基于模型的企业

基于模型的企业：从MBD到MBE的战略转型路径企业的不断成功，源于在每个关键机遇期做出正确的抉择。对于在国民经济中发挥重要作用的中国制造业企业来说，如何面向未来，迎接信息时代的到来，是对每个制造业企业的一个挑战。正确作出选择的企业，将在新一轮的竞争中抢占先机。从MBD到MBE，构建一个基于模型的企业是一条漫长之路，需要在许多方面做出突破和改善。企业在摆脱传统的基于二维图纸的设计研发生产模式向基于三维模型的全面数字化企业迈进的过程中，必须从根本上树立起数字化思维和生产经营管理模式，建立科学的战略转型路径。一、工程师的新语言1、工程师的语言语言、文字和图形是人们进行交流的主要方式。在工程界，准确表达一个物体的形状的主要工具就是图形，在工程技术中为了正确表示出机器、设备的形状、大小、规格和材料等内容，通常将物体按一定的投影方法和技术规定表达在图纸上，这种根据正投影原理、标准或有关规定，表示工程对象，并有必要的技术说明的图就称图样。工程图样是人们表达设计的对象，生产者依据图样了解设计要求并组织、制造产品。这种采用类似工程图样的产品定义方式常被称为工程师的语言。2、工程语言的历史演进2.1第一代工程语言工程定义需要明白和无歧义的表达。中国古代工匠就有采用物理实体模型（如：故宫“样式张”）和二维绘图法表达工程思想的历史。1795年法国科学家加斯帕尔•蒙日（GaspardMonge，1746～1818）系统地提出了以投影几何为主线的画法几何，把工程图的表达与绘制高度规范化、唯一化，工程图便成为工程界常用的定义产品的语言——第一代工程语言。这种工程设计语言的缺陷是显而易见的，设计师在设计新产品时，首先涌现在脑海里的是三维的实体形象而不是平面视图。但为了向制造它的人传递产品的信息，必须将这个活生生的实体通过严格的标准和投影关系变成为复杂的、但为工程界所共识的标准工程图。这当中的浪费不仅是投影图的绘制，还包括了从实体形象向抽象的视图表达方式转换的思维，以及在转换过程中不可避免出现的表达不清和存在歧义。制造工程师、工人在使用这种平面图纸时，又要通过想象恢复它的立体形状，以理解设计意图。这又是一番思维、脑力和时间的浪费。平面图纸的再利用能力几乎没有，定义的质量完全依赖设计人员的个人能力。有时不是创意而是对平面图形的理解程度，制图技术的好坏往往是能否设计、制造出好的产品的关键。对二维图样的绘制和理解是需要严格的专门训练，要求工程人员有良好的空间想象能力。直到今日画法几何和工程制图仍然是工科大学最重要的必修课之一。二百年来，制造业为这种平面图形的转换付出了巨大的代价。2.2第二代工程语言20世纪50年代后期，随着计算机软硬件技术的发展，在计算机屏幕上绘图变为可能，CAD技术越来越成为工程表达的标准方式，逐渐成为第二代工程语言。二维CAD将手工二维绘图计算机化，人们借助此项技术来摆脱烦琐、费时、精度低的传统手工绘图，从而甩掉了沿用200多年的图板。60年代初期出现了三维CAD系统，起初是极为简单的，只能表达基本几何信息线框系统，不能有效表达几何数据间的拓扑关系，缺乏形体的表面信息。进入70年代，由于飞机和汽车工业的蓬勃发展，飞机及汽车制造过程中遇到大量自由曲面问题，此时，基于三视图方法的多截面视图、特征纬线近似表达所设计自由曲面产生的不完整性，已经不能满足工程要求，大大拖延了产品研发时间。由于贝塞尔算法的提出，使得用计算机处理曲线及曲面问题变得可行，从而结束了计算机辅助设计技术单纯模仿工程图纸的三视图模式，首次实现了计算机完整描述产品零件的主要信息，同时也使得CAD技术的开发有了现实的基础。曲面造型系统为人类带来了第一次CAD技术革命，改变了以往只能借助油泥模型来近似表达曲面的落后的工作方式。由于曲面造型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其他特征，如质量、重心、惯性矩等，从而提出了对实体造型技术的需求。实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一CAD/CAE/CAM的模型表达，给设计带来了惊人的方便性。可以说，实体造型技术的普及应用标志着CAD发展史上的第二次技术革命。2.3第三代工程语言80年代中期，一种比无约束自由造型更新颖、更好的算法———参数化特征造型方法开始出现。它具有基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改的特征。可以认为，参数化技术的应用主导了CAD发展史上的第三次革命。此时众多CAD/CAE/CAM软件开发公司群雄逐鹿。80年代后期到90年代，CAD向系统集成化方向发展，引起了CAD发展史上的第四次革命。特别是波音777实现了全数字样机，进一步发展了数字化设计制造技术，此后，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。至此，基于三维模型定义技术的MBD已经成为第三代工程语言。二、基于模型的定义（ModelBasedDefinition-MBD）传统的产品定义技术主要以工程图为主，通过专业的绘图反映出产品的几何结构以及制造要求，实现设计和制造信息的共享与传递。基于模型的定义（MBD）以全新的方式定义产品，改变了传统的信息授权模式。它以三维产品模型为核心，将产品设计信息、制造要求共同定义到该数字化模型中，通过对三维产品制造信息和非几何管理信息的定义，实现更高层次的设计制造一体化。MBD是一种超越二维工程图实现产品数字化定义的全新方法，使工程人员摆脱了对二维图样的依赖。MBD是一个管理和技术的体系，并不仅仅是一个带有三维标注的数据模型。MBD使制造信息和设计信息共同定义到三维数字化模型中，使其成为生产制造过程的唯一依据，实现CAD和CAM（加工、装配、测量、检验）的高度集成。ASMEY14.41、BDS600系列等标准是MBD的重要基础，这些标准的制定促进了CAD软件公司参照其开发软件新功能，使MBD的思想得以实现，并很快应用到以波音787为代表的生产实践中。1、数字化产品定义技术200对年前，蒙日在《画法几何学》的开篇称画法几何学有两个主要目的，第一个目的是在只有长、宽两种尺度的图纸上，为表达一切具有长、宽、高三种尺寸的自然物体提供方法，而这些物体应是严格确定的，这种图与使用何种语言表达无关。第二个目的则是根据准确的图形，推导出物体的形状和物体各个组成部分的相互位置。以画法几何为基础的二维工程图表达，奠定了以二维准确定义三维，用平面表达空间乃至加工制造需求的思维模式和工程管理规范，统治工程设计与制造长达200多年，并依旧发挥作用。计算机的出现，使表达的通用介质突破了“只有长、宽两种尺度的图纸”。人们逐步把三维模型引入到工程定义中，三维模型在工程定义中的地位从参考、辅助过度到主导地位。随着三维技术的日趋成熟，使得以数字化完整准确定义三维产品成为可能。基于模型的数字化定义技术是具有三维模型主要元素的完整产品定义，它不再使用或依赖于二维图样或正投影视图为主要制造依据，是数字化定义的最新阶段。由于其无可比拟的直观性和与其他计算机辅助设计的集成，渐渐成为新的工程定义的标准，最终必然得到推广并取代图纸文化。新的东西常常带来大量的特殊问题。在通常的CAD系统中，工程技术人员所建立的产品数字化模型仅仅是三维几何模型，而制造工艺信息还在二维图样上。这样仅依据三维几何模型往往难以进行产品的生产和检验。也就是说，三维模型中没有让技术人员以清晰确定的方式，将工艺、模具设计与生产、部件装配、部件与产品检验等工序所必需的设计意图添加进来。三维模型虽然包含了二维图样所不具备的详细几何形状信息，但三维模型中却不包括尺寸及公差的标注、表面粗糙度、表面处理方法、热处理方法、材质、结合方式、间隙的设置、连接范围、润滑油涂刷范围、颜色、要求符合的规格与标准等仅靠几何形状无法表达的（非几何）信息。另外，在三维建模中，基于形状的注释提示、关键部位的放大图和剖面图等能够更为灵活而合理地传达设计意图的手段也存在不足。这在实际工程中就会产生既使用三维模型，又离不开二维图样的矛盾状态。这些在实际生产中遇到的问题是ASME关于MBD技术标准研制的根本动力，并推动了ASMEY14.41-2003标准的颁布，与此同时，以波音公司为代表的世界顶级制造企业和软件厂商也在加紧在此标准基础上开发与应用，进一步发展基于模型的定义技术。目前MBD技术及其相关标准仍在不断发展之中。在MBD技术发展应用过程中，航空工业始终走在前列。飞机产品作为复杂、制造难度最大的工业产品，迫切需要数字化技术尤其是数字化定义技术来提高设计质量以及设计效率。单项数字技术，如CAD技术、数字化仿真分析技术、数字化加工检验技术等已经取得了明显的进步。但缺乏整体的软硬件体系建设，以综合发挥整体数字化技术带来的优势。目前航空企业已经使用CAD软件建立产品的三维实体模型，但在数据传递过程中不得不经常将三维模型转换成二维图样进行传递。同时，基于图样的信息传递，无法有效地实现数据共享，无法大规模推广协同设计。因此，需要通过对基于模型的定义技术进行研究，来充分继承并行工程数字化定义的要求，同时，需要通过更高集成度的数据集成技术，来实现信息传递过程的无纸化，实现更高应用水平的数据共享技术。在此过程中，其主导思想不能只是简单地将二维图样的信息反映到三维模型中，而要充分利用三维模型所具备的表现力，去探索便于用户理解且效率更高的设计信息表达方式。其中最为艰难的是，“要从二维图纸文化这种现有概念中跳出来，从零开始研究新的信息表达方式”。为此，首先应针对概念设计、初步设计、详细设计、生产准备、评估与检验等每个阶段，弄清楚“哪些是产品制造中所必需的信息”，哪些是囿于二维图纸时代技术条件限制而提出的，在当前情况下已非必需或者可以从根本上改变形式的信息。随着计算机的出现和数字技术的发展，那种以投影法为基础的“只有长、宽两种尺寸的”传统产品定义的方法逐渐受到颠覆，信息技术将以往的“静态”的思维范式和工作方式引领到“液态”的模式，制造企业的生产活动将不再以传统的“静态”的工程语言和工程文件进行开展，一种跨时代的革命性的数字化定义工程技术应用的序幕正在拉开。MBD技术使倡导多年的并行工程、协同设计乃至数字化企业成为可能。2、数字化产品定义规范美国机械工程师协会颁布的数字化产品定义规范（ASMEY14.41-2003DIGITALPRODUCTDEFINITIONDATAPRACTICES）是基于模型定义的基本规范要求的基础。这一标准是数字化技术发展时期顺应工业领域的应用需求而提出的，规范制定始于业界顶端航空制造业。1997年1月，在波音公司主持的会议上确定了对这一规范的需求，以波音公司多年数字化制造经验为基础，经过几年的修订，规范于2003年7月7日被批准为美国国家标准，这期间三维设计系统的发展也使得标准的内容不断扩充。ASMEY14.41-2003标准建立了应用于数字化产品定义的数据——数据集的要求及参考文档。这一标准和其他现行ASME标准（如ASMEY14.5M-1994（R1999），尺寸和公差标注）配套使用。它支持两种应用方法，仅使用模型（三维），及模型和数字化格式的图样（2DDrawing）相结合。标准规定从对这两个方法的公共要求开始，然后分别叙述其他各部分对这两种方法的各自要求。标准还对三维CAD软件提出了建模和标注功能的要求，直接促进了CAD软件三维标注功能的发展，CAD软件公司已把此标准设计到软件中。波音公司在此标准基础上根据公司具体实践制定了BDS600系列标准，并在2004年开始的波音787客机设计中，全面采用基于模型定义的新技术。这使得三维产品制造信息（ProductManufacturingInformation，PMI）与三维设计信息共同定义到产品的数字化模型中，使CAD和CAM（加工、装配、测量、检验等）实现真正的高度集成，可不再使用二维图纸。2006年，ISO颁布了ISO16792，规定了全面的三维模型标注规范，数字化技术的应用有了新的跨越式发展。3、MBD数