0 引言

随着制造业的转型发展，产品的设计院所与工艺制造企业相分离的现象会越来越多，如果企业间存在设计平台落后或存在设计平台差异，就会出现沟通不畅等问题；另外，如果制造企业生产手段落后，产品易超差，且设计人员也无法及时获得超差原因而及时改进。这两大因素都会导致产品研制周期长、成本高的现象，无法适应智能制造的竞争环境。所以，要想快速研发出高质量低成本的产品，现代企业需要改进设计／制造体系，一是要解决设计院所与制造企业之间的协同设计／制造问题，二是要解决制造企业智能化生产问题。

基于模型的定义MBD技术能够打通不同企业之间的产品数据链，实现产品设计／仿真／制造／检验／管理／运维各阶段的信息传递由图纸／技术文档／报告等形式转变为以MBD模型为载体的单一信息源，既节省时间又能消除出错环节；MBE体系则可以让产品研制的各阶段数据汇聚在同一平台，不但能及时将设计更改信息传递给制造／运维环节，还能及时将制造／运维环节的信息反馈给设计人员，使设计／制造／运维之间沟通敏捷；MES／Control系统的建设／改造，可促使车间生产系统持续优化，最终达到智能化的目标。

MBD／MBE还可以利用数字孪生、数据挖掘等技术实现虚拟仿真设计、企业知识累积、生产决策的持续迭代优化等目标，从而提高产品设计／制造的质量和效率。

本文着重讨论产品设计／制造阶段。

1 数字化协同设计／制造技术与体系－－－－ MBD技术、MBE体系

MBD将工艺设计、工装模具设计、生产制造、部件装配、部件与产品检验等工序所需要的设计意图集成在同一个三维实体模型中，而这种具有完整产品定义信息的三维实体模型可以成为下游客户（如采购／制造／质量／检验／运维／营销／供应商等）唯一的数据依据，可以消除设计院所和下游客户间容易出错的环节和重复性环节，提高产品研制效率。

MBE是实现MBD模型横跨产品全生命周期应用的能力体系，它确保产品研制的各个阶段能够共享经过验证和授权的MBD数据。MBE以MBD模型为统一的“工程语言”，将各阶段的各种信息准确定义到以MBD模型为核心的数据包中，并始终保持上游数据包能够被下游直接重用。

当实现各团队在业务过程中共享单一数据源后，产品的协同设计／制造／运维就会成为现实；同时，产品的设计／制造／运维的各项业务知识／建议／操作／经验等将得到有效管理，避免因人员流失而造成知识消失的现象。

基于MBE体系的智能制造应用框架见图1。

图1 基于MBE体系的智能制造应用框架

1．1 基于MBE体系的设计／制造协同纽带PLM

这里的PLM是基于统一模型的产品数字化管理系统，它能够打通产品设计／制造／运维数据链，建立完整的产品数据档案，形成全面的正反向追溯体系，从而可以建立完整的产品数字孪生模型。PLM包括产品设计过程数据库、产品设计数据信息库、工艺设计过程数据库、工艺设计数据信息库、产品配置数据库、生产计划与制造信息库、加工设备信息库、生产数据信息库、运维数据库、异常报警数据库等。

各阶段的团队可以共享PLM数据，也可更改PLM中的己方数据；PLM中的数据一旦更新，设计／制造的整个过程都会得到相应的实时更新信息，但仍保留历史版本，从而使设计与工艺／制造同步，提高制造敏捷度；PLM可以与业务伙伴交换想法和知识。

1．2 产品设计阶段

设计人员利用MBD技术，根据PLM中实时更新的产品需求进行设计，并通过PLM将三维实体模型传递给下游客户；同时，产品设计人员可以通过PLM更新的下游数据随时了解产品的生产／运维信息，可以快速调整产品设计／工艺设计等方案以应对紧急状况，并可以利用数据双胞胎及大数据技术对产品进行创新设计。

1．3 工艺设计阶段

工艺设计人员利用MBD技术，根据PLM中实时更新的产品三维实体模型建立数字化工艺模型，通过模拟仿真确定出合理的、可行的制造工艺，然后生成工艺图解和操作动画等多媒体工艺数据、编制三维数字化制造工艺、完成工艺方案制定及详细工艺设计，经审批后将三维产品工程数据／三维工装资源数据／操作过程工艺图解／操作动画等资料通过PLM传递给下游客户。同时，工艺设计人员可以通过PLM实时更新的下游数据随时了解产品生产制造／运维信息，从而快速调整工艺设计方案以应对紧急状况。

1．4 生产制造阶段

基于MBE体系的制造阶段分为三个层次：企业资源规划管理层ERP、制造执行管理层MES、设备控制层Control。其中MES层和Control层属于车间智能化生产应用体系。

Control层可以通过工业互联网将设备层产生的数据和信息上传给MES层；MES层在实现产品生产管理的同时，还可以实现：

● 将生产过程信息集成起来进行统计分析，并以图表形式加以可视化后上传给ERP层。

● 将MES／Control层的生产信息传递给PLM。

● 将MES／Control层的生产信息与PLM中相应信息的对比分析结果传递给PLM。

基于MBE的车间智能化生产应用体系能使各阶段人员实时了解远程人／机／料／法／环／测等各要素的真实状态，如设备的运行状态／当前生产过程信息／在制任务／产品质量／能耗／生产环境／故障异常等信息，从而帮助设计人员及时调整产品设计／工艺设计方案，帮助设备点检人员及时做出合理的维修计划，帮助生产管理人员同步调整生产流程。