基于MBD的生產(chǎn)制造模式探索

陳海洋

摘? 要：MBD是一種基于模型的工程表達(dá)語(yǔ)言，用一個(gè)集成的三維實(shí)體模型完整表達(dá)了產(chǎn)品的定義信息，目前MBD技術(shù)在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用已日趨成熟，但是在生產(chǎn)制造過(guò)程中，由于生產(chǎn)條件的多樣性、生產(chǎn)環(huán)節(jié)的復(fù)雜性，一直以來(lái)并未得到很好的推廣應(yīng)用，文章通過(guò)對(duì)生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的人機(jī)料法環(huán)測(cè)六個(gè)方面，探討了MBD技術(shù)在各環(huán)節(jié)中的傳遞與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)MBD技術(shù)在產(chǎn)品三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造全流程中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：MBD;生產(chǎn)制造;數(shù)字化

1.引言

在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)人員與制造人員之間的技術(shù)溝通，將設(shè)計(jì)意圖準(zhǔn)確地傳遞到生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，早在17世紀(jì)，法國(guó)科學(xué)家蒙日便提出了以投影幾何為主線(xiàn)的畫(huà)法幾何，從而成為了機(jī)械制造領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)定義語(yǔ)言。后來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，從20世紀(jì)60年代起，又出現(xiàn)了以AutoCAD為代表的二維CAD軟件，實(shí)現(xiàn)了從手工繪制工程圖到計(jì)算機(jī)繪制的轉(zhuǎn)變。到了20世紀(jì)90年代，隨著三維建模技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，出現(xiàn)了基于三維模型的產(chǎn)品定義表達(dá)，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(fā)展，這種基于模型的工程定義語(yǔ)言，即MBD（Model Based Definition）技術(shù)[1]。

MBD用一個(gè)集成的三維實(shí)體模型完整表達(dá)了產(chǎn)品的定義信息，它詳細(xì)規(guī)定了三維實(shí)體模型中產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征、尺寸公差等工藝信息，MBD技術(shù)改變了傳統(tǒng)由二維工程圖紙來(lái)描述幾何形狀信息的方法，而用三維實(shí)體模型來(lái)定義特征、尺寸、公差和工藝信息，被認(rèn)為是第三代產(chǎn)品設(shè)計(jì)語(yǔ)言，極大的提高了產(chǎn)品信息的表達(dá)直觀性[2]。并且，借助于數(shù)字仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于模型的設(shè)計(jì)仿真分析，縮短了復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)驗(yàn)證周期，借助于數(shù)控加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于模型的數(shù)控智能制造，縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)制造周期。

目前，MBD技術(shù)在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用已日趨成熟，但是在生產(chǎn)制造階段，由于生產(chǎn)條件的多樣性、生產(chǎn)環(huán)節(jié)的復(fù)雜性，MBD技術(shù)還沒(méi)得到有效的推廣應(yīng)用，尤其是在工藝、檢驗(yàn)與非數(shù)控加工等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，MBD的應(yīng)用尚還缺乏相應(yīng)的規(guī)范與解決方案。因此，文章通過(guò)對(duì)生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的人機(jī)料法環(huán)測(cè)六個(gè)方面，分析了MBD技術(shù)在各環(huán)節(jié)中的傳遞與應(yīng)用，力求探索MBD技術(shù)在產(chǎn)品三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造全流程中的應(yīng)用。

2.MBD生產(chǎn)制造模式建設(shè)

產(chǎn)品的生產(chǎn)制造實(shí)質(zhì)上就是產(chǎn)品根據(jù)圖紙實(shí)體化的過(guò)程，按照全面質(zhì)量管理的理論，產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)主要包括“人、機(jī)、料、法、環(huán)”五個(gè)主要因素，其中為了達(dá)到對(duì)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，形成閉環(huán)控制，又引入了“測(cè)”因素，形成了5M1E的管理理論。因此要實(shí)現(xiàn)基于MBD的生產(chǎn)制造，就必須針對(duì)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的這六個(gè)要素，探索MBD技術(shù)應(yīng)用的解決方案。

2.1 人

“人”是產(chǎn)品生產(chǎn)制造活動(dòng)中的能動(dòng)者，既包括一線(xiàn)操作者，也包括管理者，在質(zhì)量管理理論中，“人”是管理中討論的重點(diǎn)。相比較以二維工程圖為依據(jù)的生產(chǎn)模式，在MBD生產(chǎn)制造模式中，不變的是“人”的工作分工、工作內(nèi)容，改變的是工作所依據(jù)的數(shù)據(jù)的形式，從傳統(tǒng)的二維工程圖變成了三維數(shù)字化模型，如何查看數(shù)據(jù)模型、處理數(shù)據(jù)模型、使用數(shù)據(jù)模型，這就對(duì)“人”的技能有了新的要求，顯然必要的技能培訓(xùn)是不可缺少的，但是由于人員的知識(shí)層次不同，通常培訓(xùn)可能也不能解決生產(chǎn)中的每一個(gè)環(huán)節(jié)，這就要求根據(jù)企業(yè)產(chǎn)品特點(diǎn)，根據(jù)業(yè)務(wù)情況重新劃分職責(zé)分工，有取舍的改變?nèi)瞬艑哟谓Y(jié)構(gòu)。

在MBD建設(shè)過(guò)程中，由于生產(chǎn)模式的變更，必然會(huì)與現(xiàn)有的生產(chǎn)組織管理模式產(chǎn)生沖突，也難免遭遇各方面人員的抵觸情節(jié)，因此，MBD建設(shè)離不開(kāi)單位領(lǐng)導(dǎo)的絕對(duì)支持，不光是人力、物力、財(cái)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(jī)

“機(jī)”就是指生產(chǎn)中所使用的設(shè)備、工具等輔助生產(chǎn)用具。無(wú)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(shí)都只是描述產(chǎn)品狀態(tài)要求的一種語(yǔ)言形式，生產(chǎn)中，真正將圖紙轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品的手段工具仍然是設(shè)備、工具等，也就是我們所說(shuō)的“機(jī)”，因此單純的基于三維模型的MBD技術(shù)，也許可能會(huì)提高設(shè)計(jì)效率，也可能會(huì)改善管理質(zhì)量，但一定不會(huì)改變生產(chǎn)加工效率，只有在MBD技術(shù)與生產(chǎn)設(shè)備相輔相成時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字化技術(shù)的智能化制造，從而提高生產(chǎn)效率與質(zhì)量。例如，MBD技術(shù)是基于三維模型的一種數(shù)字化語(yǔ)言表達(dá)技術(shù)，但是在傳統(tǒng)的手工作業(yè)、非數(shù)控加工中，數(shù)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(shù)控加工、自動(dòng)化流水線(xiàn)作業(yè)中，由于設(shè)備本身采用的就是數(shù)字化信息進(jìn)行處理，MBD技術(shù)的引入就如同如虎添翼。因此，選擇基于MBD生產(chǎn)制造模式，就需要建設(shè)與之相匹配的自動(dòng)化設(shè)備，同步完成對(duì)“機(jī)”的更新?lián)Q代，正所謂沒(méi)有三維數(shù)字化技術(shù)支持的自動(dòng)化設(shè)備是難以物盡其用的，沒(méi)有自動(dòng)化設(shè)備為基礎(chǔ)的三維數(shù)字化建設(shè)也是沒(méi)有意義的。

2.3 料

“料”指物料，半成品、配件、原料等產(chǎn)品用料。在MBD生產(chǎn)制造模式中，產(chǎn)品制造所需的物料清單是通過(guò)BOM（Bill of Material）進(jìn)行表達(dá)，產(chǎn)品BOM按照實(shí)現(xiàn)階段主要包括EBOM（工程設(shè)計(jì)階段的BOM）、PBOM（產(chǎn)品工藝計(jì)劃階段的BOM）、MBOM（生產(chǎn)制造階段的BOM），其中MBOM作為制造部門(mén)主要數(shù)據(jù)，是在PBOM的基礎(chǔ)上，增加詳細(xì)的工藝路線(xiàn)、材料定額、制造資源等信息。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，MBD生產(chǎn)制造模式中的“料”與基于二維工程圖為依據(jù)的生產(chǎn)模式并無(wú)不同。但是由于MBD采用了三維技術(shù)，在工藝仿真、加工仿真方面，解決了傳統(tǒng)二維工程圖無(wú)法解決的虛擬仿真難題，因此與二維工程圖為依據(jù)的生產(chǎn)模式相比，MBD生產(chǎn)制造模式的“料”還應(yīng)包括虛擬仿真所需的三維模型資源庫(kù)，例如機(jī)床模型資源庫(kù)、刀具模型資源庫(kù)、工具夾具資源庫(kù)等，完善的資源庫(kù)是進(jìn)行MBD仿真應(yīng)用的前提條件。

2.4 法

“法”即法則，指生產(chǎn)過(guò)程中所需遵循的規(guī)章制度。在MBD生產(chǎn)制造模式中，三維數(shù)字化模型代替了傳統(tǒng)的二維工程圖，虛擬介質(zhì)代替了紙質(zhì)文檔，因此在管理的上的規(guī)章制度也必須做相應(yīng)的調(diào)整改變，這既包括基于基于數(shù)字化技術(shù)的管理標(biāo)準(zhǔn)，也包括基于基于三維模型的技術(shù)規(guī)范。雖然，早在1997年，美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)就發(fā)起了三維標(biāo)注技術(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)化的研究，并于2003年形成了美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)ASMEY14.41-2003《數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)實(shí)施規(guī)程》，到了2006年，ISO借鑒ASMEY14.41-2003制定了ISO標(biāo)準(zhǔn)草案ISO16792：2006《技術(shù)產(chǎn)品文件 數(shù)字產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則》，2009年，我國(guó)SAC/TC 146“全國(guó)技術(shù)產(chǎn)品文件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)”以ISO16792：2006標(biāo)準(zhǔn)為藍(lán)本，制定了GB/T24734.1～.11-2009《技術(shù)產(chǎn)品文件數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則》系列標(biāo)準(zhǔn)，但是由于MBD技術(shù)尚還處在摸索發(fā)展階段，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)體系并不夠健全，一時(shí)間還難以適應(yīng)各行各業(yè)的不同需求，尤其是在三維工藝、三維制造、三維檢驗(yàn)等生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，可參考的標(biāo)準(zhǔn)更是乏善可陳，但是標(biāo)準(zhǔn)是約束企業(yè)行為的依據(jù)，也是企業(yè)管理水平的體現(xiàn)，因此建設(shè)必要的基于MBD模式的生產(chǎn)制造標(biāo)準(zhǔn)，依然應(yīng)該是企業(yè)MBD建設(shè)的重點(diǎn)。

2.5 環(huán)

“環(huán)”指生產(chǎn)加工的環(huán)境。在基于MBD的生產(chǎn)制造模式中，除了必要的廠房、辦公室等生產(chǎn)環(huán)境外，由于采用了數(shù)字化信息傳遞模式，因此基于數(shù)字化信息傳遞的信息化建設(shè)是不可避免的，如何讓數(shù)據(jù)在信息系統(tǒng)中貫穿設(shè)計(jì)、工藝、定額、計(jì)劃、檢驗(yàn)、加工、庫(kù)管等各個(gè)環(huán)節(jié)，是MBD建設(shè)必須解決的問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，基于MBD的信息化建設(shè)是MBD建設(shè)過(guò)程中工作量最大、工作內(nèi)容最復(fù)雜、投入成本最高的建設(shè)部分，信息化的建設(shè)程度也是衡量一個(gè)企業(yè)現(xiàn)代化水平的重要指標(biāo)。目前，基于MBD的信息化建設(shè)的主干通常包括DM（項(xiàng)目管理系統(tǒng)）、MDM（主數(shù)據(jù)系統(tǒng)）、PLM（產(chǎn)品管理系統(tǒng)）、ERP（生產(chǎn)管理系統(tǒng)）、MES（生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)）這5大系統(tǒng)，并以其為基礎(chǔ)，將設(shè)計(jì)工藝、定額、計(jì)劃、檢驗(yàn)、加工、庫(kù)管等終端軟件接入平臺(tái)，形成一個(gè)聯(lián)通的信息網(wǎng)絡(luò)。

2.6 測(cè)

“測(cè)”主要指測(cè)量工具、測(cè)量方法、測(cè)量人。“測(cè)”雖然不是產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的直接環(huán)節(jié)，但卻是監(jiān)督制造過(guò)程、保證產(chǎn)品質(zhì)量不可缺少的環(huán)節(jié)。在基于MBD的生產(chǎn)制造模式中，由于三維模型的引入，使得基于模型的三坐標(biāo)檢驗(yàn)、激光點(diǎn)陣掃描檢測(cè)等先進(jìn)的檢驗(yàn)手段的應(yīng)用成為了可能，不僅提高了檢驗(yàn)效率，也提高了檢驗(yàn)精度，尤其是對(duì)一些大型復(fù)雜產(chǎn)品的檢驗(yàn)，以二維圖紙為檢驗(yàn)依據(jù)的傳統(tǒng)檢驗(yàn)手段早已無(wú)法滿(mǎn)足日趨復(fù)雜化、精密化、大型化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)需求，因此基于三維信息化的檢驗(yàn)必然是未來(lái)檢驗(yàn)手段的發(fā)展方向。

3. 總結(jié)

目前，由于生產(chǎn)條件的多樣性、生產(chǎn)環(huán)節(jié)的復(fù)雜性，基于三維模型的數(shù)字化信息傳遞還很難貫穿在產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的全流程，尤其是對(duì)于一些非數(shù)控加工的手工作業(yè)環(huán)節(jié)，基于三維模型的數(shù)字化信息傳遞與應(yīng)用還存在較多的困難，因此國(guó)內(nèi)大多數(shù)企業(yè)還是采用二維與三維相輔相成的管理模式。但是從設(shè)計(jì)制造的發(fā)展方向來(lái)看，基于三維模型的MBD技術(shù)取代傳統(tǒng)的二維工程圖已是大勢(shì)所趨，當(dāng)然這還將是一個(gè)長(zhǎng)期且復(fù)雜的過(guò)程，需要伴隨著CAD技術(shù)的不斷發(fā)展以及MBD技術(shù)不斷的完善，終將會(huì)為機(jī)械設(shè)計(jì)制造帶來(lái)革命性的進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

[1]范玉清，梅中義，陶劍.大型飛機(jī)數(shù)字化制造工程[M].北京：航空工業(yè)出版社，2011.

[2]田富君，陳興玉.MBD環(huán)境下的三維機(jī)加工藝設(shè)計(jì)技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2014，20（11）：2690-2696.