周红桥，张红旗

(中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

支持MBD研发模式的产品数据集成研究

周红桥，张红旗

(中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

基于模型定义(Model Based Definition，MBD)的研发模式以全三维数字量传递为显著特征，大量以三维模型为主要载体的产品数据(亦称MBD数据)给集成带来了新的挑战。文中提出了支持MBD研发模式的产品数据集成框架，构建了MBD主模型和域模型相结合的产品MBD数据模型，给出了基于物料清单(Bill of Material，BOM)的MBD数据集成实现方式。该集成方法已在雷达结构全三维研发平台中得到了应用，取得了较好效果。

基于模型定义；产品数据集成；物料清单

引 言

基于模型定义(Model Based Definition，MBD)[1-2]是一种新的产品定义技术，它以三维产品模型为基础，完整地表达了产品定义信息，包括几何尺寸、公差、装配结构、表面粗糙度、表面处理方法等。当前，MBD研发模式越来越受到业界青睐与关注，航空、航天、船舶、汽车、电子等行业企业正在如火如荼地开展MBD研发模式应用试点工作，取得了较好效果[3]。

MBD核心概念体现在产品数据传递的全三维化和数字化，因此能极大地提高产品定义的质量和利用率，并有助于形成完整、通畅的全寿命周期数据链，从而为设计、仿真、工艺和制造等环节提供统一的数据源，实现设计制造的一体化。

MBD研发模式的蓬勃发展和应用使得企业存在大量的以三维模型为主要载体的产品数据，即产品MBD数据。与传统的二维数据相比，产品MBD数据之间具有更高的依存度和关联性。若不能有序和规范地对它们进行组织和管理，则极易产生不一致和冗余问题，严重影响产品研发的质量和效率。

本文针对上述问题，提出了一种支持MBD研发模式的产品数据集成框架，以BOM(如EBOM、PBOM和MBOM)为核心，集成关联了产品设计MBD数据、仿真MBD数据、工艺MBD数据和制造MBD数据；构建了基于MBD主模型与设计、工艺、仿真、制造等域模型相结合的产品MBD数据模型；给出了基于BOM的MBD数据集成实现方式。该集成框架和集成方法已应用在雷达结构全三维工艺研发平台中，为“模型下车间”等技术的工程化应用提供了支撑环境。

1 支持MBD研发模式的产品数据集成框架

本文提出的支持MBD研发模式的产品数据集成框架涵盖CAD、CAE、CAPP、PDM、ERP和MES系统，用于支撑设计工程师、仿真工程师、工艺工程师、计划人员、车间人员等开展产品研制。其体系架构如图1所示。

图1 支持MBD研发模式的产品数据集成框架

该集成框架以BOM(如EBOM、PBOM和MBOM)为核心，通过BOM之间的演变以及BOM与产品MBD数据之间的关联关系，实现设计、仿真、工艺和制造等阶段的数据集成。

1.1 BOM的演变

EBOM→PBOM→MBOM的演变通过面向对象技术实现，即BOM的节点用对象来表示，由节点对象的属性表达父子结构关系、视图(Engineering、Process和Manufacturing，对应EBOM、PBOM和MBOM)以及域信息(如工艺域包括工艺关键件、是否为虚拟件等)。在EBOM→PBOM演变时，一般存在节点父子关系调整和加入工艺虚拟件等操作；而PBOM→MBOM演变时，节点父子关系一般不作变更，但会添加辅料节点、工装节点以及制造域信息等。

1.2 BOM与产品MBD数据的关联

BOM节点与各类产品MBD数据进行关联，进而实现基于BOM的检索、汇总等管理操作。

EBOM节点与设计MBD数据和仿真MBD数据关联。设计工程师通过三维建模工具软件CAD系统构建产品三维模型，在检入到PDM系统后生成EBOM，并关联设计文档(如三维模型、工程图、计算说明书、论证报告等)。仿真工程师在检入仿真模型、变形动画、位移/应力云图等仿真MBD数据时，PDM系统也将执行与特定EBOM节点的关联操作。

工艺工程师在CAPP系统中获取PDM中的EBOM后，经调整EBOM形成PBOM以及完成工艺设计任务后，检入到PDM中形成PBOM并关联三维工艺模型、工艺路线、工艺方案等工艺MBD数据。

计划人员在ERP系统中基于从PDM系统中获取的PBOM构建MBOM，并关联加工设备信息、工装信息、定额信息、生产计划信息等制造MBD数据。

通过BOM演变、BOM与MBD数据的关联，产品数据形成了网状结构，可方便地从某一数据查询到相关的所有数据，并可抽取出满足一定要求的数据形成特定视图，以供相关人员使用。例如，车间人员通过MES系统从PDM系统中抽取出三维工艺规程视图，并显示在终端上。

2 基于BOM的MBD数据集成方法

2.1 产品MBD数据模型

MBD研发模式下的产品数据以MBD数据形式存在，其突出特点是设计、仿真、工艺、制造等阶段过程中的产品数据表示和传递的全三维化和数字化。对此，本文采用图2所示的MBD主模型和域模型相结合的方法，构建了产品MBD数据模型。

图2 产品MBD数据模型

2.1.1 MBD主模型

MBD主模型包括三维模型、标注和属性。其中，三维模型由三维实体模型中的几何模型、坐标系和基准等元素表达；标注是在三维模型上通过标记手段表达的产品相关信息，如尺寸、公差、工程注释等，这些元素无需手工或外部处理即可见；属性是三维模型不可见的信息，需通过查询方式获得，如名称、标识、版本、设计者、审核者、批准者等。

2.1.2 域模型

域模型包括设计域模型、仿真域模型、工艺域模型和制造域模型，它包含与各个域相关的产品数据。例如，设计域模型包括工程图、工程实施方案、论证报告、计算说明书等。各个域模型所包含的数据一般通过标注和属性方式关联到MBD主模型上。例如，工艺域中的工艺路线、工艺方案等信息通过属性的方式关联到工艺三维模型上，而工序尺寸、加工方法、加工参数等信息通过标注方式关联到工艺三维模型上。

MBD主模型与各域模型分别形成了设计MBD数据、仿真MBD数据、工艺MBD数据和制造MBD数据，它们之间并不是孤立的。例如，仿真MBD数据中的几何模型可通过对设计MBD数据中的几何模型进行简化得到，工艺MBD数据中的工序几何模型可在设计MBD数据中的几何模型基础上，通过构建毛坯模型和各级工序模型而获得。

2.2 基于BOM的数据集成实现

BOM是企业的主要基础数据之一，在CAD/CAPP/PDM/ERP等系统的集成中发挥着重要的作用。如1.2节所述，在MBD研发模式下，EBOM与设计MBD数据和仿真MBD数据进行关联，PBOM与工艺MBD数据进行关联，MBOM与制造MBD数据进行关联。下面结合2.1节中的产品MBD数据模型，给出各种BOM与产品数据的关联实现方法。

2.2.1 EBOM与设计MBD数据和仿真MBD数据的关联

EBOM节点对象与零件模型、装配模型、工程图、计算说明书、仿真分析模型、仿真结果报告等文件进行关联，且EBOM节点对象的相关属性(如某EBOM节点的材料、重量、类型等)从上述文件中提取获得。

2.2.2 PBOM与工艺MBD数据的关联

工艺MBD数据一般包括3类：

1)三维工艺模型。三维工艺模型指的是表达工序或工步结果的三维几何模型，带有工序或工步尺寸、定位、基准以及夹紧方式等工艺信息标注或属性。通常，每一道工序均有对应的三维工序模型，共同构成三维工艺模型。

2)工艺路线、工序信息(如工序名称、工序编码、技术要求)等，一般以数据库的形式进行存储。

3)可视化发布文件。每一道工序都有相应的可视化发布文件，通常采用轻量化格式，并可在浏览器环境下浏览、旋转、标记等。

上述第2类和第3类数据可通过HTML技术有机地构成三维工艺规程卡，或直接转换为3D PDF文件，显示在终端上以指导车间工人作业。

为便于PBOM节点与工艺MBD数据集关联以及保证工艺MBD数据集之间的逻辑关系，本文引入了三维工艺数据索引文件。该文件以XML表达，包含了三维工艺模型、工艺信息以及可视化发布数据3个部分，其中的URI表示三维工艺模型文件、可视化发布文件的网络位置。PDM系统可根据三维工艺数据索引文件以及工艺MBD数据，生成网页形式的三维工艺规程卡或直接生成PDF文件，如图3所示。

图3 基于PBOM的工艺MBD数据集成

2.2.3 MBOM与制造MBD数据的关联

MBOM与制造MBD数据的关联与EBOM类似，主要通过属性方式实现MBOM节点与定额信息、生产计划、设备信息等的关联。

3 应用实例

根据上述方法，开发了原型系统-雷达结构全三维研发平台。该平台以Windchill PDM Link 9.1和Pro/E Wildfire 5为基础，通过定制开发，实现了三维结构设计、三维工艺设计以及三维设计与工艺数据的集成管理。该平台以EBOM和PBOM为核心管理雷达结构设计MBD数据和工艺MBD数据。

在实现工艺MBD数据集成时，通过解析三维工艺索引文件，将工艺路线、工序信息和工序可视化发布文件以Web页面的形式表达为三维工艺规程卡(如图4所示)，可用于工艺签审时的可视化浏览或在车间现场终端显示以指导制造人员加工和装配作业。三维工艺索引文件关联的三维工艺模型不用于工艺签审和车间现场作业指导，而用于工艺更改时通过PBOM节点定位三维工艺模型文件，从而检出三维工艺模型文件并进行修改。

图4 雷达结构三维工艺规程卡

目前，该平台已在某研究所“模型下车间”项目中得到了应用，取得了较好的效果。

4 结束语

本文针对MBD研发环境下以三维模型为主要载体的设计、仿真、工艺和制造等数据集成问题，提出了支持MBD研发模式的产品数据集成框架，构建了MBD主模型和域模型相结合的产品MBD数据模型，给出了基于BOM的MBD数据集成实现方式。开发出的原型系统经过试点应用，验证了该集成方法的有效性。

[1] QUINTANA V, RIVEST L, PELLERIN R, et al. Will model-based definition replace engineering drawings throughout the product lifecycle? A global perspective from aerospace industry[J]. Computers in Industry, 2010, 61(5): 497-508.

[2] ALEMANNI M, DESTEFANIS F, VEZZETTI E. Model-based definition design in the product lifecycle management scenario[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2011, 52 (4): 1-14.

[3] 中国电子科技集团公司. 三维CAPP引领电科集团29所工艺设计[EB/OL]. [2015-04-15]. http://www.cetc.com.cn/NewsInfo.aspx?NId=4207.

周红桥(1980-)，男，博士，高级工程师，主要从事数字化设计与制造、企业信息化理论与系统集成等基础科研工作。

张红旗(1975-)，男，研究员，主要从事数字化设计与制造、数字样机相关标准研究等基础科研工作。

Research on Product Data Integration for MBD Development Mode

ZHOU Hong-qiao，ZHANG Hong-qi

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

The significant characteristic of the model based definition (MBD) development mode is full 3D digital relaying. In this environment, large numbers of product data mainly composed of 3D models (also called MBD data) bring the new challenge to product data integration. To solve this issue, a framework that supports product data integration for MBD development model is proposed and a MBD data model that is formed of the master model and the domain model is built. In the proposed framework, MBD data integration is implemented by a bill of material (BOM) based approach. The presented framework has been applied to the project of full 3D development platform for the radar structure with good effect.

model based definition; product data integration; bill of material

2015-10-13

国防基础科研计划资助项目(A1120131044)；国防技术基础科研计划资助项目(JSJC2014210A005)；国防技术基础科研计划资助项目(JSBZ2014210B007)

TH122

A

1008-5300(2015)06-0050-04