基于西门子UG平台的MBD(基于模型的定义)业务模式分析

2024年3月1日发(作者：长烟落日孤城闭)

基于西门子UG平台的MBD（基于模型的定义）业务模式分析发布时间：2022-11-07T07:40:57.268Z 来源：《科技新时代》2022年6月第12期 作者： 刘健, 李岳峰, 石雷[导读] MBD最早由波音公司提出，并在B787研制中首次成功使用，CATIA公司同步开发了相关软件工具，西门子公司后续也开发有相关功能模块 刘健, 李岳峰, 石雷 (洛阳电光设备研究所，河南洛阳 471000)

摘 要：MBD最早由波音公司提出，并在B787研制中首次成功使用，CATIA公司同步开发了相关软件工具，西门子公司后续也开发有相关功能模块。目前，基于西门子公司UG平台的MBD技术逐步成熟，本文着重分析了MBD业务模式在UG平台下的技术实现，以及对现有研发生产模式带来的挑战。最后对MBD业务推进给出了一些具体的建议。

关 键 词：MBD、UG NX、TCUA、PDM

0 引言

基于模型的的定义（Mode Bad Definition，缩写为MBD）是将产品的所有相关工艺描述、属性、管理等信息都附着在产品三维模型中的先进数字化定义方法，是数字化、信息化的关键技术[1]。航空工业标准QAVIC 01800-2001 《基于模型的定义 通用要求》对MBD的定义是“由精确几何实体、相关3D几何、3D标注及属性构成的数据集的完整的产品定义”。

狭义上，MBD仅仅是一种产品定义的方法/技术。传统的产品定义方法是使用二维工程图（包括手工绘图、计算机辅助制图）。随着计算机的出现，人们逐步把三维模型引入到工程定义中，三维模型的地位从参考、辅助（3D+2D），过渡到主导地位（MBD），如图1所示。图1 产品定义方式的发展历程 实际上，由于产品研发生产体系是牵一发而动全身的，改变了产品的定义方式也就改变了业务模式。也就是说，MBD不仅仅是一种技术，实施MBD既是信息化建设，也是管理变革。

MBD技术最早由波音公司提出，并在B787研制中首次成功使用，CATIA公司同步开发了相关软件工具，西门子公司 UG NX后续也开发有相关功能模块。近年来，基于西门子产品线的MBD正趋向成熟，本文对基于西门子UG平台的MBD业务模式进行全面分析。

1 MBD国内外研究现状

MBD技术最初由波音公司提出并实现，已在国外先进航空航天企业得到推广。

目前，国外将MBD技术作为MBE（基于模型的企业）的基础技术来对待。其思想是：以MBD为核心，以MBSE为驱动，采用建模与仿真技术对产品设计、制造、产品支持相关流程进行彻底的改进，无缝集成，提升产品研制生产管理能力。代表公司有洛克希德.马丁、雷神公司。例如雷神公司的MBE发展路线图如下：

2011年，MBD，完成MBD标准编制、全生命周期模型MBD案例以及可视化工具开发；

2012年，MBM（基于模型的制造），数据流打通、模型用于生产制造；

2013年，MBSE（基于模型的系统工程），虚拟验证、需求分解及传递，验证情况与PDM系统关联；

2014年，MBLCS（全生命周期支持/服务），MBD用于服务手册、产品维护基线。

国内，基于CATIA的MBD技术应用较为成熟，而基于UG NX的MBD应用一直在持续探索中，直到2017-2018年才取得明显进展。较为成功的案例如下：a）九州电器公司开展了九洲电器设计工艺制造一体化平台建设实践，MBD试点取得了初步成功。

b）龙江广瀚，基于UG NX，MBD项目作为整个数字化信息化平台建设的一部分，数据流已打通，有待大批量生产检验。

总体说来，国内基于UG平台的MBD尚存在如下问题：

a） 全面实现MBD技术的单位少之又少，多数单位停留在对MBD技术的验证阶段，仅少数单位在MBD技术应用上收到较好成效；

b）普遍缺乏MBD相关标准，传统业务模式没有发生根本性改变；而MBD标准与设计软件、企业业务需求息息相关，现有NX软件已不能满足MBD技术要求；设计、工艺、生产、检验等环节对相关标准理解和执行也不到位。

c） 因MBD技术、质量体系要求、加工和检验设备限制，多数单位除了MBD的设计PMI信息外，需再次对模型进行全尺寸标注，工作量较大；需要增加对加工、检验工艺人员数量投入；d） 若实现MBD技术，需要升级UG NX、TCUA，购置检测软件和三坐标检测仪等,对PDM、3D CAPP、MES、ERP等系统进行集成，投入较大。

2 MBD业务模式

按照数据/产品的产生、流转过程，MBD业务主要分为如下几个部分：

2.1 设计 一般认为，MBD主要是对结构零件三维模型进行数字化定义。但是，如果将MBD作为一种模式来看待，MBD不仅仅是对结构模型进行定义，实际上是对所有的产品数据进行定义，是，实现了虚拟样机向实物样机的转换。 传统的工程图模式（3D+2D）下，工程图纸是生产的唯一依据，三维模型的作用是便于理解产品外形，仅作参考。

MBD模式，数字模型是加工生产的依据。技术要求、工艺信息等以注释、属性等方式关联到三维模型上。

在实施MBD时，模型标注原则是所有尺寸全标注还是仅标注重要尺寸及形位公差存在较多争议。《基于模型的定义 通用要求》（HB20280-2016）中对此要求如下：“仅当需要详细说明设计意图想要表达的特性或公差要求时，才在模型上进行尺寸标注。未注尺寸信息可通过模型值查询获取”。因此，应该是仅标注重要尺寸。但是在实际执行过程中，由于检验、厂所工作界面划分等多种原因，也存在所有尺寸全标注的情况。 设计数据的管理，通过产品数据管理系统（PDM）进行，目前TCUA11+ UG NX11对在模型的三维标注（PMI）、数据传递方面有较大改进，是现阶段实施MBD的主要方式。低版本的UG NX7.5的三维标注部分功能缺失，PMI数据向下游传递方面存在问题，较少采用。

2.2 工艺 传统的工程图模式（3D+2D）下，工艺设计的数据来源是工程图纸，输出主要是工艺路线、工艺规程，工艺规程也以工艺卡片（图纸）的形式传递到生产现场。 MBD模式下，工艺设计的数据来源是数字模型，输出物以数字化的工序模型和电子工艺规程为主，纸质工艺、附图为辅。

传统的工程图模式（3D+2D）下，设计图纸、工艺用图号来对应。而MBD模式下，设计图纸与工艺文件通过BOM实现关联，设计的EBOM与工艺的PBOM之间通过信息系统实现关联，设计数据与工艺数据之间可追溯。这也是MBD统一数据源的一个方面。在实施MBD时，由于EBOM与PBOM关联，当EBOM变更时，PBOM需要升版，人工处理工作量大，需要系统能够实现版本对照自动对照，如果EBOM的变更不影响PBOM则不宜对PBOM进行变更。

传统的工程图模式（3D+2D）下，二维工艺数据存储在一套独立的系统中，例如金叶、开目等工艺设计管理系统。在MBD模式下，三维工艺数据需要与PDM系统关联，合理的解决方案是直接存储在同一套PDM系统（产品数据管理系统）中，也即广义的PLM（产品生命周期数据管理）。 对于三维加工工艺的编制（3D CAPP），需要在设计模型基础上进行工艺设计，建立工艺模型，编制工艺卡、数控程序。虽然TCUA支持3D工艺的编制（西门子公司只提供了架构），但是只有功能架构，产品不够完善，因此存在多种解决方案：

a）第一种解决方案是，使用TCUA的3D CAPP架构，开发3D CAPP工具软件，与TCUA集成；

b）第二种方案是，不使用TCUA的3D CAPP架构，开发独立的3D CAPP软件，再与TCUA集成。

第一种解决方案的探索过程中有两条技术路线：a）使用UG NX编制工艺卡的技术路线。可以实现工艺编制、存储。但是由于需要创建大量工艺三维模型，模型数据需要不停地在UG NX、TCUA之间传递，系统不稳定，效率低。

b）使用TCUA编制工艺路线、UG NX创建工艺模型的技术路线。该技术路线效率较高。使用TCUA接收设计EBOM数据，手动/自动转换成PBOM，创建工艺路线；工艺模型则采用“总工艺模型”的方式，只创建一个“总工艺模型”，各个工序模型则通过按序调用“总工艺模型”的建模特征自动生成，提升了工艺模型创建效率。对于装配工艺的编制，技术实现情况较好。例如开目CAPP的结构化工艺，可以设计、管理各个专业的工艺。

2.3 加工制造 加工制造涉及较多的管理系统，主要有MES（制造执行系统）、ERP/MRP。其中，MES用于生产管控，如任务调度安排。ERP/MRP则主要管理物料，进行财务管理。 按照MBD，生产现场以电子文件为主，纸质文档为辅，生产现场需要配备电脑，连接信息系统。

PDM工艺数据和设计数据传递到生产现场，一般需要进行轻量化处理，经转换后，传递到MES系统。轻量化数据方式，有JT、3DPDF。TCUA的轻量化数据为JT格式，需要使用专业版JT，才能在JT上对模型进行批注、测量等操作。开目CAPP系统的轻量化格式，轻量化效果好，但是专有格式。 PDM工艺数据和设计数据传递到生产现场也可以不进行轻量化，直接在生产现场连接PDM系统，根据生产现场工位情况，需要增加TCUA、UG Licen。如果通过OA传递模型，不连PDM系统，则不需要TCUA、UG的Licen。

对于数控程序DNC生成，传统的工程图模式（3D+2D）下，需要新建三维模型，或者对三维模型进行修改，再行创建数控程序。在MBD模式下，直接依据三维模型创建数控程序。

对于外协零件加工，数据传递到外协单位，将不再以图纸为载体，将使用MBD的三维模型+表单，表单信息来自于数字模型，通过提取/转换得到。为了提升效率，建议不编制外协工艺。

2.4 零件检验 零件检验有手工检验、三坐标仪、轮廓扫描仪等多种检验方式。传统的工程图模式（3D+2D）下，主要依靠手工检验、三坐标检测仪。MBD模式下，以三坐标检测仪为主，手工检验为辅。通过自动化软件，可以实现对模型PMI的自动提取，自动/手动生成三坐标仪检测程序。 与前述模型标注原则对应，如果采用仅标注重要尺寸的方式，则未注尺寸的处理则需要重点考虑。首先需要考虑未注尺寸是否检测，如果需要检测则如何检测。 如果三坐标仪可自动识别未注尺寸，则可自动检测。 如果无法自动识别，手工重新标注全部尺寸则效率较低。相对提升效率的检测方法是使用轮廓扫描仪。较高的轮廓扫描仪尺寸精度大约为0.2-0.3mm，因此，需要修改相关的技术标准，对于不重要的尺寸允许较高的尺寸误差范围。轮廓扫描仪虽然效率较高，但使用上也有限制：检测空间受限，对内腔扫描难度大；蓝光轮廓扫描仪需要涂覆相关材料，需要清洗。2.5 装配、调试 产品装配、调试现场与零件加工制造情况类似，需要通过MES系统传递工艺数据。需要借助3D Cortona、3D PDF、 JT等软件实现装配过程可视化。2.6 验收、交付、售后 产品验收交付、售后等环节，主要是配套电子材料提供，例如IETM。国外公司提供的产品说明材料，模型可简单操作，更有助于用户理解，使用。3 研发生产业务模式挑战 MBD的核心优势是统一了数据来源，这是企业发展到一定阶段的必然需求，必然的发展方向。随着技术的进步，生产自动化的提升，MBD对效率的提升将得到显现。但是，目前阶段，还难以见到直接成效。例如：

a）受限于三坐标检测软件、UG NX PMI功能，模型自动驱动实现零件检验还没有见到生产案例；

b）生产现场数字化/无纸化。这将是一种革命性的改变。生产现场数十年来都已经适应了按照图纸、数控程序加工。切换到MBD模式，需要对着屏幕查看，工人会不适应，“看屏幕没有看图纸直观”。

由于MBD涉及了产品研发生产各个环节，它实际上就是质量管理体系落地的一种实践方式，涉及到特别多的业务流程，必须对业务流程进行准确全面的梳理。例如：a）设计环节，主要关注多学科协同设计；

b）设计工艺协同，传统模式下设计工艺阶段分离明显，有必要推进设计与工艺之间的协同，工艺更早介入；c）生产外协管理，采用工序外协还是零件整体外协存在很大差异，对业务效率影响较大；

业务流程改进的核心是提升整体业务效率，如果局部效率有降低或者工作量有增加则应增加资源。4 信息系统开发、集成良好的信息化可以将业务流程高效落地，提升业务效率；反之，则会降低业务效率。因此，信息系统开发必须准确的梳理业务流程，将业务需求转换为开发需求。MBD需要实现对PDM、MES、ERP等系统的集成，技术难度较大。UG平台的MBD全系统集成，目前并无成熟解决方案。不同单位的信息系统建设历程、现状各不相同。设计软件、PDM、CAPP、MES、ERP等系统来自于不同的厂家。MBD信息体系建设，最为困难的就是对各大系统进行集成。主要原因在于不同的系统数据传递格式、接口不一致，需要进行统一。在统一的过程中，大多需要进行数据格式转换，易造成数据丢失，从而造成系统不稳定。为了提升整个业务的效率，还需要开发一些工具软件。例如PMI辅助标注工具、模型检查工具、工艺性检查工具、EBOM和PBOM比对工具、检验辅助编程。5 MBD推进建议

基于UG平台的MBD无成熟经验可以借鉴，无参考案例可以移植。因此，MBD推进首先要梳理清楚业务模式，明确开发需求：然后以试点项目、试点部门开始，取得效果后逐步扩展到各个部门以及各个业务领域。点、面相互结合，提升业务质量。 [1]范玉清、梅中义、陶剑，大型飞机数字化制造工程[M]，航空工业出版社，2011：312.