0 引言
基于模型的定义 (Model Based Definition，MBD)是新一代产品定义方法。其核心思想是：基于全三维特征的表述方法和文档的过程驱动，融入知识工程、过程模拟和产品标准规范等，用一个集成的三维实体模型可完整地表达产品定义信息。即将制造信息和设计信息“共同”定义到产品的三维数字化模型中，从而取消二维工程图，保证设计数据的唯一性。
MBD技术是上世纪90年代中期美国波音公司在737-NX飞机研制项目中通过构型定义与控制制造资源管理（DCAC/MRM）的应用提出的第三代设计语言，美国制造工程师协会于2003年发布了《数字化产品定义数据实践ASME Y14.42-2003》技术标准。CATIA、SIMENS、PTC等大型三维设计软件都开发了支持ASME Y14.41标准的功能模块。波音等航空制造商还制订了自己的3D开发标准，并与CATIA、Delimia软件在产品中集成应用。众多的二级供应商和伙伴也制订自己的3D开发标准开始应用。
我国在MBD技术领域，于2009年底发布，并于2010年9月开始实施国家标准GB/T 24734微字化产品定义数据通则》，致力于推行该技术。目前，国内航空领域已对MBD技术的实施前景、技术路线、管理配套等进行广泛探讨。
低压电器作为电网设施的执行单元和故障保护单元，需要在具有一定冲击振动和大环境温差变化的场合实现高精度保护特性，确保用电安全。这决定了设备的研发试制需要实现保护特性的低加工敏感性。这对设备自身结构内在变更协调，以及设计、制造、测量等环节的相互协调具有很强的依赖性。此外，伴随着设备智能化的提高，个性化功能需求的日益增长，对从新增功能、设计变更到试制调整全过程的信息同步敏捷性要求越来越高。这决定了设备的新一代数字化模型需要具备一套模型能同时表达多重信息，支持不同环节技术人员协同工作，共享数据，并且数据更新具有很强的实时性。
本文着重探讨基于MBD构建低压电器多层次信息模型所需要的基本元素、基础架构及运行机理，以及利用SIMENS NX7.5和Teamcenter进行设计、试制、仿真等信息定义，以期解决研发设计与试制之间协同的初步实施思路。
1 多层次信息模型的结构框架
低压电器的数据信息模型，基于设备的3D模型，从执行工具、基础数据、应用数据三个维度，逐层定义、组织、表达和应用研制过程相关的各数据信息层。每层数据依托3D模型层的拓扑结构和各自的基础数据，通过信息分析、结构设计、仿真计算、加工测量、试验测试等过程，生成应用数据，并统一进行3D模型的映射表达。同时，进行MBD模型与产品数据管理（PDM）系统、企业资源计划ERP)系统的信息对接，实现层次模型对设计、研制及项目管理的驱动。其总体结构如图1所示。
图1 基于MBD的数字化信息模型
1.1 基于PMI的3D标注体系
产品和制造信息（Product and Manufacturing Information，PMI)是针对数字化产品定义，提供的产品和制造信息的具体方案。PMI应用在3DCAD或协同产品开发系统中，用于将产品部件设计的信息正确传递到产品制造中，包括几何公差信息、3D注释（文字）、表面粗糙度，以及材料规格等。PMI技术的应用将2D图纸为主的沟通方式逐步转变为全面标注3D模型，使3D模型与2D图纸合理结合，作为传递产品和制造信息的完全认同手段，使产品设计人员能够对3D零件或装配标注出制造人员需要的全部信息。
借助NX软件的PMI应用技术，建立3D的多层次数字化模型。参照GB/T 24734的系列标准，规范化图纸几何表达、公差、基准、尺寸、注释，实现3D模型与2D图纸的合理结合。利用图层管理技术，进行不同类型数据的分层显示，创建各层数据的特征码和数据链接规则，将不同类型数据的标注和注释统一于3D模型上，并通过与NX集成的数据管理系统Teamcenter实现具体数据的管理。
1.2 样机与原理层
提供用于待研设备总体性能及各部件性能指标确定所需的对比参考信息，同时为结构原理与技术路线的筛选和确定提供必要的信息和工具。一方面，利用自建的国内外产品信息库，提取待研同类产品技术指标、功能等信息，通过归一化的性能对比模板，进行知识与信息重组，形成设备总体性能对比，用于参考确定待研产品技术指标。另一方面，对待研产品进行概念性结构分解，建立初始MBD，根据试验规程、拆机规程和分析规程等，启动对应的系列分析指令，从样机实物库中提调对应样机，开展技术分析工作。技术分析过程所形成的数据，按照产品的初始MBD结构拓扑映射，并进行PDM系统数据同步。由于设备方案设计主要依靠该层的技术方案、关键原理、试验数据等信息支撑，该层将作为设备最终形态和性能指标的重要参照进行指导设计。
1.3 专利信息层
利用自建的国内外专利信息库，对照待研产品的MBD结构，进行专利的检索过滤和分类标引，并通过专利分析模板，驱动分析指令，形成对应的专利策略和自主专利预期。两方面的数据分别按照产品的初始MBD结构拓扑映射，并进行PDM系统数据同步。由于产品技术创新的日趋激烈，该层数据将定期更新，确保专利风险管理和技术策略的有效实施。
1.4 仿真设计层
仿真数据信息来源于由动力学、强度、流体、电磁学、热学等多物理领域计算软件及二次开发程序组成的强大的CAE系统。该系统整合了针对用户端设备研发所需要的材料属性库和经验参数库。根据设备的初步3D设计，进行所需计算评估的MBD定义分解，依托仿真模板，确定具体结构的计算指令，进行任务分发。仿真工程师接到计算任务，依次启动计算规程、分析规程和优化规程，建立计算模型，进行数据分析，给出结构设计建议、关键工艺建议以及结构优化方案。所形成的数据及版本按照产品的MBD结构拓扑与3D设计方案对应版本映射，并进行PDM系统数据同步。设计工程师参照该层数据进行可行性评估和设计改进。该层信息伴随着设计、试制、改进，将不断进行数据更新与完善，与设计改进同步，其具体结构如图2所示。
图2 MBD支撑的仿真设计层结构
1.5 试验信息层
数据形成于设备详细设计阶段，从局部原理验证到整机性能测试整套试验，依据不同类型试验的模板所规定的试验程序和设备参数进行技术验证。所形成的数据及版本按照产品的MBD结构拓扑与3D设计方案对应版本映射，并进行PDM系统数据同步。
1.6 加工/测量信息层
经过CAE计算优化与可行性评估的模型，结构尺寸趋于完善，进一步通过辅助公差设计(Computer Aided Tolerance Design,CATD)系统进行尺寸公差设计。通过已有的基准设计模板、公差序列和设计标准，选定基准、框定公差范围，初步确定尺寸链和尺寸公差方案，通过计算优化，调整尺寸链长度，进行公差合理分配，最终确定技术方案，包括尺寸基准、公差、关键尺寸序列、装配和检测指导意见。所形成的数据存放于加工/测量信息层，按照产品的MBD结构拓扑与3D设计方案对应版本映射，并进行PDM系统数据同步。
此外，利用产品的MBD模型进行加工前的数字化设备建模。对设计模型进行特征识别，将设计特征转换成加工特征，进一步生成与加工特征关联的工艺路线及数控机床执行程序。同时，根据检测指导在模型里定义与装配和零件制造相关的检测特征、尺寸公差和基准，利用检测特征和尺寸定义和预先定义的测量规则，快速生成检测方案，驱动激光跟踪仪和三坐标测量机等精密测量设施进行测量对照。加工及检测过程形成的数据按照产品的MBD结构拓扑与3D设计方案对应版本映射，并进行ERP系统数据同步。加工/测量信息层的具体结构如图3所示。
图3 MBD支撑的加工/测量信息层结构
2 MBD驱动的研制过程协同实例
设备研发过程中，不同环节的技术人员需要互通信息，协同工作。利用上述基于MBD的多层次数字化模型，不同环节的技术人员按照工作需要和角色权限，分层调用模型数据并进行数据完善，真正实现不同节点的技术人员和管理人员公用一套数据，实现研制过程信息协同的立体化和实时化。
基于MBD思想，在NX7.5和Teamcenter8.3软件平台上，通过定制开发的系统在某断路器产品研制过程中的应用实例如图4所示。如图4(a)所示，通过产品研制项目模板在Teamcenter中创建数据拓扑，触发研发工作任务指令，给试验、仿真、试制、知识产权等各协同部门分发工作任务。如图4(b)所示，在集成的NX7.5软件中创建产品3D模型时，自动建立信息层次，不同部门的工程师公用一套3D模型，完成各自工作后，在Teamcenter系统提交任务数据，同时利用NX PMI工具在对应的图层上完成信息注释。不同部门的工程师，可以通过3D模型的PMI注释及对应的Teamcenter文档，获取必要信息，实现整个产品研制过程的协同。
图4 系统应用实例
3 结语
新兴的MBD方法以其崭新的模型定义方式和信息集成方法，正逐步为制造业各领域所解读、构建和应用尝试。其在MBD方法向低压电器研制的导入过程实践中，优势显著：
(1)不同协作部门公用一套数字信息模型，实现设计信息的高度集成，信息资源共享最大化；
(2)3D模型应用从设计端向制造、检测等各环节渗透，整个研制过程更直观；
(3)PMI标注的采用和信息的分层管理，使研制团队更为专注于产品关键结构和关键工艺的完善，非关键结构由制造设备保证，有利于信息标准的简化和加工成本的降低。
MBD方法作为一种新的模型定义方法，其应用推广并非简单的软件引进应用，因此在其技术探索实践过程中，面临着众多挑战：
(1)要充分发挥统一数字信息模型的作用，需要整个管理理念的转变及制度规范配套，让试制和量产问题向研发阶段前移，实现整个研发过程的并行工程；
(2)要实现产品研制过程的全面3D化，对传统制造方法和装备逐步进行更新换代，如对制造、测量、试验等环节的计算机设施、通信设备以及数字化制造装备等进行设备和相关技术的配套；
(3)尽管国外大型的设计软件和数据管理软件已发布了若干适用于MBD方法的技术功能，但总体上还处于发展阶段，很多具体功能、数据接口等需要开发定制投入。
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本文标题：基于MBD的低压电器多层次信息架构探讨
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