原理驗證到整機性能測試整套試驗，依據不同類型試驗的模板所規定的試驗程序和設備參數進行技術驗證。所形成的數據及版本按照產品的MBD結構拓撲與3D設計方案對應版本映射，并進行PDM系統數據同步。

    1.6 加工/測量信息層

    經過CAE計算優化與可行性評估的模型，結構尺寸趨于完善，進一步通過輔助公差設計(Computer Aided Tolerance Design,CATD)系統進行尺寸公差設計。通過已有的基準設計模板、公差序列和設計標準，選定基準、框定公差范圍，初步確定尺寸鏈和尺寸公差方案，通過計算優化，調整尺寸鏈長度，進行公差合理分配，最終確定技術方案，包括尺寸基準、公差、關鍵尺寸序列、裝配和檢測指導意見。所形成的數據存放于加工/測量信息層，按照產品的MBD結構拓撲與3D設計方案對應版本映射，并進行PDM系統數據同步。

    此外，利用產品的MBD模型進行加工前的數字化設備建模。對設計模型進行特征識別，將設計特征轉換成加工特征，進一步生成與加工特征關聯的工藝路線及數控機床執行程序。同時，根據檢測指導在模型里定義與裝配和零件制造相關的檢測特征、尺寸公差和基準，利用檢測特征和尺寸定義和預先定義的測量規則，快速生成檢測方案，驅動激光跟蹤儀和三坐標測量機等精密測量設施進行測量對照。加工及檢測過程形成的數據按照產品的MBD結構拓撲與3D設計方案對應版本映射，并進行ERP系統數據同步。加工/測量信息層的具體結構如圖3所示。

圖3 MBD支撐的加工/測量信息層結構

2 MBD驅動的研制過程協同實例

    設備研發過程中，不同環節的技術人員需要互通信息，協同工作。利用上述基于MBD的多層次數字化模型，不同環節的技術人員按照工作需要和角色權限，分層調用模型數據并進行數據完善，真正實現不同節點的技術人員和管理人員公用一套數據，實現研制過程信息協同的立體化和實時化。

    基于MBD思想，在NX7.5和Teamcenter8.3軟件平臺上，通過定制開發的系統在某斷路器產品研制過程中的應用實例如圖4所示。如圖4(a)所示，通過產品研制項目模板在Teamcenter中創建數據拓撲，觸發研發工作任務指令，給試驗、仿真、試制、知識產權等各協同部門分發工作任務。如圖4(b)所示，在集成的NX7.5軟件中創建產品3D模型時，自動建立信息層次，不同部門的工程師公用一套3D模型，完成各自工作后，在Teamcenter系統提交任務數據，同時利用NX PMI工具在對應的圖層上完成信息注釋。不同部門的工程師，可以通過3D模型的PMI注釋及對應的Teamcenter文檔，獲取必要信息，實現整個產品研制過程的協同。

圖4 系統應用實例

3 結語

    新興的MBD方法以其嶄新的模型定義方式和信息集成方法，正逐步為制造業各領域所解讀、構建和應用嘗試。其在MBD方法向低壓電器研制的導入過程實踐中，優勢顯著：

    (1)不同協作部門公用一套數字信息模型，實現設計信息的高度集成，信息資源共享最大化；

    (2)3D模型應用從設計端向制造、檢測等各環節滲透，整個研制過程更直觀；

    (3)PMI標注的采用和信息的分層管理，使研制團隊更為專注于產品關鍵結構和關鍵工藝的完善，非關鍵結構由制造設備保證，有利于信息標準的簡化和加工成本的降低。

    MBD方法作為一種新的模型定義方法，其應用推廣并非簡單的軟件引進應用，因此在其技術探索實踐過程中，面臨著眾多挑戰：

    (1)要充分發揮統一數字信息模型的作用，需要整個管理理念的轉變及制度規范配套，讓試制和量產問題向研發階段前移，實現整個研發過程的并行工程；

    (2)要實現產品研制過程的全面3D化，對傳統制造方法和裝備逐步進行更新換代，如對制造、測量、試驗等環節的計算機設施、通信設備以及數字化制造裝備等進行設備和相關技術的配套；

    (3)盡管國外大型的設計軟件和數據管理軟件已發布了若干適用于MBD方法的技術功能，但總體上還處于發展階段，很多具體功能、數據接口等需要開發定制投入。

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本文標題：基于MBD的低壓電器多層次信息架構探討

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