0 引言
基于模型定义技术(Model Based Definition，MBD)，是将产品的所有相关设计定义、工艺描述、属性和管理等信息都附着在产品三维模型中的先进的数字化定义方法。MBD不是简单的三维标注加三维模型，它不仅描述设计几何信息而且定义了三维产品制造信息和非几何的管理信息（产品结构、PMI、BOM等），使用人员仅需MBD数据集即可获取全部信息。
MBD技术应用于产品全生命周期，而不仅仅是设计、工艺、制造和检验过程，产品全生命周期还包括了产品的策划、采购、销售、维护和售后等所有环节，涵盖了产品整个过程的生命链。我国的企业引入MBD技术也有许多年了，在MBD技术的应用上也积累了相当的经验，然而对MBD技术内涵的理解不同，以及MBD技术在整个产品生命周期中的应用的侧重点的不同，会影响MBD技术应用的效率，也决定着PLM软件的架构以及在PLM环境下协同工作的效果。
本文聚焦于MBD数据集应用的几个基本问题，提出了一种统JMBD模型，期望对应用MBD技术后研制模式的变化提出一些思路。
1 对MBD技术在产品全生命周期应用的几点认识
1.1 唯一数据源的基本属性
MBD数据集是唯一数据源，“唯一”属性如何理解？MBD技术的核心观念是MBD数据集是贯穿整个产品生命周期的唯一数据源。然而在产品设计、仿真分析、工艺工装、制造和检验的过程中，MBD模型有不同的表现形态，往往是几何模型本身就发生变化，因为几何模型的定义是面向特征的定义，而特征本身在发生变化。
比如工艺工序的模型，从毛坯模型开始就与MBD设计模型有较大不同，通过MBD设计模型根据制造特征进行映射得到工艺工序模型效率会比较低下。按工序检验的检验模型是以工艺工序模型为基础的。而工装模型则几乎就是全新的设计，仅仅是在接口上与MBD设计模型匹配。在分析师进行仿真分析时，由于主流CAE软件前处理软件在导入MBD模型时会降阶，同时为了仿真的简化，分析师往往会忽略不影响分析精度的特征几何，有时甚至重新构建模型。
根据美国和中国标准，MBD数据集的定义本身是包含BOM表的，而在产品生命周期的全过程中，BOM表有EBOM、PBOM和MBOM等等不同的形态。因此MBD数据集的不断变化也是必然的。
笔者认为MBD数据集是唯一的数据源，只是体现在是“唯一源头”上，是唯一的标准，而不是唯一的数据，在研制的不同阶段，设计师都要都对MBD数据集提取、修正和组合。
1.2 MBD数据集局部信息的提取
MBD包含的信息远多于传统图纸。而具体的工作却只需要确定的局部信息（PMI信息、制造特征信息、属性信息和关键特性信息），如何提取这些信息？这实质上是如何使用MBD数据集的问题，因为MBD数据集是一个大而全的数据集，下游往往使用的只是MBD数据集的子集，因此需要有效的数据提取工具和技术来完成工作。首先需要界定两种形式，一种是上游提供完整的MBD数据集，下游提取局部信息；另一种是上游将MBD数据集中的局部信息提取出来，集中在一个载体中传递给下游。
根据界定的这两种形式，提取局部信息有以下几种方式：对CAD软件进行二次开发；对PDM系统进行开发，实现针对某一项或是几项信息的批量快速提取；相关业务系统开发有效通用的数据提取工具来提取局部信息。
1.3 基于特征的模型定义
MBD技术是基于特征的模型定义。MBD技术与传统的特征建模的区别主要是，传统的三维建模是基于设计特征的，很难用于工艺设计和制造过程，需要进行大量繁琐的特征识别和特征转换。
而MBD要求在设计的过程中就同时考虑制造、检验等加工生产问题，因此MBD基于模型定义更多的是面向制造特征的。MBD技术要求在建模时尽可能让设计基准与工艺基准一致，建模的步骤方法尽可能与零部件的加工步骤方法一致。这样设计特征就与制造特征、检验特征、装配特征等等对应起来。
然而基于特征的模型定义，就会对设计员有太多的要求和限制，设计员如果按制造特征进行产品几何定义，必然大大降低建模效率。任何一类零件的设计形状特征形成方法不是唯一的，同样其制造形状特征形成方法也不是唯一的。如果建模是按一种制造方法进行的特征建模，如果后续加工方法有更改，基于制造特征的产品模型也就不适用了，无疑也会造成效率的下降。这里的特征会有许多信息转换，从设计特征到分析特征、加工特征的变化过程，包括特征的产生、继承、变异、抽象、映射和消亡。
MBD技术是基于特征的模型定义，主要指基于制造特征的，是为后续加工制造服务的。因此在设计阶段就必须尽可能做到设计特征和制造特征的统一，同时也要求设计人员和制造人员在建模阶段就协同工作，而不是仅仅在尺寸标注时。
1.4 MBD数据集的传递
MBD数据集有三种传递方式：
直接三维模型数据交换：由PDM系统将产品的MBD设计模型直接交付给数据接收方，因此数据接收方必须具备相同三维建模平台或通用的三维浏览软件。缺点：数据的保密性差、模型显示速度慢，且三维文件格式占用空间较大，不利于网络传输。
中性几何文件格式数据传递：利用IGES，STEP，ACIS和Parasolid等中性文件格式作为数据交换的媒介，在文件中保留了精确描述零件形状的三维几何和拓扑信息，可实现异构CAD系统间的数据交换。缺点：打开模型时间长；数据交换不够稳定；存在数据冗余问题；难以查询零件之间的装配信息。
轻量化显示技术：通过去除与显示无关的非几何信息来简化三维模型，提高了三维模型的显示与处理效率，使得三维模型的应用延伸到了产品全生命周期内的各个阶段。但是轻量化模型并不能完全适用于业务系统的所有环节，在工艺设计和制造加工等诸多环节，轻量化模型还不满足要求。
2 统一MBD数据集的提出
根据以上的阐述，MBD数据集是产品生命周期中的唯一数据源，在应用和传递的过程中，其形态是不断变化的，在产品生命周期的不同阶段，各个业务系统根据需要对MBD数据集进行提取、整合和加工。笔者从MBD数据集在产品生命周期中的应用和验证的角度提出统JMBD数据集模型，主要目的是保证数据的唯一性，并使得各种MBD数据集的形态关联起来。
从设计阶段开始按模型对象的类型来分，就有零件模型和装配模型。按零部件的建模特点来分，又有机加件、铸造件、锻造件、钣金件、电缆管路类等。从MBD在整个产品生命周期中各个环节的用途出发，笔者将MBD数据集分为以下六类，MBD设计模型、MBD工艺工序模型、MBD工装和模具模型、MBD检验模型、MBD分析仿真模型、MBD轻量化模型。这六类MBD模型涵盖了MBD数据集在设计、制造的各个环节，将这六类模型集合起来，就构成了统JMBD数据集。统一MBD数据集的数据模型如图1所示。
图1 统JMBD数据集模型
在统JMBD数据集模型中，MBD设计模式处于核心的位置，是各种类型MBD模型的唯一源头，各类MBD模型不一定直接使用设计模型，但必须以MBD设计模型为依据，进行“对标”。统JMBD数据集内各类模型之间的关系如图2所示。
图2 MBD模型之间关系
MBD设计模型按照模型成熟度可以划分为一级MBD设计模型、二级MBD设计模型和三级MBD设计模型等。可以依此开展研制阶段的并行设计。
MBD工艺工序模型是除MBD设计模型外最重要的MBD模型，产品制造、检验等环节都要以此为依据。建立MBD工艺工序模型的过程就是依据MBD设计模型重构的过程，工艺人员接到设计模型后，完成工艺方案设计和工艺路线规划，如加工阶段的划分（粗加工、半精加工及精加工等），加工工序的划分（工序集中或工序分散），然后关联引用设计模型进行工艺工序模型的建立。最后一道的MBD工艺模型与MBD设计模型包含相同的三维几何形状特征。
MBD检验模型必须以MBD设计模型和MBD工艺工序模型为依据，可以说是MBD设计模型或MBD工艺工序模型的子集。检验模型包含所有需要检验的要素的信息，几何公差、形位公差、关重件尺寸、粗糙度等等。按工序检验每一道工序MBD检验模型必须以MBD工艺工序模型为依据。
MBD工装模具模型是比较特殊的三维模型，工装和模具是为产品设计服务的，本身又不同于产品本身，可以说是全新设计的产品。设计的依据就是产品设计模型，因此MBD设计模型是MBD工装模具模型的“设计任务书”，设计完成的工装模具模型必须满足产品制造的要求，在尺寸、接口关系上与MBD设计模型协调一致。MBD工装模型完成后根据需要提供可装配性仿真分析和工艺分析使用。
设计部门的仿真分析工程师接到产品设计师交付的MBD设计模型后，往往并不能直接使用，需要关联创建MBD仿真分析模型，进行多学科设计仿真时，要根据具体分析的情况对MBD设计模型进行相应的修正，如只需要提取部分特征结构的尺寸，局部特征和细小特征根据仿真精度分析要求进行简化和修正，进行耦合分析时，对不同系统的产品组合在一起建模，因而产品的EBOM结构也有可能发生变化。
MBD轻量化模型之所以要单独地提出，是因为在装配仿真、在线工艺、动画制作、质量管理和项目管理、脱密处理和封装处理等多个环节均需要使用轻量化模型，MBD设计模型数据量庞大，处理效率低，不同CAD系统的数据互不兼容，从而导致系统间模型信息的交换和共享发生困难。常用的MBD轻量化方案如表1所示。
表1 轻量化模型的应用现状（主流国际厂商的轻量化方案）
产品全生命周期中，不同业务系统对MBD数据集的信息获取也是不一样的，MBD数据集的传递关系如图3所示。
图3 统JMBD数据集在产品全生命周期的传递
3 MBD技术对传统产品研制模式的影响
总的说来，大多数型号产品研制还遵循着传统的研制模式。还是“二维工程图+三维模型”的应用状态，这种状态主要有以下一些表征：
1)设计下厂的图纸基本上是二维工程图的“蓝图”，在工艺、工装、制造、检验等环节传递的信息载体还是二维图纸。
2)三维模型一般是独立建立的，设计独立建立设计三维模型，工艺依据蓝图建立工艺三维模型。设计人员和工艺人员分别使用不同的三维建模软件。
3)三维模型不用来交换的，设计三维模型主要用于生成二维工程图、进行虚拟的装配、进行分析仿真，计算质量特性等；工艺的三维模型主要用于模拟装配，进行数控加工、工装和模具设计等。
4)在设计阶段，总体和分系统的协同设计主要还是二维模式，总体向分系统提出任务书，以书面的形式规定了分系统设计的外形要求、包络范围、结构形式和质量特性等。分系统完成三维模型设计提交总体进行总装。也有自顶向下的设计流程，主要是总体进行布局设计，构建骨架模型，发布几何提供给分系统进行详细设计。
5)在产品研制过程中，产生的过程文件，包括设计任务书、技术条件、技术要求、技术协调文件、质量文件以及“三单”，其内部的产品信息都以二维图纸的形式存在。
在MBD技术引入研制流程后，全三维模式使用人员仅需一个三维数模即可获取全部信息，减少了对其他信息系统的过度依赖，使设计与制造厂之间的信息交换可不完全依赖信息系统的集成而保持有效的连接。它通过一系列规范的方法能够更好地表达设计思想，具有更强的表现力，同时打破了设计制造的壁垒。为研制单位带来很多改变和价值。
1)设计人员只进行三维数模的创建和定义，不出二维工程图，减少了不增值的环节，使设计专注于设计本身。
2)以往的设计人员进行三维建模然后二维出图、工艺根据二维蓝图再重复建模，简化为设计和工艺协同建模，减少了中间环节，提升了效率，减少了工艺准备的时间。
3)统一的数据源，降低了由于中间转换环节可能导致错误的概率，提高了设计制造的质量，减少了工程更改。
4)由于MBD数据集是完整的数据集合，包含了设计、制造等信息，使得MBD数据集在很多场合会代替文档的功能，部分研制文档将会简化甚至取消。文档中传递的信息会更多集成在MBD数据集的属性和注释中，便于结构化的数据管理，也便于进行数据检索。
5)MBD技术是面向特征的，基于特征分析关键特性是逐级传递的，其解决方案是从系统的角度出发，通过对过程参数的分析，使得对过程的控制更加有效。
6)MBD数据集将成为知识工程的最佳载体。抽象、分散的知识可以通过相关数据、属性或注释等方式结合到MBD数据集中，使知识更加集中和形象。将设计、制造的过程演变为知识积累和技术创新的过程。
4 结束语
MBD技术在制造业的应用方兴未艾，它的应用会对原有的传统研制模式带来很大的冲击，首先来源于MBD先进的设计理念，其本身属性如唯一数据源、基于特征和完整的信息载体等等，这些属性如何在产品全生命周期中体现和应用是值得深入思考和探索的。MBD技术是并行协同模式的有力支撑，同时并行协同研制模式也是MBD技术的本质要求。统JMBD数据集将并行协同模式明确化和具体化，保持了唯一数据源和信息的完整性，有助于MBD技术的进一步应用。
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