数字化赋能企业转型｜基于MBD的高端装备多专业协同工程
高端装备制造行业是中国制造业的重要组成部分，也是国民经济的支柱产业之一。近年来，随着国内经济的快速发展和科技水平的提高，高端装备制造行业逐渐呈现出良好的发展势头。高端装备制造企业产品是关系国家经济命脉和实体经济发展的重要支柱，产品多属于单件小批量产品，产品研制和生产组织具有多品种、小批量、产品复杂、变更频繁、个性化定制要求高、交货期要求严等特点。
基于模型定义（Model-Based Definition,MBD）技术是一种采用全三维实体模型的方式来完整表达产品定义信息的技术，它将与三维实体模型相关的产品尺寸、公差、基准、表面粗糙度等详细信息统一定义于三维实体模型中，以三维实体模型作为数据交流和传递的载体，完全摒弃了传统结构设计过程中以二维CAD图纸来表达实体模型的方式，从而使得整个产品生命周期内的数据唯一性得到保证。消除了数据传递过程中产生的歧义，大大提高了产品设计的效率。
研制体系问题：重装产品结构复杂，零部件种类繁多。产品都是边研发、边制造；在产品的一个交付周期里由于各种原因（用户变更、材料采购变更、生产设备变更）导致的设计更改非常频繁，甚至一个零件的变更达到数十次之多；
上下游协同问题：产品研制涉及到合同与销售、计划管理、工程管理、工艺与制造、交付与服务等部门。由于现有系统的局限性，业务部门之间信息是隔离的，难以实现实时的传递和交互，导致了信息交互的实时性、正确性难以保证；
信息化孤岛问题：企业现有PDM是基于文件管理方式的集成系统，需要通过接口与其他系统进行文件/数据交互与集成，费事费力、易出差错。这就导致了企业上下游协同不够通畅、产品研制效率不高的问题；
产品设计数据与数模相互隔离，无法将设计数据及时、准确传递到下游生产环节，推行基于MBD的设计工艺一体化协同成为公司最关注的需求。
3DEXPERIENCE平台是目前全球首款基于数字化、统一技术架构、单一数据源以及面向服务化应用的产品全生命周期数字化研制平台。3DEXPERIENCE平台有以下几方面的优势：
系统先进性：3DEXPERIENCE平台是面向未来的企业级数字化工程平台，是基于数字化模型、数据驱动、数字连续、面向体验的第三代数字化研制平台，业务涵盖产品数字化设计、数字化仿真、数字化制造规划、数字化制造执行与运营、数字化服务、数字化营销全生命周期。
数字连续：统一技术、单一数据源的系统架构保障3DEXPERIENCE在企业内各单位之间、上下游、外部供应链之间进行无缝流动应用，减少大量的数据冗余、系统集成接口，确保数字连续，数据一致性和协同效率。
基于场景的服务化应用：3DEXPERIENCE平台提供了基于角色面向场景的用户应用界面。在3DEXPERIENCE上提供了600+APP，可以采用搭积木式（业务场景配置）来组织不同角色的业务应用场景页面，并可以灵活扩展，改变以往功能堆叠式系统易用性不好、用户体验差的问题，3DEXPERIENCE基于面向场景的服务化应用具有轻量化、可配置、易上手，极大提升用户体验的优势，学习成本低、推广难度小。
图 1 基于业务应用服务化，打造研发一站式服务平台
#Part.1
基于MBD的多专业协同工程
项目建设目标
建立基于MBD技术的全新三维产品设计与业务流程支撑体系和管理方法，提升研制手段，加快交付与创新；并以MBD为基础，拉通产品与订单从设计到仿真分析、工艺规划和车间现场应用的数字化全过程，实现全面工程化应用。
建立健全数字化研制业务相关标准与规范以支撑数字化研制的体系化：
充分分析和梳理当前研制业务体系，建立健全基于MBD的数字化研制业务体系相关数字化研制标准、规范、流程、管理制度以及绩效体系，以满足未来数字化研制转型长远发展要求。
实现数字化研制业务协同一体提升研制业务整体协同性：
基于数字化研制业务平台，实现产品数字化设计协同、设计与仿真、设计与工艺规划与验证一体化，提升跨地域、跨组织、跨专业的数字化研制业务整体协同能力。
构建数字化研制知识工程库支持快速设计：
构建产品研制相关的符合国标、行标、机械标准相关的标准件库，通用件库、产品专用设计零部件库、外购件库等；MBD三维PMI标注相关的模板库、零部件设计模板、参数化模板等；符合产品设计和制造要求的相关设计质量、制造质量检查规则库；基于知识工程库的应用，提高设计知识重用，以提升数字化研制效率、标准化以及质量。
实施数字化研制核心业务管理提高研制管理水平：
通过数字化协同研制平台的搭建，实施包括：设计资源库管理、机械结构设计及过程管理、电气设计及过程管理、管路设计、机电协同、EBOM管理、图文档管理、项目管理等；工艺资源库管理、MBOM管理、零件工艺规划、装配工艺规划、可视化作业指导书等。
#Part.2
基于MBD的多专业协同工程
项目主要建设内容
图2 技术研发体系和规范构成
制定三维标注规范：根据二维工程图的标注规范以及相关要求，制定三维标注规范。包括三大类标准规范：
基础标准规范：包括数字化模型定义标准、数字化模型简化和轻量化数据定义规范、工艺模型定义规范等。
业务操作规范：包括自定向下设计方法及规范、设计与工艺协同规范、数据质量控制与评审规范、仿真分析方法及规范等。
设计与工艺流程：包括产品开发程序及支持环境、技术状态管理流程、结构设计流程、电气设计流程、机电协同流程、数字样机评审流程、工艺规划流程等。
Model-Based Definition（MBD）是一种制造业中的方法论，它使用3D模型作为产品定义的权威来源，包括在3D CAD模型中直接嵌入尺寸、公差、注释、说明、元数据和其他制造信息。这种方法是对传统基于2D图纸的方法的回应，后者往往导致误解、错误和制造过程中的延迟。MBD旨在通过将所有相关信息整合到单个数字模型中来简化产品开发过程，减少歧义，提高沟通效率，并增强设计、工程和制造团队之间的协作。
图3 2D图纸到3D图纸的转变
未来要打造建立在3D产品数据定义和数据共享重用的全集成和协同的工作环境(MBE)实现基于MBD的设计、基于MBD的仿真分析、基于MBD的工艺及基于MBD的服务，从根本上减少产品创新、开发、制造和支持的时间和成本，提升研制的效率和质量，以及推动产品研制快速创新。
图4 基于MBD的数字化研制愿景
图5 基于MBD数字化研制的进阶过程
基于MBD的数字化研制可以分5个层级：
第一级：单纯应用二维CAD绘制工程图。
第二级：以二维CAD为主，三维CAD辅助建模。
第三级：以三维CAD为主，二维CAD作为辅助工具。
第四级：基于MBD的全流程应用，设计、仿真、分析一体化。
第五级：基于MBD技术的企业，以MBD数字模型为基础，从设计、分析、工艺、制造现场、服务及供应商全业务过程拉通。
建设基于达索系统3DEXPERIENCE系统的集成化系统工程设计开发环境，主要包括项目管理、机械结构设计、电气设计、流体设计、仿真模拟、工艺设计等业务工作在同一平台实现各专业的协同，并实现基于流程的业务过程与产品数据的集中管理。在产品设计开发流程的各阶段，实现可视化设计与产品数据完整统一的集成化，各专业可直观地相互获取设计意图，极大地支持并行工程。各专业设计结果都集中到基于零件定义的三维模型数据，按照数据的一源性原则保证数据的完整性、一致性。并在平台上建立一套符合ISO9000设计控制程序要求的在三维设计环境下的工作管理模式与设计模式。
图6 从项目和产品双维度进行数据组织
在企业内建立MBD技术体系是一个系统性的过程，首先，需要确立MBD作为数字化研制体系的核心组成部分，并制定相应的战略和目标。其次，需要投入资源和人力，建立技术团队，包括专业的工程师、CAD设计师和制造专家，他们将负责制定并实施MBD标准和流程。在MBD技术体系的建立过程中，企业需要考虑整合MBD技术与现有的产品开发流程和信息系统，确保其与其他系统的兼容性和无缝集成。此外，企业还需要建立供应商协同机制，与合作伙伴共享MBD数据，并建立在线测量装配和现场可视化制造与检测技术，以实现全面的数字化协同和信息闭环。然后，企业可以建立监测和评估机制，定期评估MBD技术体系的实施效果，并根据实际情况进行调整和优化，持续改进MBD技术体系，确保其与企业的业务目标和发展战略保持一致。通过以上的步骤和措施，企业可以逐步建立起健全的MBD技术体系，实现数字化研制和制造的高效协同和优化。
图7 基于MBD数字化研制的核心应用场景
来源：达索系统
