0 引言
基于模型定義技術(Model Based Definition，MBD)，是將產品的所有相關設計定義、工藝描述、屬性和管理等信息都附著在產品三維模型中的先進的數字化定義方法。MBD不是簡單的三維標注加三維模型，它不僅描述設計幾何信息而且定義了三維產品制造信息和非幾何的管理信息（產品結構、PMI、BOM等），使用人員僅需MBD數據集即可獲取全部信息。
MBD技術應用于產品全生命周期，而不僅僅是設計、工藝、制造和檢驗過程，產品全生命周期還包括了產品的策劃、采購、銷售、維護和售后等所有環節，涵蓋了產品整個過程的生命鏈。我國的企業引入MBD技術也有許多年了，在MBD技術的應用上也積累了相當的經驗，然而對MBD技術內涵的理解不同，以及MBD技術在整個產品生命周期中的應用的側重點的不同，會影響MBD技術應用的效率，也決定著PLM軟件的架構以及在PLM環境下協同工作的效果。
本文聚焦于MBD數據集應用的幾個基本問題，提出了一種統JMBD模型，期望對應用MBD技術后研制模式的變化提出一些思路。
1 對MBD技術在產品全生命周期應用的幾點認識
1.1 唯一數據源的基本屬性
MBD數據集是唯一數據源，“唯一”屬性如何理解？MBD技術的核心觀念是MBD數據集是貫穿整個產品生命周期的唯一數據源。然而在產品設計、仿真分析、工藝工裝、制造和檢驗的過程中，MBD模型有不同的表現形態，往往是幾何模型本身就發生變化，因為幾何模型的定義是面向特征的定義，而特征本身在發生變化。
比如工藝工序的模型，從毛坯模型開始就與MBD設計模型有較大不同，通過MBD設計模型根據制造特征進行映射得到工藝工序模型效率會比較低下。按工序檢驗的檢驗模型是以工藝工序模型為基礎的。而工裝模型則幾乎就是全新的設計，僅僅是在接口上與MBD設計模型匹配。在分析師進行仿真分析時，由于主流CAE軟件前處理軟件在導入MBD模型時會降階，同時為了仿真的簡化，分析師往往會忽略不影響分析精度的特征幾何，有時甚至重新構建模型。
根據美國和中國標準，MBD數據集的定義本身是包含BOM表的，而在產品生命周期的全過程中，BOM表有EBOM、PBOM和MBOM等等不同的形態。因此MBD數據集的不斷變化也是必然的。
筆者認為MBD數據集是唯一的數據源，只是體現在是“唯一源頭”上，是唯一的標準，而不是唯一的數據，在研制的不同階段，設計師都要都對MBD數據集提取、修正和組合。
1.2 MBD數據集局部信息的提取
MBD包含的信息遠多于傳統圖紙。而具體的工作卻只需要確定的局部信息（PMI信息、制造特征信息、屬性信息和關鍵特性信息），如何提取這些信息？這實質上是如何使用MBD數據集的問題，因為MBD數據集是一個大而全的數據集，下游往往使用的只是MBD數據集的子集，因此需要有效的數據提取工具和技術來完成工作。首先需要界定兩種形式，一種是上游提供完整的MBD數據集，下游提取局部信息；另一種是上游將MBD數據集中的局部信息提取出來，集中在一個載體中傳遞給下游。
根據界定的這兩種形式，提取局部信息有以下幾種方式：對CAD軟件進行二次開發；對PDM系統進行開發，實現針對某一項或是幾項信息的批量快速提取；相關業務系統開發有效通用的數據提取工具來提取局部信息。
1.3 基于特征的模型定義
MBD技術是基于特征的模型定義。MBD技術與傳統的特征建模的區別主要是，傳統的三維建模是基于設計特征的，很難用于工藝設計和制造過程，需要進行大量繁瑣的特征識別和特征轉換。
而MBD要求在設計的過程中就同時考慮制造、檢驗等加工生產問題，因此MBD基于模型定義更多的是面向制造特征的。MBD技術要求在建模時盡可能讓設計基準與工藝基準一致，建模的步驟方法盡可能與零部件的加工步驟方法一致。這樣設計特征就與制造特征、檢驗特征、裝配特征等等對應起來。
然而基于特征的模型定義，就會對設計員有太多的要求和限制，設計員如果按制造特征進行產品幾何定義，必然大大降低建模效率。任何一類零件的設計形狀特征形成方法不是唯一的，同樣其制造形狀特征形成方法也不是唯一的。如果建模是按一種制造方法進行的特征建模，如果后續加工方法有更改，基于制造特征的產品模型也就不適用了，無疑也會造成效率的下降。這里的特征會有許多信息轉換，從設計特征到分析特征、加工特征的變化過程，包括特征的產生、繼承、變異、抽象、映射和消亡。
MBD技術是基于特征的模型定義，主要指基于制造特征的，是為后續加工制造服務的。因此在設計階段就必須盡可能做到設計特征和制造特征的統一，同時也要求設計人員和制造人員在建模階段就協同工作，而不是僅僅在尺寸標注時。
1.4 MBD數據集的傳遞
MBD數據集有三種傳遞方式：
直接三維模型數據交換：由PDM系統將產品的MBD設計模型直接交付給數據接收方，因此數據接收方必須具備相同三維建模平臺或通用的三維瀏覽軟件。缺點：數據的保密性差、模型顯示速度慢，且三維文件格式占用空間較大，不利于網絡傳輸。
中性幾何文件格式數據傳遞：利用IGES，STEP，ACIS和Parasolid等中性文件格式作為數據交換的媒介，在文件中保留了精確描述零件形狀的三維幾何和拓撲信息，可實現異構CAD系統間的數據交換。缺點：打開模型時間長；數據交換不夠穩定；存在數據冗余問題；難以查詢零件之間的裝配信息。
輕量化顯示技術：通過去除與顯示無關的非幾何信息來簡化三維模型，提高了三維模型的顯示與處理效率，使得三維模型的應用延伸到了產品全生命周期內的各個階段。但是輕量化模型并不能完全適用于業務系統的所有環節，在工藝設計和制造加工等諸多環節，輕量化模型還不滿足要求。
2 統一MBD數據集的提出
根據以上的闡述，MBD數據集是產品生命周期中的唯一數據源，在應用和傳遞的過程中，其形態是不斷變化的，在產品生命周期的不同階段，各個業務系統根據需要對MBD數據集進行提取、整合和加工。筆者從MBD數據集在產品生命周期中的應用和驗證的角度提出統JMBD數據集模型，主要目的是保證數據的唯一性，并使得各種MBD數據集的形態關聯起來。
從設計階段開始按模型對象的類型來分，就有零件模型和裝配模型。按零部件的建模特點來分，又有機加件、鑄造件、鍛造件、鈑金件、電纜管路類等。從MBD在整個產品生命周期中各個環節的用途出發，筆者將MBD數據集分為以下六類，MBD設計模型、MBD工藝工序模型、MBD工裝和模具模型、MBD檢驗模型、MBD分析仿真模型、MBD輕量化模型。這六類MBD模型涵蓋了MBD數據集在設計、制造的各個環節，將這六類模型集合起來，就構成了統JMBD數據集。統一MBD數據集的數據模型如圖1所示。
圖1 統JMBD數據集模型
在統JMBD數據集模型中，MBD設計模式處于核心的位置，是各種類型MBD模型的唯一源頭，各類MBD模型不一定直接使用設計模型，但必須以MBD設計模型為依據，進行“對標”。統JMBD數據集內各類模型之間的關系如圖2所示。
圖2 MBD模型之間關系
MBD設計模型按照模型成熟度可以劃分為一級MBD設計模型、二級MBD設計模型和三級MBD設計模型等。可以依此開展研制階段的并行設計。
MBD工藝工序模型是除MBD設計模型外最重要的MBD模型，產品制造、檢驗等環節都要以此為依據。建立MBD工藝工序模型的過程就是依據MBD設計模型重構的過程，工藝人員接到設計模型后，完成工藝方案設計和工藝路線規劃，如加工階段的劃分（粗加工、半精加工及精加工等），加工工序的劃分（工序集中或工序分散），然后關聯引用設計模型進行工藝工序模型的建立。最后一道的MBD工藝模型與MBD設計模型包含相同的三維幾何形狀特征。
MBD檢驗模型必須以MBD設計模型和MBD工藝工序模型為依據，可以說是MBD設計模型或MBD工藝工序模型的子集。檢驗模型包含所有需要檢驗的要素的信息，幾何公差、形位公差、關重件尺寸、粗糙度等等。按工序檢驗每一道工序MBD檢驗模型必須以MBD工藝工序模型為依據。
MBD工裝模具模型是比較特殊的三維模型，工裝和模具是為產品設計服務的，本身又不同于產品本身，可以說是全新設計的產品。設計的依據就是產品設計模型，因此MBD設計模型是MBD工裝模具模型的“設計任務書”，設計完成的工裝模具模型必須滿足產品制造的要求，在尺寸、接口關系上與MBD設計模型協調一致。MBD工裝模型完成后根據需要提供可裝配性仿真分析和工藝分析使用。
設計部門的仿真分析工程師接到產品設計師交付的MBD設計模型后，往往并不能直接使用，需要關聯創建MBD仿真分析模型，進行多學科設計仿真時，要根據具體分析的情況對MBD設計模型進行相應的修正，如只需要提取部分特征結構的尺寸，局部特征和細小特征根據仿真精度分析要求進行簡化和修正，進行耦合分析時，對不同系統的產品組合在一起建模，因而產品的EBOM結構也有可能發生變化。
MBD輕量化模型之所以要單獨地提出，是因為在裝配仿真、在線工藝、動畫制作、質量管理和項目管理、脫密處理和封裝處理等多個環節均需要使用輕量化模型，MBD設計模型數據量龐大，處理效率低，不同CAD系統的數據互不兼容，從而導致系統間模型信息的交換和共享發生困難。常用的MBD輕量化方案如表1所示。
表1 輕量化模型的應用現狀（主流國際廠商的輕量化方案）
產品全生命周期中，不同業務系統對MBD數據集的信息獲取也是不一樣的，MBD數據集的傳遞關系如圖3所示。
圖3 統JMBD數據集在產品全生命周期的傳遞
3 MBD技術對傳統產品研制模式的影響
總的說來，大多數型號產品研制還遵循著傳統的研制模式。還是“二維工程圖+三維模型”的應用狀態，這種狀態主要有以下一些表征：
1)設計下廠的圖紙基本上是二維工程圖的“藍圖”，在工藝、工裝、制造、檢驗等環節傳遞的信息載體還是二維圖紙。
2)三維模型一般是獨立建立的，設計獨立建立設計三維模型，工藝依據藍圖建立工藝三維模型。設計人員和工藝人員分別使用不同的三維建模軟件。
3)三維模型不用來交換的，設計三維模型主要用于生成二維工程圖、進行虛擬的裝配、進行分析仿真，計算質量特性等；工藝的三維模型主要用于模擬裝配，進行數控加工、工裝和模具設計等。
4)在設計階段，總體和分系統的協同設計主要還是二維模式，總體向分系統提出任務書，以書面的形式規定了分系統設計的外形要求、包絡范圍、結構形式和質量特性等。分系統完成三維模型設計提交總體進行總裝。也有自頂向下的設計流程，主要是總體進行布局設計，構建骨架模型，發布幾何提供給分系統進行詳細設計。
5)在產品研制過程中，產生的過程文件，包括設計任務書、技術條件、技術要求、技術協調文件、質量文件以及“三單”，其內部的產品信息都以二維圖紙的形式存在。
在MBD技術引入研制流程后，全三維模式使用人員僅需一個三維數模即可獲取全部信息，減少了對其他信息系統的過度依賴，使設計與制造廠之間的信息交換可不完全依賴信息系統的集成而保持有效的連接。它通過一系列規范的方法能夠更好地表達設計思想，具有更強的表現力，同時打破了設計制造的壁壘。為研制單位帶來很多改變和價值。
1)設計人員只進行三維數模的創建和定義，不出二維工程圖，減少了不增值的環節，使設計專注于設計本身。
2)以往的設計人員進行三維建模然后二維出圖、工藝根據二維藍圖再重復建模，簡化為設計和工藝協同建模，減少了中間環節，提升了效率，減少了工藝準備的時間。
3)統一的數據源，降低了由于中間轉換環節可能導致錯誤的概率，提高了設計制造的質量，減少了工程更改。
4)由于MBD數據集是完整的數據集合，包含了設計、制造等信息，使得MBD數據集在很多場合會代替文檔的功能，部分研制文檔將會簡化甚至取消。文檔中傳遞的信息會更多集成在MBD數據集的屬性和注釋中，便于結構化的數據管理，也便于進行數據檢索。
5)MBD技術是面向特征的，基于特征分析關鍵特性是逐級傳遞的，其解決方案是從系統的角度出發，通過對過程參數的分析，使得對過程的控制更加有效。
6)MBD數據集將成為知識工程的最佳載體。抽象、分散的知識可以通過相關數據、屬性或注釋等方式結合到MBD數據集中，使知識更加集中和形象。將設計、制造的過程演變為知識積累和技術創新的過程。
4 結束語
MBD技術在制造業的應用方興未艾，它的應用會對原有的傳統研制模式帶來很大的沖擊，首先來源于MBD先進的設計理念，其本身屬性如唯一數據源、基于特征和完整的信息載體等等，這些屬性如何在產品全生命周期中體現和應用是值得深入思考和探索的。MBD技術是并行協同模式的有力支撐，同時并行協同研制模式也是MBD技術的本質要求。統JMBD數據集將并行協同模式明確化和具體化，保持了唯一數據源和信息的完整性，有助于MBD技術的進一步應用。
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