MBD/MBE大解读：从MBD到MBE

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基于MBD在整个企业和供应链范围内建立一个集成和协同化的环境，各业务环节充分利用已有的MBD单一数据源开展工作，从而有效地缩短整个产品研制周期，改善生产现场工作环境，提高产品质量和生产效率。

当前，国内外大型装备制造企业的数字化技术发展迅速，三维数字化设计技术得到了广泛的应用，基于模型定义（ModelBasedDefinition，简称MBD）的数字化设计与制造技术已经成为制造业信息化的发展趋势。为了更好地使MBD数据在产品的整个生命周期内能够有效充分地进行利用，很多大型装备提供商、供应商通过不同的型号项目开始研究、验证和应用MBE（ModelBasedEnterprise：基于模型的企业）方法，就是要基于MBD在整个企业和供应链范围内建立一个集成和协同化的环境，各业务环节充分利用已有的MBD单一数据源开展工作，从而有效地缩短整个产品研制周期，改善生产现场工作环境，提高产品质量和生产效率。

1概念解析

1.1基于模型的定义MBD

MBD（ModelBasedDefinition，基于模型的定义）：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数字化定义方法。将设计信息和制造信息共同定义到产品的三维数字化模型中，以改变目前三维模型和二维工程图共存的局面，更好地保证产品定义数据的唯一性。核心是将产品三维模型打造为传递到下游生产活动所需详细信息的最恰当的载体，企业所有部门和团队都使用三维模型作为信息传递途径。

MBD技术为企业带来的好处：
减少30-40%的模型不一致，30-40%的模型不一致是由2D图纸的不准确造成；大大简化检验过程，应用基于三维模型的检验软件，直接读取三维模型上的尺寸和公差数据；降低对专门技能的要求，工程师通过对模型进行平移、旋转和缩放就能够很容易地理解产品几何特征和相应的尺寸、公差；加快产品开发过程，无需检查3D模型和2D工程图样的协调关系；减少与下游用户沟通所需的时间；减少为车间解读图纸所需的时间，大大降低了设计人员的工作量（最高可达60％），显着减少工程更改（最高可达50％）；自动实现数据共享，后续的制造和检验所要求的有关信息可以通过计算机对TDP直接访问检索、查询、传递。

1.2基于模型的企业MBE

MBE（ModelBasedEnterprise，基于模型的企业），企业将其在产品全生命周期中所需要的数据、信息和知识进行整理，结合信息系统，建立便于系统集成和应用的产品模型和过程模型，通过模型进行多学科、跨部门、跨企业的产品协同设计、制造和管理，通过模型支持技术创新、大批量定制和绿色制造。

MBE主要由三大部分组成：基于模型的工程（ModelBasedEngineering，简称MBe）、基于模型的数字化制造（ModelBasedManufacturing，简称MBm）、基于模型的维护（ModelBasedSustainment，简称MBs）。其中基于模型的工程是整个MBE实施的基础，特别是其中大家比较熟悉的MBD也是基于模型工程中的重要组成。



图1基于模型的企业MBE（图片来源：PTC）



图2MBE的体系结构

MBE的主要特征表现在以下6个方面：
设计数据：主要指设计数据的表现形式、组成结构以及涵盖的信息，包括3D模型构建、3D模型/图样的关联性、非几何信息表达、模型质量及设计物料清单；技术数据包：主要指技术数据包的生产和发放方式；技术状态/构型管理数据：主要指数据的发放和管理方式、授权形式；内/外部制造数据交换：主要指产品制造信息（PMI）数据集/检验数据集的提供过程、工艺和代码数据生产、数据关联性及管理；质量控制：主要指检验方式、检验管理；企业协同及数据交互：主要指企业内/企业间数据的提供和使用方式。

MBE的效益在MBD创建并在整个企业应用时就已经开始了，对于大型装备的原始制造商和供应商来说，在整个MBE企业的方案、设计、验证、制造、维护的各个环节都会带来实实在在的效益：
缩短新订/经修订的产品的交付时间，并降低了工程设计的返工周期整合并精简设计和制造流程，降低成本生产规划时间减少，减少生产延误的风险提高生产过程的设计质量，减少制造交货时间减少工程变更，减少产品缺陷，提高首次质量改善与利益相关者的合作、协同，缩减在产品的开发管理生命周期中的所有要素的周期和整体项目的成本提高备件的采购效率改进作业指导书和技术出版物的质量在维修过程中的活动中提供互动的能力，以减少时间和维护产品

1.3两者关系

基于模型的企业MBE是MBD数据源的应用环境，完整的MBE能力体系构建，就是以MBD模型为统一的“工程语言”，按系统工程方法的指导，全面优化梳理企业内外、产品全生命周期业务流程、标准，采用先进的信息化技术，形成一套崭新的完整的产品研制能力体系。企业需要一套面向MBE的信息化环境，帮助企业实现MBD模型以及相关数据在企业内外能够顺畅流通、可直接利用。对于每一个制造企业，跨企业内外的产品全生命周期业务是非常复杂的，基于现有各自独立的信息化技术和工具，不可避免需要处理大量的系统集成和数据转换，才勉强能保障MBD模型以及相关数据的流通或可利用，这将是致力于成为MBE企业直接面临的最大的问题。

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2发展历程



图3发展历程

（1）单纯二维工程图。设计师在设计新产品时，首先将脑海中的三维实体通过严格的标准和投影关系变成为复程界所共识的标准工程图。然后制造工程师、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。对二维图样的绘制和理解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。

（2）以二维工程图为中心，三维为辅。工程师在设计过程中，采用二三维CAD混用的模式，使用三维CAD进行产品功能结构设计，工程图还是在原来的二维CAD中进行，存档文件也是采用二维图档，指导后续的加工生产。二维图纸依旧作为信息传输过程中的重要文件。

（3）以三维模型为中心，二维为辅。工程师采用三维软件开展产品设计和验证工作，指导生产加工的二维图纸通过CAD软件自动生成。

（4）基于模型的定义MBD。摒弃二维图样，将MBD模型作为制造的唯一依据。将三维制造信息PMI与三维设计信息共同定义到产品三维数字化模型中，使CAD和CAM等实现真正高度集成，使生产制造过程可不再使用二维图纸。

（5）基于模型的企业MBE。设计过程中的数据具有独立、稳定、可管理、可重用等特点，模型中包含的数据信息能在工艺、制造环节有效传递，生产制造包括后续的过程都高度自动化，实现数字样机和物理样机中间各个环节的通路。

3基于模型的定义MBD

3.1MBD标准体系—ASMEY14.41

传统的3D模型，包括有限元仿真、装配模拟、运动模拟，应用了10多年。但模型上因为缺少制造所必须的尺寸、公差等的精确表达，一直不能独立的作为产品信息的唯一数据源。模型和制造数据一体化，即：让产品属性如尺寸、公差和其他技术要求“牢牢的嵌入（embeddedin）”模型，让嵌入模型上的尺寸、公差和其他属性可以通过计算机直接访问、查询和重用，让产品生命周期的各个阶段和供应链的全程可以直接利用。这是工程和生产人员的渴望，也是信息化继续深化的必然趋势。

1997年美国制造工程师协会ASME组成专业委员会，由以波音为主的16个制造和软件系统企业参加，制订了ASMEY14.41-2003“数字化产品定义数据通则”，ISO又根据ASMEY14.41-2003制定了ISO16792：2006，数字产品定义数据实践。标准规定了新的、统一的产品定义方法。所谓“新”，其一是用嵌入的、完全标注的3D模型定义产品；其二，也是更重要的，是用计算机可以识别的“产品定义数据集（ProductDefinitionDataSet）”，目前多数文献也称其为“技术数据包TechnicalDataPackage”或“TDP”，做为对3D模型的补充说明。

此外，ASMEY14.413DCAD产品定义标准还为并行协同的研制提供了应用基础，让下游包括工艺过程设计、制造、维修等所有业务可以直接利用产品定义数据。实际上，MBD开创了真正的产品数据唯一数据源和真正无缝集成。MBD打开了束缚制造业信息化发展的瓶颈，开启了制造行业信息化发展的新纪元。

3.2MBD实施的十要十不要



图4MBD实施的十要十不要

3.3MBD模型的应用



图5MBD模型的应用

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2发展历程



图3发展历程

（1）单纯二维工程图。设计师在设计新产品时，首先将脑海中的三维实体通过严格的标准和投影关系变成为复程界所共识的标准工程图。然后制造工程师、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。对二维图样的绘制和理解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。

（2）以二维工程图为中心，三维为辅。工程师在设计过程中，采用二三维CAD混用的模式，使用三维CAD进行产品功能结构设计，工程图还是在原来的二维CAD中进行，存档文件也是采用二维图档，指导后续的加工生产。二维图纸依旧作为信息传输过程中的重要文件。

（3）以三维模型为中心，二维为辅。工程师采用三维软件开展产品设计和验证工作，指导生产加工的二维图纸通过CAD软件自动生成。

（4）基于模型的定义MBD。摒弃二维图样，将MBD模型作为制造的唯一依据。将三维制造信息PMI与三维设计信息共同定义到产品三维数字化模型中，使CAD和CAM等实现真正高度集成，使生产制造过程可不再使用二维图纸。

（5）基于模型的企业MBE。设计过程中的数据具有独立、稳定、可管理、可重用等特点，模型中包含的数据信息能在工艺、制造环节有效传递，生产制造包括后续的过程都高度自动化，实现数字样机和物理样机中间各个环节的通路。

3基于模型的定义MBD

3.1MBD标准体系—ASMEY14.41

传统的3D模型，包括有限元仿真、装配模拟、运动模拟，应用了10多年。但模型上因为缺少制造所必须的尺寸、公差等的精确表达，一直不能独立的作为产品信息的唯一数据源。模型和制造数据一体化，即：让产品属性如尺寸、公差和其他技术要求“牢牢的嵌入（embeddedin）”模型，让嵌入模型上的尺寸、公差和其他属性可以通过计算机直接访问、查询和重用，让产品生命周期的各个阶段和供应链的全程可以直接利用。这是工程和生产人员的渴望，也是信息化继续深化的必然趋势。

1997年美国制造工程师协会ASME组成专业委员会，由以波音为主的16个制造和软件系统企业参加，制订了ASMEY14.41-2003“数字化产品定义数据通则”，ISO又根据ASMEY14.41-2003制定了ISO16792：2006，数字产品定义数据实践。标准规定了新的、统一的产品定义方法。所谓“新”，其一是用嵌入的、完全标注的3D模型定义产品；其二，也是更重要的，是用计算机可以识别的“产品定义数据集（ProductDefinitionDataSet）”，目前多数文献也称其为“技术数据包TechnicalDataPackage”或“TDP”，做为对3D模型的补充说明。

此外，ASMEY14.413DCAD产品定义标准还为并行协同的研制提供了应用基础，让下游包括工艺过程设计、制造、维修等所有业务可以直接利用产品定义数据。实际上，MBD开创了真正的产品数据唯一数据源和真正无缝集成。MBD打开了束缚制造业信息化发展的瓶颈，开启了制造行业信息化发展的新纪元。

3.2MBD实施的十要十不要



图4MBD实施的十要十不要

3.3MBD模型的应用



图5MBD模型的应用

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4基于模型的企业MBE

4.1关键技术



图6MBE关键技术

（1）复杂模型的建立技术

模型有难易，复杂模型需要深厚的专业知识背景，需要进行跨学科的协同。

（2）模型中的知识获取技术

商业软件容易买到，但要用得好就需要很多知识。这往往是我国制造企业所缺乏的，而且，更缺乏的是模型里面所隐藏的知识，会使用，却不知其所以然。每个产品都有自己的特点，有自己的领域知识。通用的MBE商业软件一般只能在产品设计的后期发挥作用，并不能真正解决产品创新问题。因此，国外大企业都有自己的MBE专用软件和模型，这是他们长期研究的成果，是他们的核心竞争能力。这种软件一般是买不到的。即使买到，也很难使用，因为需要很好的专业背景的人员才能建立适用的模型，并正确使用系统。模型是知识的集成和重构，没有知识，模型也就是空架子。知识高度分散，并大多隐藏在员工的头脑中，并非那么容易挖掘。

（3）解决未知问题的模型技术

当今企业环境变化越来越快，产品更新速度也在加快，模型也需要不断更新发展。这一方面需要建模时有很强的预测能力，考虑问题全面，以应对环境的变化；另一方面需要模型具有一定的自优化能力，能够较好地适应环境的变化。这种应对未知问题的模型技术，需要一定深度和广度的知识累积和能力。

（4）多学科协同建模技术

复杂模型涉及多学科知识。不同学科甚至不同员工都有自己的知识体系，采用不同的知识模型。多学科协同建模需要对彼此的学科有较好的了解，需要有统一的术语和描述标准，需要有考虑全面的接口。这需要标准化部门和行业协会的支持．

（5）产品模块化技术

产品模块化需要对不同产品中的相似零部件进行识别、分析和建模，使产品模块具有较宽的适用面；需要对产品的未来发展趋势进行比较准确的预测，使产品模块具有较长的生命周期。这需要产品模块化人员对各种相似产品有透彻的了解，对技术、市场和产品趋势有全面深入的分析，并愿意为企业和行业的全局和长远利益开展细致、繁杂、艰辛和不求当前回报的工作。

（6）面向MBE的管理技术

MBE的级别越高，越需要依靠企业员工间的协同。这就要求企业有好的管理模式。企业有较好的创新文化和能力，就会源源不断地创造、积累和分享知识，进而成为MBE。因此，企业需要更加注重引进先进的管理理念和技术来对企业进行变革，而不是把目光仅盯着产品、技术、软件。

（7）模型集成标准建立技术

不同的软件公司所开发的系统中嵌入的模型的描述方法、形式等往往不同，这将导致所开发的系统难以集成。这需要软件公司、制造企业和咨询服务企业三方的通力合作。不同的制造企业对模型提出不同的需求，软件公司、制造企业和咨询服务企业要三方协同，对这些不同需求进行整合和标准化，并将需求模型转变为产品和过程的定义模型。

（8）产品生命周期统一模型技术

产品研发阶段有产品概念模型，产品设计阶段有产品实体模型，产品加工阶段有产品加工模型，产品测试阶段有产品测试模型，产品仿真阶段有产品仿真模型。这些模型之间转换难，需要一种产品生命周期统一模型。当然，这种模型是随着产品生命周期的进展而不断完善的。

（9）基于模型的SOA（ServiceOrientedArchitecture，面向服务的体系结构）技术

MBE的子系统实施相对容易，但模型和系统的集成难，模型在不同系统中的转换有很大难度。不仅不同的软件公司所开发的系统无缝集成难，就是同一软件公司所开发的不同系统无缝集成也难，因为这往往是两个项目团队在不同的时期开发的，不同的软件系统的发展过程不同，所采用的技术不同。

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4基于模型的企业MBE

4.1关键技术



图6MBE关键技术

（1）复杂模型的建立技术

模型有难易，复杂模型需要深厚的专业知识背景，需要进行跨学科的协同。

（2）模型中的知识获取技术

商业软件容易买到，但要用得好就需要很多知识。这往往是我国制造企业所缺乏的，而且，更缺乏的是模型里面所隐藏的知识，会使用，却不知其所以然。每个产品都有自己的特点，有自己的领域知识。通用的MBE商业软件一般只能在产品设计的后期发挥作用，并不能真正解决产品创新问题。因此，国外大企业都有自己的MBE专用软件和模型，这是他们长期研究的成果，是他们的核心竞争能力。这种软件一般是买不到的。即使买到，也很难使用，因为需要很好的专业背景的人员才能建立适用的模型，并正确使用系统。模型是知识的集成和重构，没有知识，模型也就是空架子。知识高度分散，并大多隐藏在员工的头脑中，并非那么容易挖掘。

（3）解决未知问题的模型技术

当今企业环境变化越来越快，产品更新速度也在加快，模型也需要不断更新发展。这一方面需要建模时有很强的预测能力，考虑问题全面，以应对环境的变化；另一方面需要模型具有一定的自优化能力，能够较好地适应环境的变化。这种应对未知问题的模型技术，需要一定深度和广度的知识累积和能力。

（4）多学科协同建模技术

复杂模型涉及多学科知识。不同学科甚至不同员工都有自己的知识体系，采用不同的知识模型。多学科协同建模需要对彼此的学科有较好的了解，需要有统一的术语和描述标准，需要有考虑全面的接口。这需要标准化部门和行业协会的支持．

（5）产品模块化技术

产品模块化需要对不同产品中的相似零部件进行识别、分析和建模，使产品模块具有较宽的适用面；需要对产品的未来发展趋势进行比较准确的预测，使产品模块具有较长的生命周期。这需要产品模块化人员对各种相似产品有透彻的了解，对技术、市场和产品趋势有全面深入的分析，并愿意为企业和行业的全局和长远利益开展细致、繁杂、艰辛和不求当前回报的工作。

（6）面向MBE的管理技术

MBE的级别越高，越需要依靠企业员工间的协同。这就要求企业有好的管理模式。企业有较好的创新文化和能力，就会源源不断地创造、积累和分享知识，进而成为MBE。因此，企业需要更加注重引进先进的管理理念和技术来对企业进行变革，而不是把目光仅盯着产品、技术、软件。

（7）模型集成标准建立技术

不同的软件公司所开发的系统中嵌入的模型的描述方法、形式等往往不同，这将导致所开发的系统难以集成。这需要软件公司、制造企业和咨询服务企业三方的通力合作。不同的制造企业对模型提出不同的需求，软件公司、制造企业和咨询服务企业要三方协同，对这些不同需求进行整合和标准化，并将需求模型转变为产品和过程的定义模型。

（8）产品生命周期统一模型技术

产品研发阶段有产品概念模型，产品设计阶段有产品实体模型，产品加工阶段有产品加工模型，产品测试阶段有产品测试模型，产品仿真阶段有产品仿真模型。这些模型之间转换难，需要一种产品生命周期统一模型。当然，这种模型是随着产品生命周期的进展而不断完善的。

（9）基于模型的SOA（ServiceOrientedArchitecture，面向服务的体系结构）技术

MBE的子系统实施相对容易，但模型和系统的集成难，模型在不同系统中的转换有很大难度。不仅不同的软件公司所开发的系统无缝集成难，就是同一软件公司所开发的不同系统无缝集成也难，因为这往往是两个项目团队在不同的时期开发的，不同的软件系统的发展过程不同，所采用的技术不同。

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4.2MBE面临的挑战



图7MBE面临的挑战

（1）模型格式的转换问题。

由CAD/CAM以及其它制造软件供应商造成的3DCAD文件格式差异，成为实现MBE数字线和企业真正的集成和协同的现实障碍。供应商有各自独特的3D模型和TDP文件格式。同一种软件还有不同版本的数据兼容问题。而对于一个企业或产品供应网络，会用到多个不同水平的CAD系统，不同厂商提供的CAM/NC/CMM/MES系统。将所有的应用软件都统一在同一种格式上几乎是不可能。因此MBE理想化的数字线上，实际还是存在着许多因为CAD软件系统造成的断点，3D模型文件的格式转换是不可避免的，尽管所有设计数据的发布可以转换成为STEP和IGIS中性文件。目前，有些企业的做法是直接使用本地3DCAD模型，在需要衔接时，进行不同格式文件的直接转换。用本地文件而不是从中性文件输入CAD几何具有的好处是：消除中间格式的转换、翻译、认证的工作量和减少潜在的翻译错误。

在集成来自承包商、供应商和合作伙伴的多种格式的数据时，也不再需要将其转化为一个共同的格式。目前，CAD系统的供应商和很多3D模型格式转换的服务商已经可以提供3D模型转换的软件工具，可以解决大部分格式转换的问题。

当然，中性的标准格式的价值并没有被削弱。航空产品的生命周期比CAD软件版本更新的周期要长许多。相对稳定的标准格式可以解决模型数据长期保存和因软件更新引起的读不出来的问题。

（2）企业信息化进程的多样性。

因为MBE的进展引发的问题还有大量老产品的处理。目前，从企业信息化进程的角度看，同一个企业有最新的MBE模式、更大量的是传统2D数据的信息化处理模式，也仍旧存在着纯手工的管理模式。在普遍的混流生产企业中或是车间里，存在这种“一国两制”甚至是“一国三制”的状态，极大的增加了业务流程的复杂性，甚至会出现在同一台机床上加工的零件，有用纯纸质文档、“半数字化”MES、无纸化的MBE方式的。多种系统的维护和运行规则都会加重车间的负担，以致造成混乱。所以，在目前各个企业将注意力集中在数字化应用“快步跑”的时候，还必须对企业信息化的全局有一个均衡、统筹的规划，特别要关注老的、使用期长的机种，这些产品存在长期生产、维修的数据管理和信息化问题。就目前美国的重要军机，如F35的生产特别是装配，是单独建线的，即“一代飞机、一代管理”，有利于管理进步，也不会因为老机型而拖累新技术的快速发展。从这个角度出发，我们必须反思我国航空工业新机生产之前缺失“生产系统设计”的环节，将所有的产品堆积在一个几十年不变的生产线中的模式。

（3）统一的信息技术平台。

MBE是以3D模型定义为基础，为整个企业所共享的、全面集成和协同制造的环境。在企业或供应链中，无论在何处的数据生产者和数据消费者，在制造过程的任何点上，都将连接到一个共同数字的数据源上，数据标准将从设计阶段开始，延伸到制造，继而到最后装配。这种统一平台就是PLM系统。MBE的PLM是一个数字数据产生、传递和管理的统一平台，不被部门和层次化的局部和应用所割裂或中断。MBE的重要标志之一是：制造、质量代码与设计模型在同一个PLM中管理。届时，完成设计和工艺的数据asdesigned/asplanned，包括作业指导书和CNC/CMM代码，制造完成和每次维护以后采集的数据asbuilt/asmaintained/assustained都在同一数据平台中。在MBE中，当前的所谓设计和研发平台，工艺平台，制造平台、工具、工装等五花八门的区域性的平台都将起到割裂连续数字线的作用。所以从现在起，我们就要将信息规划的着眼点转移到利用PLM建立唯一的统一数据平台上来。

（4）并行和协同的实施。

在MBE环境中，所有的工程活动是个同步或并行的过程。创建3D动态作业指导书、制造与质量代码CNC/CMM程序、离散事件模拟等活动都是与创建设计模型并行开展的，这些工作都能够在设计过程完成之前开始并完成到一定程度。尽管并行工程的概念和应用有几十年之久了，但是，只有在MBE环境中才能缩短并行工程的研制周期和充分发挥各种模拟仿真的效能。供应商也可以在它们的内部开发过程重用OEM的TDP中的信息。但是，实行并行工程和真正的协同至今仍旧受到现有厂所建制和企业内部机构设置、功能划分的限制，也深受设计和工艺人员分工、知识技能的制约。这些属于行业规则和企业文化的问题也需要及早找到妥善的解决方案。

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4.2MBE面临的挑战



图7MBE面临的挑战

（1）模型格式的转换问题。

由CAD/CAM以及其它制造软件供应商造成的3DCAD文件格式差异，成为实现MBE数字线和企业真正的集成和协同的现实障碍。供应商有各自独特的3D模型和TDP文件格式。同一种软件还有不同版本的数据兼容问题。而对于一个企业或产品供应网络，会用到多个不同水平的CAD系统，不同厂商提供的CAM/NC/CMM/MES系统。将所有的应用软件都统一在同一种格式上几乎是不可能。因此MBE理想化的数字线上，实际还是存在着许多因为CAD软件系统造成的断点，3D模型文件的格式转换是不可避免的，尽管所有设计数据的发布可以转换成为STEP和IGIS中性文件。目前，有些企业的做法是直接使用本地3DCAD模型，在需要衔接时，进行不同格式文件的直接转换。用本地文件而不是从中性文件输入CAD几何具有的好处是：消除中间格式的转换、翻译、认证的工作量和减少潜在的翻译错误。

在集成来自承包商、供应商和合作伙伴的多种格式的数据时，也不再需要将其转化为一个共同的格式。目前，CAD系统的供应商和很多3D模型格式转换的服务商已经可以提供3D模型转换的软件工具，可以解决大部分格式转换的问题。

当然，中性的标准格式的价值并没有被削弱。航空产品的生命周期比CAD软件版本更新的周期要长许多。相对稳定的标准格式可以解决模型数据长期保存和因软件更新引起的读不出来的问题。

（2）企业信息化进程的多样性。

因为MBE的进展引发的问题还有大量老产品的处理。目前，从企业信息化进程的角度看，同一个企业有最新的MBE模式、更大量的是传统2D数据的信息化处理模式，也仍旧存在着纯手工的管理模式。在普遍的混流生产企业中或是车间里，存在这种“一国两制”甚至是“一国三制”的状态，极大的增加了业务流程的复杂性，甚至会出现在同一台机床上加工的零件，有用纯纸质文档、“半数字化”MES、无纸化的MBE方式的。多种系统的维护和运行规则都会加重车间的负担，以致造成混乱。所以，在目前各个企业将注意力集中在数字化应用“快步跑”的时候，还必须对企业信息化的全局有一个均衡、统筹的规划，特别要关注老的、使用期长的机种，这些产品存在长期生产、维修的数据管理和信息化问题。就目前美国的重要军机，如F35的生产特别是装配，是单独建线的，即“一代飞机、一代管理”，有利于管理进步，也不会因为老机型而拖累新技术的快速发展。从这个角度出发，我们必须反思我国航空工业新机生产之前缺失“生产系统设计”的环节，将所有的产品堆积在一个几十年不变的生产线中的模式。

（3）统一的信息技术平台。

MBE是以3D模型定义为基础，为整个企业所共享的、全面集成和协同制造的环境。在企业或供应链中，无论在何处的数据生产者和数据消费者，在制造过程的任何点上，都将连接到一个共同数字的数据源上，数据标准将从设计阶段开始，延伸到制造，继而到最后装配。这种统一平台就是PLM系统。MBE的PLM是一个数字数据产生、传递和管理的统一平台，不被部门和层次化的局部和应用所割裂或中断。MBE的重要标志之一是：制造、质量代码与设计模型在同一个PLM中管理。届时，完成设计和工艺的数据asdesigned/asplanned，包括作业指导书和CNC/CMM代码，制造完成和每次维护以后采集的数据asbuilt/asmaintained/assustained都在同一数据平台中。在MBE中，当前的所谓设计和研发平台，工艺平台，制造平台、工具、工装等五花八门的区域性的平台都将起到割裂连续数字线的作用。所以从现在起，我们就要将信息规划的着眼点转移到利用PLM建立唯一的统一数据平台上来。

（4）并行和协同的实施。

在MBE环境中，所有的工程活动是个同步或并行的过程。创建3D动态作业指导书、制造与质量代码CNC/CMM程序、离散事件模拟等活动都是与创建设计模型并行开展的，这些工作都能够在设计过程完成之前开始并完成到一定程度。尽管并行工程的概念和应用有几十年之久了，但是，只有在MBE环境中才能缩短并行工程的研制周期和充分发挥各种模拟仿真的效能。供应商也可以在它们的内部开发过程重用OEM的TDP中的信息。但是，实行并行工程和真正的协同至今仍旧受到现有厂所建制和企业内部机构设置、功能划分的限制，也深受设计和工艺人员分工、知识技能的制约。这些属于行业规则和企业文化的问题也需要及早找到妥善的解决方案。

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4.3MBE能力评估

2009年由美国国家标准研究院（NIST）组织，美国陆军ManTech对全美近500家供应商进行了基于模型的企业（MBE）能力评估。结果表明，MBE实施程度越深入，企业在降低成本、缩短研制周期的效果越显着，因此基于模型的企业（MBE）能力评估得到了美国国防部大力推崇，且已在新的采办合同中正式接纳。如何判断一个企业处于MBE哪一阶段，可以从下图中的一些指标得到基本判断。



图8MBE能力评估

Level0：企业这个阶段能力水平是其它各级建立的基础。它的特点是主要依靠传统的二维图纸，有很少的地方使用3D模型。另外的特点是事实上大多数（如果不是所有）下游数据使用者必须通过一种或多种方式来重新生成产品定义数据以有效利用上游数据。这一级别具有如下特点：
二维工程图为主没有或有少量三维模型比较少的重用上游产品定义数据手动创建技术数据包（Technicaldatapackage，简称TDP）有很少或没有与扩展企业连接很少使用产品生命周期管理工具

Level1：这个级别是开始有效使用三维模型的开始。虽然仍是二维工程图为主，但是已经与三维模型关联并在一起进行管理。这一级也是第一次开始重用三维CAD模型数据，尽管都是通过输出中间格式文件来实现的。这个级别也由于开始重用数据而开始能够减少错误率和缩减交付时间。这一级别具有如下特点：
二维工程图为主三维模型与二维工程图关联初始三维模型数据重用，通过输出中性格式文件（如STEP和IGES）手动创建TDP有很少或没有与扩展企业连接很少使用产品生命周期管理工具

Level2：除了使用的不再是中性文件，而是重用原始的CAD数据文件外，本级能力水平本质上与Level1是一样的。在有特别请求的情况下，原始CAD数据也可以被下游单位或者企业获得。当企业内部或下游企业使用相同的产品套件并且能够不需要数据转换就能充分使用三维模型时，对这些模型的访问将变得尤为重要。这进一步降低了错误的机会和任务交付时间。这一级别具有如下特点：
二维工程图为主三维模型与二维工程图关联初始三维模型数据重用，通过原始三维模型数据格式手动创建的TDP有很少或没有与扩展企业连接

Level3：这个能力级别是第一次考虑3D模型与二维工程图的结合作为产品定义的主要来源，在这个级别模型是几何定义，二维工程图作为特例并且是来自于包含了相关的产品制造信息（ProductManufacturingInformation，简称PMI）模型的输出。采用了产品生命周期管理工具和轻量化的三维可视化文件作为交付使用，这个可视化文件是一个CAD的中性文件，并可为整个企业提供完整的产品定义，他们可以取代图纸。这个级别由于减少了图纸上的依赖，从而大大减少了错误和交付时间。这一级别具有如下特点：
3D模型与受控的二维工程图为主二维工程图仅仅特殊情况下创建模型被用于整个生命周期手动创建的TDP有很少或没有与扩展企业连接内部使用产品生命周期管理工具

Level4：这个能力级别是建立在Level3级能力基础上。在这个级别，模型是唯一的产品定义，它也开始进一步将制造工具套件融入整个环境中，不仅仅是模型的重用，还包括各类元数据信息的直接重用。这也是进一步使用产品生命周期管理工具的结果，质量方面也是如此，最终使得在整个扩展企业中产品定义的交付实现了自动化。这一级别具有如下特点：
3D模型为主二维工程图创建属于例外模型和元数据都集成并应用到了制造和质量领域产品定义交付实现自动化有很少或没有与扩展企业连接内部使用产品生命周期管理工具...

Level5：这个级别的能力是第一次成为一个真正的基于模型的企业，它同样建立在前面几个层级之上，但是增加了企业的连接。这样做可以使企业的所有人都可以访问到实时的、最新的产品定义，并可以全自动配置TDP。这一级别具有如下特点：
3D模型为主二维工程图创建属于例外模型和元数据现在可以被整个扩展企业所访问、使用自动化的TDP配置在扩展企业之间有完全的连接内部和外部使用产品生命周期管理工具

Level6：这是迄今为止MBE能力定义的最高水平。本级建立在Level5级基础之上，但是增加了大量的自动化处理，使得自动化的TDP正式交付成为可能。它也消除了所有使用2D图纸的情况（也没有例外）。应当指出，Level6被认为是一个远期目标并且目前也不知道有哪些组织已经达到了这个水平，但并不是说技术上不可用来实现它。这一级别具有如下特点：
3D模型不允许存在二维工程图模型和元数据现在可以被整个扩展企业所访问、使用。完全自动化的TDP有完全连接的扩展企业内部和外部使用产品生命周期管理工具

recluse1981

4.3MBE能力评估

2009年由美国国家标准研究院（NIST）组织，美国陆军ManTech对全美近500家供应商进行了基于模型的企业（MBE）能力评估。结果表明，MBE实施程度越深入，企业在降低成本、缩短研制周期的效果越显着，因此基于模型的企业（MBE）能力评估得到了美国国防部大力推崇，且已在新的采办合同中正式接纳。如何判断一个企业处于MBE哪一阶段，可以从下图中的一些指标得到基本判断。



图8MBE能力评估

Level0：企业这个阶段能力水平是其它各级建立的基础。它的特点是主要依靠传统的二维图纸，有很少的地方使用3D模型。另外的特点是事实上大多数（如果不是所有）下游数据使用者必须通过一种或多种方式来重新生成产品定义数据以有效利用上游数据。这一级别具有如下特点：
二维工程图为主没有或有少量三维模型比较少的重用上游产品定义数据手动创建技术数据包（Technicaldatapackage，简称TDP）有很少或没有与扩展企业连接很少使用产品生命周期管理工具

Level1：这个级别是开始有效使用三维模型的开始。虽然仍是二维工程图为主，但是已经与三维模型关联并在一起进行管理。这一级也是第一次开始重用三维CAD模型数据，尽管都是通过输出中间格式文件来实现的。这个级别也由于开始重用数据而开始能够减少错误率和缩减交付时间。这一级别具有如下特点：
二维工程图为主三维模型与二维工程图关联初始三维模型数据重用，通过输出中性格式文件（如STEP和IGES）手动创建TDP有很少或没有与扩展企业连接很少使用产品生命周期管理工具

Level2：除了使用的不再是中性文件，而是重用原始的CAD数据文件外，本级能力水平本质上与Level1是一样的。在有特别请求的情况下，原始CAD数据也可以被下游单位或者企业获得。当企业内部或下游企业使用相同的产品套件并且能够不需要数据转换就能充分使用三维模型时，对这些模型的访问将变得尤为重要。这进一步降低了错误的机会和任务交付时间。这一级别具有如下特点：
二维工程图为主三维模型与二维工程图关联初始三维模型数据重用，通过原始三维模型数据格式手动创建的TDP有很少或没有与扩展企业连接

Level3：这个能力级别是第一次考虑3D模型与二维工程图的结合作为产品定义的主要来源，在这个级别模型是几何定义，二维工程图作为特例并且是来自于包含了相关的产品制造信息（ProductManufacturingInformation，简称PMI）模型的输出。采用了产品生命周期管理工具和轻量化的三维可视化文件作为交付使用，这个可视化文件是一个CAD的中性文件，并可为整个企业提供完整的产品定义，他们可以取代图纸。这个级别由于减少了图纸上的依赖，从而大大减少了错误和交付时间。这一级别具有如下特点：
3D模型与受控的二维工程图为主二维工程图仅仅特殊情况下创建模型被用于整个生命周期手动创建的TDP有很少或没有与扩展企业连接内部使用产品生命周期管理工具

Level4：这个能力级别是建立在Level3级能力基础上。在这个级别，模型是唯一的产品定义，它也开始进一步将制造工具套件融入整个环境中，不仅仅是模型的重用，还包括各类元数据信息的直接重用。这也是进一步使用产品生命周期管理工具的结果，质量方面也是如此，最终使得在整个扩展企业中产品定义的交付实现了自动化。这一级别具有如下特点：
3D模型为主二维工程图创建属于例外模型和元数据都集成并应用到了制造和质量领域产品定义交付实现自动化有很少或没有与扩展企业连接内部使用产品生命周期管理工具...

Level5：这个级别的能力是第一次成为一个真正的基于模型的企业，它同样建立在前面几个层级之上，但是增加了企业的连接。这样做可以使企业的所有人都可以访问到实时的、最新的产品定义，并可以全自动配置TDP。这一级别具有如下特点：
3D模型为主二维工程图创建属于例外模型和元数据现在可以被整个扩展企业所访问、使用自动化的TDP配置在扩展企业之间有完全的连接内部和外部使用产品生命周期管理工具

Level6：这是迄今为止MBE能力定义的最高水平。本级建立在Level5级基础之上，但是增加了大量的自动化处理，使得自动化的TDP正式交付成为可能。它也消除了所有使用2D图纸的情况（也没有例外）。应当指出，Level6被认为是一个远期目标并且目前也不知道有哪些组织已经达到了这个水平，但并不是说技术上不可用来实现它。这一级别具有如下特点：
3D模型不允许存在二维工程图模型和元数据现在可以被整个扩展企业所访问、使用。完全自动化的TDP有完全连接的扩展企业内部和外部使用产品生命周期管理工具

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5MBD/MBE成功案例
5.1基于模型的企业（MBE）在航空业的实践与发展
四川成发航空科技股份有限公司根据MBE组成，结合企业需求与产品特点，开展MBE项目建设与试点应用。MBE的技术架构见图9，重点建设的内容有基于模型的产品设计、分析应用、零件工艺、装配工艺、工装设计、作业指导书、制造执行、检测检验，数字化服务管理及标准定义共十大部分，虚线框图内容未纳入本期建设。
图9成发基于模型的企业技术架构放大图片
图9成发基于模型的企业技术架构
(1)基于模型的产品设计。开展MBD设计辅助工具的开发与应用，建立数字化设计资源库(标准件库、材料库、元器件库、典型零件库等)，统一设计工具和设计标准，实现产品的快速设计，保证设计模型的规范化，提高产品设计的质量，为下游各阶段的数据复用提供数据基础。将设计工具与PDM(ProductDataManagement)系统集成，实现MBD数据统一管理。
(2)基于模型的分析应用。通过PDM与任务和分析工具集成，设计员可基于任务开展设计分析，完成模型签出、分析模型构建、有限元计算以及多物理场的仿真分析，得到相应的分析结果，实现分析报告快捷创建，将分析结果与报告返回PDM统一管理，并与构型关联保证可追溯。
(3)基于模型的零件、装配工艺。开展MBD工艺设计辅助工具的开发与应用，建立三维数字化工艺资源库，统一工艺设计工具和标准，完成PDM与工艺设计与仿真工具集成，实现继承和复用MBD设计模型，开展零件和装配工艺的规划与仿真，在PDM内统一管理。
(4)基于模型的工装设计。开展工装快速设计工具开发与应用，建立工装分类与资源库，统一工装设计工具与标准，与PDM集成，实现复用MBD模型快速开展工装设计，在PDM内完成工装设计活动的管控与工装数据管理。
(5)基于模型的作业指导书。应用轻量化工具，引入3DPDF展示工具，从PDM内直接将结构化工艺数据生成3DPDF文件与结构化展示两种形式，可直接推送至车间进行展示。
(6)基于模型的制造执行。通过引入EWI工具，直接从PDM内提取基于模型的作业指导，进行车间展示(含3DPDF和结构化数据两种形式)，实现基于模型的制造执行。可根据PDM的版本有效性，在车间展示有效数据指导车间生产。
(7)基于模型的检测检验。引人MBD数字化检测辅助工具并与PDM集成，实现基于MBD的标注信息，自动提取产品特征，基于特征快速实现检测规划与代码生成，开展检测路径仿真验证，生成检测的DMIS执行文件；将DMIS文件传人后置处理环境，生成检测机床可用的检测代码，驱动机床进行基于模型的生产检测；完成检测报告与检测结果对比分析。最终在PDM内进行检测代码、检测质量报告的统一管理。
(8)基于模型的数字化服务管理。开展MBD数字化服务辅助工具的开发与应用，基于模型特征生成三维电子技术手册，为成发零部件售后服务提供准确有效的技术支持，完成设计、生产数据向服务领域的传递；在三维环境中，准确生动地描述数字化服务过程，提供便捷的培训、维护工具与指导文件和环境。
(9)标准定义。结合国内外MBD标准，参考发动机行业已有标准，编制MBE／MBD的设计制造标准规范的操作和指导手册，贯穿设计、工艺、制造与维护等各阶段，用于支持产品的全生命周期业务开展与数据应用。最终建立MBE／MBD的设计制造标准规范体系。
目前系统已于2015年6月底上线运行。该系统在试点零组件的运行结果表明，在MBE建设中，已突破了基于模型的产品设计、分析应用、零件工艺、装配工艺、工装设计、作业指导书、制造执行、检测检验、数字化服务管理等各项关键技术，取得了良好的应用效果。同时，结合企业需要，已经编制或修订了MBD标准规范10多项。基于当前试点应用效果，MBE需要进一步全面开展工程化应用。下一步需要加强基于模型的系统工程和知识工程建设并与现有的MBE环境进行融合，同时与企业的管理环境进行有效融合，实现真正的MBE并迈向中国制造2025。
（案例来源：基于模型的企业（MBE）在航空业的实践与发展饶有福）

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5MBD/MBE成功案例
5.1基于模型的企业（MBE）在航空业的实践与发展
四川成发航空科技股份有限公司根据MBE组成，结合企业需求与产品特点，开展MBE项目建设与试点应用。MBE的技术架构见图9，重点建设的内容有基于模型的产品设计、分析应用、零件工艺、装配工艺、工装设计、作业指导书、制造执行、检测检验，数字化服务管理及标准定义共十大部分，虚线框图内容未纳入本期建设。
图9成发基于模型的企业技术架构放大图片
图9成发基于模型的企业技术架构
(1)基于模型的产品设计。开展MBD设计辅助工具的开发与应用，建立数字化设计资源库(标准件库、材料库、元器件库、典型零件库等)，统一设计工具和设计标准，实现产品的快速设计，保证设计模型的规范化，提高产品设计的质量，为下游各阶段的数据复用提供数据基础。将设计工具与PDM(ProductDataManagement)系统集成，实现MBD数据统一管理。
(2)基于模型的分析应用。通过PDM与任务和分析工具集成，设计员可基于任务开展设计分析，完成模型签出、分析模型构建、有限元计算以及多物理场的仿真分析，得到相应的分析结果，实现分析报告快捷创建，将分析结果与报告返回PDM统一管理，并与构型关联保证可追溯。
(3)基于模型的零件、装配工艺。开展MBD工艺设计辅助工具的开发与应用，建立三维数字化工艺资源库，统一工艺设计工具和标准，完成PDM与工艺设计与仿真工具集成，实现继承和复用MBD设计模型，开展零件和装配工艺的规划与仿真，在PDM内统一管理。
(4)基于模型的工装设计。开展工装快速设计工具开发与应用，建立工装分类与资源库，统一工装设计工具与标准，与PDM集成，实现复用MBD模型快速开展工装设计，在PDM内完成工装设计活动的管控与工装数据管理。
(5)基于模型的作业指导书。应用轻量化工具，引入3DPDF展示工具，从PDM内直接将结构化工艺数据生成3DPDF文件与结构化展示两种形式，可直接推送至车间进行展示。
(6)基于模型的制造执行。通过引入EWI工具，直接从PDM内提取基于模型的作业指导，进行车间展示(含3DPDF和结构化数据两种形式)，实现基于模型的制造执行。可根据PDM的版本有效性，在车间展示有效数据指导车间生产。
(7)基于模型的检测检验。引人MBD数字化检测辅助工具并与PDM集成，实现基于MBD的标注信息，自动提取产品特征，基于特征快速实现检测规划与代码生成，开展检测路径仿真验证，生成检测的DMIS执行文件；将DMIS文件传人后置处理环境，生成检测机床可用的检测代码，驱动机床进行基于模型的生产检测；完成检测报告与检测结果对比分析。最终在PDM内进行检测代码、检测质量报告的统一管理。
(8)基于模型的数字化服务管理。开展MBD数字化服务辅助工具的开发与应用，基于模型特征生成三维电子技术手册，为成发零部件售后服务提供准确有效的技术支持，完成设计、生产数据向服务领域的传递；在三维环境中，准确生动地描述数字化服务过程，提供便捷的培训、维护工具与指导文件和环境。
(9)标准定义。结合国内外MBD标准，参考发动机行业已有标准，编制MBE／MBD的设计制造标准规范的操作和指导手册，贯穿设计、工艺、制造与维护等各阶段，用于支持产品的全生命周期业务开展与数据应用。最终建立MBE／MBD的设计制造标准规范体系。
目前系统已于2015年6月底上线运行。该系统在试点零组件的运行结果表明，在MBE建设中，已突破了基于模型的产品设计、分析应用、零件工艺、装配工艺、工装设计、作业指导书、制造执行、检测检验、数字化服务管理等各项关键技术，取得了良好的应用效果。同时，结合企业需要，已经编制或修订了MBD标准规范10多项。基于当前试点应用效果，MBE需要进一步全面开展工程化应用。下一步需要加强基于模型的系统工程和知识工程建设并与现有的MBE环境进行融合，同时与企业的管理环境进行有效融合，实现真正的MBE并迈向中国制造2025。
（案例来源：基于模型的企业（MBE）在航空业的实践与发展饶有福）

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5.2航空发动机造数字化工艺实施应用

MBD的提出是现有设计、工艺系统的大变革，由于现行工艺中每道工序都需要配以图形进行说明、标注等，需要工艺人员做大量的图形绘制工作，如何将MBD模型体现在工艺规程上，并且进行工序内容的说明，尺寸的表达等这些都是开展MBD工艺过程中急需解决的问题。

为了解决问题，中航工业黎明公司立项开发了基于MBD三维工艺系统，根据三维工艺的特点与要求，基于NX和Teamcenter协同平台，在CAX与IE的基础上，通过开发形成的工艺设计系统，辅助工艺人员完成零件的三维工艺规程的设计。



图10工艺系统总体技术方案

1）设计数据浏览

工艺技术人员通过Teamcenter可视化浏览器查看MBD设计数据，或通过NX查看产品设计模型，通过旋转、缩放、剖切、测量等功能查看模型信息，通过选择PMI视图可以查看在各视图中标注的尺寸公差信息，进行制造BOM构建、流水分工、开始工艺设计。

2）工艺结构建立

在TeamcenterManufacturing中建立工艺BOM，见图11。每个零组件对应一个总工艺节点，在总工艺下建立零件所需要的工艺对象，比如毛坯工艺、机加工艺、数控工艺等，在工艺中建立工序，在工序下添加设备、工装、辅料等物料对象。工艺与工厂结构中的车间（或分厂）关联，工序与车间的工作中心（工位）关联。



图11TeamcenterManufacturing中的工艺BOM

3）工序模型建立

在Teamcenter的工艺、工序对象上创建NX数据集，如图12，进入NX中通过WAVELink功能关联引用设计模型或其它工序模型，通过NX同步建模功能对模型直接修改，比如增加加工余量、删除加工孔、槽等，方便快捷地建立工序模型。



图12Teamcenter中的NX数据集

4）工序内容建立

在NX中通过PMI功能进行3D制造信息标注，比如尺寸公差要求、加工区域标识、操作说明、检验要求等，如图13。需要展示内部细节时，可通过PMI剖视图展示。复杂工序可根据表达需要增加标注视图。对于热工艺，表现形式可根据加工特点作相应调整，一般情况下形状变化不多，尺寸公差信息较少，工艺参数较多。



图13NX中3D制造信息的标注

5）PDM系统的MBD工艺管理

使用定制好的工艺文件模板，从系统中提取产品、工艺、工序、工装、设备等信息，添加到工艺文件中，生成的IE表达的工艺文件。图14是基于Web在线作业指导说明书，通过IE或其它浏览器打开创建的作业指导说明书；实现三维浏览器浏览JT模型。同时在PDM协同平台下提供设计、校对、审核、审定、标检、归档、发放等工艺审批信息的记录，支持圈阅信息的保存、对比、权限控制等；支持工序的会签，满足不同工序的差异化会签需求。实现在PDM协同平台下的MBD工艺流程管理。



图14基于Web在线作业指导说明书

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5.2航空发动机造数字化工艺实施应用

MBD的提出是现有设计、工艺系统的大变革，由于现行工艺中每道工序都需要配以图形进行说明、标注等，需要工艺人员做大量的图形绘制工作，如何将MBD模型体现在工艺规程上，并且进行工序内容的说明，尺寸的表达等这些都是开展MBD工艺过程中急需解决的问题。

为了解决问题，中航工业黎明公司立项开发了基于MBD三维工艺系统，根据三维工艺的特点与要求，基于NX和Teamcenter协同平台，在CAX与IE的基础上，通过开发形成的工艺设计系统，辅助工艺人员完成零件的三维工艺规程的设计。



图10工艺系统总体技术方案

1）设计数据浏览

工艺技术人员通过Teamcenter可视化浏览器查看MBD设计数据，或通过NX查看产品设计模型，通过旋转、缩放、剖切、测量等功能查看模型信息，通过选择PMI视图可以查看在各视图中标注的尺寸公差信息，进行制造BOM构建、流水分工、开始工艺设计。

2）工艺结构建立

在TeamcenterManufacturing中建立工艺BOM，见图11。每个零组件对应一个总工艺节点，在总工艺下建立零件所需要的工艺对象，比如毛坯工艺、机加工艺、数控工艺等，在工艺中建立工序，在工序下添加设备、工装、辅料等物料对象。工艺与工厂结构中的车间（或分厂）关联，工序与车间的工作中心（工位）关联。



图11TeamcenterManufacturing中的工艺BOM

3）工序模型建立

在Teamcenter的工艺、工序对象上创建NX数据集，如图12，进入NX中通过WAVELink功能关联引用设计模型或其它工序模型，通过NX同步建模功能对模型直接修改，比如增加加工余量、删除加工孔、槽等，方便快捷地建立工序模型。



图12Teamcenter中的NX数据集

4）工序内容建立

在NX中通过PMI功能进行3D制造信息标注，比如尺寸公差要求、加工区域标识、操作说明、检验要求等，如图13。需要展示内部细节时，可通过PMI剖视图展示。复杂工序可根据表达需要增加标注视图。对于热工艺，表现形式可根据加工特点作相应调整，一般情况下形状变化不多，尺寸公差信息较少，工艺参数较多。



图13NX中3D制造信息的标注

5）PDM系统的MBD工艺管理

使用定制好的工艺文件模板，从系统中提取产品、工艺、工序、工装、设备等信息，添加到工艺文件中，生成的IE表达的工艺文件。图14是基于Web在线作业指导说明书，通过IE或其它浏览器打开创建的作业指导说明书；实现三维浏览器浏览JT模型。同时在PDM协同平台下提供设计、校对、审核、审定、标检、归档、发放等工艺审批信息的记录，支持圈阅信息的保存、对比、权限控制等；支持工序的会签，满足不同工序的差异化会签需求。实现在PDM协同平台下的MBD工艺流程管理。



图14基于Web在线作业指导说明书

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5.3小卫星数字化应用

国内航天器的设计制造正在经历着从“三维设计、二维出图”阶段到“全三维数字化设计”阶段的转变。现阶段小卫星设计制造中重点解决卫星总体协同设计和三维下厂问题，通过在型号研制过程中摸索和实践，初步形成一套全三维数字化设计制造方法，打通了从总体集成设计到最终总装产品的数据流，实现了小卫星设计制造过程的无纸化。

基于MBD的设计生产制造，小卫星总体现阶段主要实现卫星详细设计和生产装配，开展基于MBD技术的主结构、管路、电缆网、直属件、热控部件的数字样机设计，打通总体设计、制造和集成装配环节，提高研制效率和质量。

小卫星全三维数字化设计制造实现流程如下图所示。



图15小卫星全三维数字化设计制造实现流程图

具体实现过程如下：

1)接口数据建立

建立标准的设备及标准件三维模型，定义统一的设备接口参数。

2)总体布局

突破传统二维纸质数据的传递方式，基于同一个设计环境，建立顶层总体布局，采用自顶向下的设计模式，发布各个部分三维下厂所需的接口数据信息。

3)主结构三维设计下厂

利用顶层发布的设备接口数据，对主结构零部件进行详细设计，基于同一个数据平台，完成三维下厂模型标注、三维零件工艺审查、三维零部件受控发布、传递，由制造厂完成相应零部件生产制造。

4)热控件三维设计下厂

利用顶层发布的设备热控接口数据，对整星热控件进行详细设计，并完成相应热控零部件的三维下厂。

5)整星电缆网三维设计下厂

通过发布的电连接器接口、位置和节点数据，进行整星电缆网的详细设计，生成电缆分支长度，进行电缆网生产。

6)总装直属件三维设计下厂

根据顶层发布的直属件接口数据和位置关系，进行总装直属件的详细设计，通过全三维下厂，完成相应零部件的生产。

7)推进管路三维设计下厂

根据顶层发布的管路布局数据，进行管路详细设计，完成管路组件工艺审查，由制造厂通过数控弯管机完成管路自动弯管预制，最终完成管路焊装。

8)总装数字样机形成

更新总体模型，形成并发布完整的型号数字样机，生成产品BOM，通过总装现场三维看板和工艺，完成卫星总装。

小卫星数字化设计制造实现过程中的部分关键问题及解决：
协同设计环境

传统“三维设计、二维出图”的设计制造模式，设计与设计、设计与制造数据不关联，通过层层二维图纸或文件的形式传递到下一级，造成数据重复录入、设计更改工作量大、效率低。

在全三维数字化协同设计过程中，各个专业、各个部门、各个协作单位之间所用的CAX软件、PDM系统相互孤立，而全三维数字化设计的关键是统一数据源，必须集成研制过程中所涉及的CAX软件和PDM系统，打通数据软、硬件传递路径，实现同一个设计环境。

在小卫星的全三维数字化设计制造过程中，分析明确接口数据参数，制定标准参数集，开发与三维设计软件集成的接口，数据系统实现数据源的统一，通过PDM平台进行模型的管理和受控传递，实现设计环境的统一。
总体布局与协同设计

建立顶层总体布局，采用自顶向下的设计模式，进行协同设计，极大地提高了设计效率和正确率。卫星工程需要多学科交叉迭代，涉及机-电-热等多专业协同，各专业又由多名设计师共同设计完成。各协同设计模型，既要保持总体的相关性和各自部装模型的独立性，又要做到模型对应制造端的适应性，模型的层级规划是非常关键的。
装配体模型设计

全三维数字化设计制造主要以三维实体模型表达产品定义信息，相对于之前总体设计模型，卫星总体模型反映产品的更加真实的状态，特别对于小卫星的设备布局密度要求越来越高，模型外表部门特征缺失可能造成实物干涉。近年小卫星型号的模型的实体数量和特征数量成倍增长，三维模型越来复杂。这就造成计算机内存和CPU资源占有量逐步增大，计算机反应原来越慢。随着对模型真实度和全数字化项目的增加，急需解决卫星整星的大装配问题。

在小卫星的全三维数字化设计制造过程中，具体解决方法如下：

1)单机设备模型简化处理

卫星星上设备基本为外协单位开发的产品，总体单位进行集同设计，控制减小每台单机设备模型特征数，对于总体模型的总特征减少是非常可观的。一般情况下，总体仅需要设备单机单个本体模型，包含设备的外形、尺寸、机械接口、电连接器接口、质量特性等必要特性，不需要单机设备内部的结构。而外协设备三维模型提供总体内部简化后的装配体模型或中间格式模型，大部分简化的不够彻底，动辄几十兆甚至上百兆大小，按照现在小卫星总体设计计算机的处理能力，25兆左右的模型是可以接受的，所以标准单机模型建立前需要在进行简化处理，再进行质量特性重新定义和模型基准设置。
表1常用单机设备模型快速简化处理方法

2)总体模型层级规划

通过总体模型顶层规划，将模型发布为结构总体模型、热控总体模型、管路模型、整星总装模型，让每一部分单独进行详细设计，当全部设计完成后，打开总体顶层模型，完成大装配体模型。

3)提升计算机软硬件性能

三维设计建模用计算机一般是企业内配置较高的计算机，大部分企业使用普通高配置计算机作为设计用计算机，但是在三维模型实体和特征成倍增长后，普通高配置的稳定性以及无法满足设计要求。这就需要使用图形工作站进行三维产品设计。

与普通办公、家用电脑注重多媒体性能和价格因素的配置方法是截然不同的，图形工作站拥有专业图形显卡、容错能力强的ECC内存、更快速的芯片组、更高运行稳定性。图形工作站的配置准则在于：切实了解应用需求，以合理的价格组建一个符合应用软件要求的稳定、高速、高效的设计平台，以最大程度地实现设计人员的设计意图。

此外，能管理更大内存的64位操作系统和配套64位设计软件也是必须的。
单机模型设计更改

现在的大部分小卫星型号任务设计难度大、时间进度紧，几乎大部分单机设备与总体设计是同步进行的，这就造成单机设备模型更改是不可避免的。而单机设备模型作为数据源载体，又处在型号设计建模的前端，它的更改将带来单机接口数据重新定义，相关各种设计的调整，含有大量的重复操作。因此如何减少单机设备模型变更带来的影响也是一直需要研究的。



图16用于整星的典型设备模型层级关系

目前的解决方案是让设备本体处在设备装配体的最末级，通过前期参数定义在装配体中生成反映单机接口数据的基准面、基准点、坐标系，将电连接器、标准件通过这些参数驱动的基准面、基准点、坐标系装配，与单机本体不直接发生关系。当设备本体单件模型更改时，仅通过少量的模型变更即能完成操作。

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5.3小卫星数字化应用

国内航天器的设计制造正在经历着从“三维设计、二维出图”阶段到“全三维数字化设计”阶段的转变。现阶段小卫星设计制造中重点解决卫星总体协同设计和三维下厂问题，通过在型号研制过程中摸索和实践，初步形成一套全三维数字化设计制造方法，打通了从总体集成设计到最终总装产品的数据流，实现了小卫星设计制造过程的无纸化。

基于MBD的设计生产制造，小卫星总体现阶段主要实现卫星详细设计和生产装配，开展基于MBD技术的主结构、管路、电缆网、直属件、热控部件的数字样机设计，打通总体设计、制造和集成装配环节，提高研制效率和质量。

小卫星全三维数字化设计制造实现流程如下图所示。



图15小卫星全三维数字化设计制造实现流程图

具体实现过程如下：

1)接口数据建立

建立标准的设备及标准件三维模型，定义统一的设备接口参数。

2)总体布局

突破传统二维纸质数据的传递方式，基于同一个设计环境，建立顶层总体布局，采用自顶向下的设计模式，发布各个部分三维下厂所需的接口数据信息。

3)主结构三维设计下厂

利用顶层发布的设备接口数据，对主结构零部件进行详细设计，基于同一个数据平台，完成三维下厂模型标注、三维零件工艺审查、三维零部件受控发布、传递，由制造厂完成相应零部件生产制造。

4)热控件三维设计下厂

利用顶层发布的设备热控接口数据，对整星热控件进行详细设计，并完成相应热控零部件的三维下厂。

5)整星电缆网三维设计下厂

通过发布的电连接器接口、位置和节点数据，进行整星电缆网的详细设计，生成电缆分支长度，进行电缆网生产。

6)总装直属件三维设计下厂

根据顶层发布的直属件接口数据和位置关系，进行总装直属件的详细设计，通过全三维下厂，完成相应零部件的生产。

7)推进管路三维设计下厂

根据顶层发布的管路布局数据，进行管路详细设计，完成管路组件工艺审查，由制造厂通过数控弯管机完成管路自动弯管预制，最终完成管路焊装。

8)总装数字样机形成

更新总体模型，形成并发布完整的型号数字样机，生成产品BOM，通过总装现场三维看板和工艺，完成卫星总装。

小卫星数字化设计制造实现过程中的部分关键问题及解决：
协同设计环境

传统“三维设计、二维出图”的设计制造模式，设计与设计、设计与制造数据不关联，通过层层二维图纸或文件的形式传递到下一级，造成数据重复录入、设计更改工作量大、效率低。

在全三维数字化协同设计过程中，各个专业、各个部门、各个协作单位之间所用的CAX软件、PDM系统相互孤立，而全三维数字化设计的关键是统一数据源，必须集成研制过程中所涉及的CAX软件和PDM系统，打通数据软、硬件传递路径，实现同一个设计环境。

在小卫星的全三维数字化设计制造过程中，分析明确接口数据参数，制定标准参数集，开发与三维设计软件集成的接口，数据系统实现数据源的统一，通过PDM平台进行模型的管理和受控传递，实现设计环境的统一。
总体布局与协同设计

建立顶层总体布局，采用自顶向下的设计模式，进行协同设计，极大地提高了设计效率和正确率。卫星工程需要多学科交叉迭代，涉及机-电-热等多专业协同，各专业又由多名设计师共同设计完成。各协同设计模型，既要保持总体的相关性和各自部装模型的独立性，又要做到模型对应制造端的适应性，模型的层级规划是非常关键的。
装配体模型设计

全三维数字化设计制造主要以三维实体模型表达产品定义信息，相对于之前总体设计模型，卫星总体模型反映产品的更加真实的状态，特别对于小卫星的设备布局密度要求越来越高，模型外表部门特征缺失可能造成实物干涉。近年小卫星型号的模型的实体数量和特征数量成倍增长，三维模型越来复杂。这就造成计算机内存和CPU资源占有量逐步增大，计算机反应原来越慢。随着对模型真实度和全数字化项目的增加，急需解决卫星整星的大装配问题。

在小卫星的全三维数字化设计制造过程中，具体解决方法如下：

1)单机设备模型简化处理

卫星星上设备基本为外协单位开发的产品，总体单位进行集同设计，控制减小每台单机设备模型特征数，对于总体模型的总特征减少是非常可观的。一般情况下，总体仅需要设备单机单个本体模型，包含设备的外形、尺寸、机械接口、电连接器接口、质量特性等必要特性，不需要单机设备内部的结构。而外协设备三维模型提供总体内部简化后的装配体模型或中间格式模型，大部分简化的不够彻底，动辄几十兆甚至上百兆大小，按照现在小卫星总体设计计算机的处理能力，25兆左右的模型是可以接受的，所以标准单机模型建立前需要在进行简化处理，再进行质量特性重新定义和模型基准设置。
表1常用单机设备模型快速简化处理方法

2)总体模型层级规划

通过总体模型顶层规划，将模型发布为结构总体模型、热控总体模型、管路模型、整星总装模型，让每一部分单独进行详细设计，当全部设计完成后，打开总体顶层模型，完成大装配体模型。

3)提升计算机软硬件性能

三维设计建模用计算机一般是企业内配置较高的计算机，大部分企业使用普通高配置计算机作为设计用计算机，但是在三维模型实体和特征成倍增长后，普通高配置的稳定性以及无法满足设计要求。这就需要使用图形工作站进行三维产品设计。

与普通办公、家用电脑注重多媒体性能和价格因素的配置方法是截然不同的，图形工作站拥有专业图形显卡、容错能力强的ECC内存、更快速的芯片组、更高运行稳定性。图形工作站的配置准则在于：切实了解应用需求，以合理的价格组建一个符合应用软件要求的稳定、高速、高效的设计平台，以最大程度地实现设计人员的设计意图。

此外，能管理更大内存的64位操作系统和配套64位设计软件也是必须的。
单机模型设计更改

现在的大部分小卫星型号任务设计难度大、时间进度紧，几乎大部分单机设备与总体设计是同步进行的，这就造成单机设备模型更改是不可避免的。而单机设备模型作为数据源载体，又处在型号设计建模的前端，它的更改将带来单机接口数据重新定义，相关各种设计的调整，含有大量的重复操作。因此如何减少单机设备模型变更带来的影响也是一直需要研究的。



图16用于整星的典型设备模型层级关系

目前的解决方案是让设备本体处在设备装配体的最末级，通过前期参数定义在装配体中生成反映单机接口数据的基准面、基准点、坐标系，将电连接器、标准件通过这些参数驱动的基准面、基准点、坐标系装配，与单机本体不直接发生关系。当设备本体单件模型更改时，仅通过少量的模型变更即能完成操作。

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6愿景

（1）3D模型和TDP的生成和管理达到的水平。用3D模型定义全部零件几何和全部零件的标注（包括注释、尺寸、PMI等），不再需要2D图纸的帮助。

（2）eBOM与CAD模型相链接。模型和注释（说明、参数、非几何数据）在PLM中受控，使用PLM基本工具半自动化对3D模型几何和零件标注进行检查和对模型的质量进行认证。

（3）由PLM自动实现从模型元素到数字数据包TDP的采集，TDP由PLM自动的数字化发布。数据发布和更改过程以及构型管理都是基于模型的。

（4）3D模型和TDP不经重新灌入就能够为下游所重用。通过对本地3DCAD模型、轻量化3D可视化模型和eBOM的访问，将PMI数据提供给制造、检验以及其它任何需要PMI的地方。

（5）用本地3DCAD模型再创建模型的同时，并行地生成制造工艺规划和作业指导书等制造代码。制造过程的工艺规划和作业指导书全部与设计模型相关联。设计模型和来源于模型的大部分数据应在同一个PLM系统中管理，制造代码在PLM系统中受控。使用本地3D设计模型直接生成NC/CMM数控、质量检验代码和模型的建立也是并行过程，质量要求数据同样全部在PLM中管理。

（6）在企业内部和供应链之间的协同和数据交换方面，达到的要求是：企业内部使用的设计数据是本地3D模型和按企业内部需要的3D轻量化可视模型，用户可以根据在组织内的角色，差异化的访问所有模型数据。向外部设计部门提供的设计数据也是本地3DCAD模型，根据授权，外部的3DPLM可直接访问本地模型和元数据。

7从MBD到MBE的转变

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。

路径一：树立数字化企业意识，实现传统思维向数字化思维的转变

数字化技术引发人类思维方式的巨大变化。在企业向数字化迈进的过程中，思维方式的滞后将会使这场变革增加许多无谓的成本，思想的狭隘、保守乃至固步自封将是企业实现基于模型的企业的最大障碍。MBD技术在改变企业生产方式的同时首先要改变企业意识，也就是跳出二维的思维模式，建立三维的数字化模式。在企业管理和生产活动过程中树立数字化企业的思想，实现数字化思维。在基于模型的系统工程思想指导下，全面部署企业的数字化战略，是企业迈向数字化的关键所在。

路径二：从基础做起，构建MBD基础环境

MBD的实施是一项长期、复杂而有艰巨的工作。不仅仅要解决技术问题，更主要的是要有效解决由此带来的对企业文化、管理体制、生产方式的冲突，建立相应的标准规范。

路径三：在典型应用的基础上，进一步实现MBD技术在整个企业的扩展应用

MBD技术将设计、制造、检验、管理信息融为一体，是产品定义方式的革命和未来设计制造技术的发展方向。企业在推动MBD技术应用时一定要在典型应用成功的基础上，逐步实现整个企业的扩展应用。

路径四：整合已经拥有的MBD成果，实现基于模型的企业

领先的制造业企业采取积极推行基于模型的企业战略，以加速产品开发。他们的目标相对清晰简单，拥有相对成熟的MBD成果，可以在整个产品生命周期中的每个阶段中的每个功能上实现基于模型的设计、制造、检测和维护，成为基于模型的数字化企业。

路径五：正确选择合作伙伴，吸收专业咨询公司的技术优势和实施经验

随着信息技术发展，企业信息化必将从简单走向复杂，技术与业务融合成为企业信息化走向成功的关键。企业天然地占据着业务管理的优势，企业管理者和各层级的业务执行人员长期工作在生产的第一线，由于拥有多年的业务经验和高超的技能，使得企业源源不断地为市场提供高性能、高质量的产品。但是对于传统的制造企业来说，面对信息技术和构建数字化企业的局面，却仍然感到陌生和力不从心，他们需要选择专业化的信息化咨询服务公司作为合作伙伴，共同组建项目团队，借助专业咨询公司的技术优势和实施经验，向基于模型的企业迈进。

8MBD/MBE厂商巡礼

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达索

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参考资料

MBE是制造企业信息化的新起点陈绍文孙刚

基于MBE技术的航空产品研制模式研究赵亮骆晶妍夏晓理赵辛雨

基于模型的企业（MBE）顾新建顾巧祥祁国宁

三维模型定义（MBD）实施经验吴军

基于模型的企业：从MBD到MBE的战略转型路径裴子凌

西门子MBE解决方案白皮书

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（1）3D模型和TDP的生成和管理达到的水平。用3D模型定义全部零件几何和全部零件的标注（包括注释、尺寸、PMI等），不再需要2D图纸的帮助。

（2）eBOM与CAD模型相链接。模型和注释（说明、参数、非几何数据）在PLM中受控，使用PLM基本工具半自动化对3D模型几何和零件标注进行检查和对模型的质量进行认证。

（3）由PLM自动实现从模型元素到数字数据包TDP的采集，TDP由PLM自动的数字化发布。数据发布和更改过程以及构型管理都是基于模型的。

（4）3D模型和TDP不经重新灌入就能够为下游所重用。通过对本地3DCAD模型、轻量化3D可视化模型和eBOM的访问，将PMI数据提供给制造、检验以及其它任何需要PMI的地方。

（5）用本地3DCAD模型再创建模型的同时，并行地生成制造工艺规划和作业指导书等制造代码。制造过程的工艺规划和作业指导书全部与设计模型相关联。设计模型和来源于模型的大部分数据应在同一个PLM系统中管理，制造代码在PLM系统中受控。使用本地3D设计模型直接生成NC/CMM数控、质量检验代码和模型的建立也是并行过程，质量要求数据同样全部在PLM中管理。

（6）在企业内部和供应链之间的协同和数据交换方面，达到的要求是：企业内部使用的设计数据是本地3D模型和按企业内部需要的3D轻量化可视模型，用户可以根据在组织内的角色，差异化的访问所有模型数据。向外部设计部门提供的设计数据也是本地3DCAD模型，根据授权，外部的3DPLM可直接访问本地模型和元数据。

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路径一：树立数字化企业意识，实现传统思维向数字化思维的转变

数字化技术引发人类思维方式的巨大变化。在企业向数字化迈进的过程中，思维方式的滞后将会使这场变革增加许多无谓的成本，思想的狭隘、保守乃至固步自封将是企业实现基于模型的企业的最大障碍。MBD技术在改变企业生产方式的同时首先要改变企业意识，也就是跳出二维的思维模式，建立三维的数字化模式。在企业管理和生产活动过程中树立数字化企业的思想，实现数字化思维。在基于模型的系统工程思想指导下，全面部署企业的数字化战略，是企业迈向数字化的关键所在。

路径二：从基础做起，构建MBD基础环境

MBD的实施是一项长期、复杂而有艰巨的工作。不仅仅要解决技术问题，更主要的是要有效解决由此带来的对企业文化、管理体制、生产方式的冲突，建立相应的标准规范。

路径三：在典型应用的基础上，进一步实现MBD技术在整个企业的扩展应用

MBD技术将设计、制造、检验、管理信息融为一体，是产品定义方式的革命和未来设计制造技术的发展方向。企业在推动MBD技术应用时一定要在典型应用成功的基础上，逐步实现整个企业的扩展应用。

路径四：整合已经拥有的MBD成果，实现基于模型的企业

领先的制造业企业采取积极推行基于模型的企业战略，以加速产品开发。他们的目标相对清晰简单，拥有相对成熟的MBD成果，可以在整个产品生命周期中的每个阶段中的每个功能上实现基于模型的设计、制造、检测和维护，成为基于模型的数字化企业。

路径五：正确选择合作伙伴，吸收专业咨询公司的技术优势和实施经验

随着信息技术发展，企业信息化必将从简单走向复杂，技术与业务融合成为企业信息化走向成功的关键。企业天然地占据着业务管理的优势，企业管理者和各层级的业务执行人员长期工作在生产的第一线，由于拥有多年的业务经验和高超的技能，使得企业源源不断地为市场提供高性能、高质量的产品。但是对于传统的制造企业来说，面对信息技术和构建数字化企业的局面，却仍然感到陌生和力不从心，他们需要选择专业化的信息化咨询服务公司作为合作伙伴，共同组建项目团队，借助专业咨询公司的技术优势和实施经验，向基于模型的企业迈进。

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