作者：西门子工业软件公司,西门子中央研究院
出版社：机械工业出版社
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工业4.0实战：装备制造业数字化之道试读：
致谢
智能制造、MBD、MBe、MBE、数字化工厂、数字化企业……是当下制造业数字化的重要课题。西门子不仅是数字化企业解决方案的提供者，也是数字化企业实施的践行者。有“数字化工厂”之称的西门子工业自动化产品成都生产研发基地（简称：SEWC）于2013年9月11日正式投产，它是全球最先进的电子工厂之一，也是西门子在德国之外建立的首家“数字化企业”，实现了从产品设计到制造过程的高度数字化。鉴于近期西门子工业软件在产品组合、战略愿景、实践案例方面又取得一系列重要进展，以及西门子成都数字化工厂的落成投产，西门子工业软件中国团队决定对内部印发的《大型装备制造业数字化之道——基于模型的数字化企业》白皮书进行修订并出版。这个过程中，如下同事贡献了大量业余时间，完成了事无巨细的策划、起草、校对、编辑工作，在此一并表示感谢：
●技术部的方志刚、刘其荣、陈铁锋、邹明政、刘小龙、李作坤、李钊彦、高岩松、胡小康、伍良靖、夏卫华、石银明、乌蒙、徐洪峰、张晓前、毛军波、安杰、陆海燕。
●市场部的Andy Kwon、张宇婧。
●西门子中央研究院的王新生、赵雄飞。
●南京易之恒软件技术有限公司的周益民。
欢迎读者反馈意见，可联系邮件cn.plm@siemens.com。
愿景篇
NxNX是西门子工业软件公司提供的计算机辅助设计、分析、制造一体化数字化研发解决方案，是业界唯一能够处理产品开发过程中各个方面问题的一体化解决方案，从概念构思直至制造的所有环节，包括工业造型设计、包装设计、机械设计、机电设计、机械仿真、机电仿真、工装夹具和模具、机械加工、工程流程管理等，NX提供了完整集成的流程自动化工具套件，从而使整个产品开发流程发生质的变革。
NX最新版本构建在西门子的全息PLM技术框架之上，提供可视程度更高的信息、分析，从而改善协同和决策过程，提高整个产品开发过程中的生产效率，借助用于设计、仿真、制造的最新工具与扩展功能，可帮助用户开发出更具创新性的产品，大大提开生产效率。
NX可提高设计效率。借助NX中的最新工具和改造的工具，可提高生产效率并加快设计过程，除扩大了全息三维(HD3D)支持范围以实现更出色的设计、决策以外，NX还提供了功能更强大、更高效的建模、制图、验证等工具。
NX可提高仿真效率。可将用于准备和解算分析模型的时间缩短70%。借助NX仿真，可以快速构建、更新和仿真分析模型，做出更明智的工程决策，从而更快速地提供更好的产品。NX CAE提供了用于优化和多物理场分析的最新解决方案，以及用于分析复杂装配模型的最新方法。 NX Nastran包括对非线性分析和动态分析的多项改进，并且提供了计算性能和建模易用性。
NX可提高制造效率。通过机床和工装设计方面的最新功能或扩展功能，NX将两个重要行业部门的零件制造效率提高到了新的水平。对于机床，NX提供了适用于机床的重型设备零件生产并且经过优化的NC编程功能，NX在工装设计领域的最新发展将设计自动化与基于CAE的验证工具结合起来，可帮助企业实现“一次即成功”的设计并赢得更多高价值项目。
第1章 “工业4.0”——制造业的未来
1.1 第四次工业革命——“工业4.0”
随着制造业再次成为全球经济稳定发展的驱动力，世界各主要工业国家都加快了工业发展的步伐：从美国的“制造业复兴”计划到德国的“工业4.0”战略，再到中国的“十二五”发展规划，制造业正逐步成为各国经济发展的重中之重，引领未来制造业的方向也成为制造业强国竞争的一个战略制高点。
两个多世纪以前，蒸汽机的发明带来的第一次工业革命开启了农业社会向工业社会的转变。20世纪初期，随着电力的应用、劳动分工和大规模生产的出现，拉开了第二次工业革命的大幕。20世纪70年代后，随着自动化技术的出现，开创了第三次工业革命。前三次工业革命源于生产的机械化、电气化和信息化改造。当前，随着信息物理系统（Cyber-physical System，简称CPS）在制造业中的推广应用，正在引发第四次工业革命。“工业4.0”概念就是以数字制造为核心的第四次工业革命，工业革命的历史如图1-1所示。“工业4.0”首先是由德国工程院、西门子公司等产学界领袖联合提出的，被德国政府确定为《高技术战略2020》十大未来项目之一，旨在支持工业领域新一代革命性技术的研发与创新，在2013年4月的汉诺威工业博览会上正式推出，并于2013年9月在上海工博会上推介给中国市场。该战略已经得到德国科研机构和产业界的广泛认同，西门子公司也已经开始将这一概念引入其工业软件开发和生产控制系统中。
提高生产力、缩短产品上市时间、采取更灵活的生产模式以及提高资源和能源利用效率，是全球工业面临的挑战，也是“工业4.0”提出的未来制造业的目标。为了实现这种先进的生产模式，需要融合现实生产和虚拟生产的技术，基于大数据、互联网、人，通过数字化工程、数字化制造等各种信息技术实现柔性制造，经济高效地满足客户个性化的定制需求。未来工厂的智能化程度将很高，这种智能将通过使用微型化处理器、存储装置、传感器和发送器来实现，这些装置将被嵌入几乎所有的设备、半成品和材料以及用于组织数据流的智能工具和新型软件中。所有这些创新将使产品和设备能够相互通信并交换命令。未来的工厂将在很大程度上自行控制和优化其制造工序，实现智能制造。图1-1 工业革命的历史
这一切的变化都将通过信息物理系统实现。随着虚拟世界生成的信息流向实际物理世界的制造过程，全新的生产环境由此诞生。工业4.0带来的智能将人从执行例行任务中解放出来，使得他们能够专注于创新、增值的活动。工业4.0的标志性特征有如下三点。
●通过价值链和价值网络实现企业间的横向集成。在工业4.0环境下，企业通过CPS系统，可以保障新商业策略、价值网络和商业模式得到持续的支持和实施。横向集成是指将各种企业内和企业间的商业运营IT系统集成在一起，实现全供应链的集成（见图1-2）。
●贯穿整个价值链的端到端的设计工程数字化集成。CPS系统使得产品的开发、制造及服务可以实时地在虚拟世界进行仿真研究，并控制现实的制造过程，实现全数字化的价值链（见图1-3）。
●企业内部可灵活重组网络化制造系统的纵向集成。在智能工厂中，柔性的制造模式将不同层面的自动化IT系统（执行器、传感器、控制器、制造执行系统、企业计划系统等层面）集成在一起，灵活地按照生产任务进行组织，实现全集成自动化（见图1-4）。图1-2 横向全供应链集成图1-3 全数字化的价值链图1-4 纵向全集成自动化
工业4.0将应对并解决当今世界所面临的诸如资源与能源利用效率、城市生产和人口结构变化等一系列挑战。它将为制造业和社会带来如下收益。
●满足用户个性化需求。工业4.0可以在设计、配置、规划、制造和运作等环节考虑个体的特殊需求，也可以保障企业在产品批量很低的情况下仍然获利。
●灵活性。基于CPS的自组织网络，可以根据业务过程的不同方面，如质量、时间、风险、价格等，进行动态配置。这有利于供应链的“微调”，也意味着工艺流程可以更加灵活。
●决策优化。工业4.0通过集成，实现横向、纵向实时透明，使得决策有强大的数据支持，并且可以及时得到验证，达到全局最优。
●生产效率优化。CPS贯穿在整个价值网络中，对制造过程进行优化。
●通过服务创造价值。通过CPS的大数据智能，企业可以创造新的价值服务。
●应对人口的变化。工业4.0将提供灵活多样化的职业路径，让人们的工作生涯更长，并保持生产能力。
●工作和生活的平衡。CPS使得公司的工作组织模式更加灵活，可以让员工在工作、生活之间获得更好的平衡。
2015年，中国政府正式提出了“中国制造2025”的战略。“中国制造2025”和“互联网＋”的概念包罗万象，其内容相当于美欧日近年来相关战略计划的有机综合。表1-1详细对比了中国制造2025、德国工业4.0和美国的制造业复兴的战略内容、特征等信息。从这些特征来看，整个工业领域也正在经历一场制造业的大变革，这将引领传统制造业迈向定制化、信息化、数字化和绿色化。表1-1 中国、德国、美国制造战略对比
1.2 中国制造2025规划
“中国制造2025”是中国版的“工业4.0”规划。“中国制造2025”明确提出，到2025年迈入制造强国行列，2035年制造业整体达到世界制造强国阵营中等水平，新中国成立一百年时制造业大国地位更加巩固，综合实力进入世界制造强国前列。中国制造2025包含五项重大工程和九项主要任务。1.2.1 中国制造2025的五项重大工程
●国家制造业创新中心建设工程，面向未来的10大重点领域的基础研究和产业化的工程，建设一批产、学、研、用相结合的制造业创新中心。
●工业强基工程，主要解决基础零部件、基础工艺、基础材料落后问题。
●绿色制造工程，加快实施工业绿色发展战略，全面推进企业的清洁生产，大力推进节能环保产业发展等。
●高端装备制造业创新，在实施互联网、数控设备、大飞机等专项的基础上，推进新的高端装备创新专项。
●智能制造，新一轮科技革命的核心也是制造业数字化、网络化、智能化的主攻方向，通过智能制造，带动产业数字化水平和智能化水平的提高。
1.2.2 中国制造2025的九大任务
●提高国家制造业创新能力。我国制造业的巨大规模和低成本的传统优势并不能成为企业发展的不竭动力，只有技术进步的支持和自主创新能力的培育才能给企业带来持久的竞争优势。
●强化工业基础能力。2015年，工信部将继续开展工业强基专项行动，完善政策措施，加大工作力度，持续提升工业基础能力，加快促进工业转型升级。
●全面推进绿色制造。工信部将全面推进钢铁、有色、化工、建材、造纸、印染等传统制造业绿色化改造，降低重点行业能耗，提高产品制造效率。
●深入推进制造业结构调整。产业结构调整是未来十年中国经济“新常态”形成的重要根基。只有顺应全球产业发展趋势，把握关键性行业，形成产业优势，力争有所突破，才能在未来的世界政治经济格局中具有竞争力。
●提高制造业国际化发展水平。一是重视标准的制订，争取国际话语权；二是努力增加高质量高附加值的产品；三是重视自主创新，发展核心技术；四是重视人力资本，提高劳动者素质。
●推进信息化与工业化深度融合。两化深度融合是指信息化与工业化在更大的范围、更细的行业、更广的领域、更高的层次、更深的应用、更多的智能方面实现彼此交融。
●加强质量品牌建设。质量品牌战略是提高工业发展质量、效益的重要抓手和有效举措。质量竞争力指数已纳入制造强国指标体系。
●大力推动重点领域突破性发展，发展先进轨道交通装备、节能与新能源汽车、电力装备、新材料、生物医药及高性能医疗器械、农业机械装备等重点领域。
●积极发展服务型制造业和生产性服务业，通过“制造服务化”和“服务型制造”模式的变革，促进生产环节向高附加值的两端延伸，从而增强制造企业的盈利能力，更好、更丰富地满足消费者偏好。
1.3 西门子的“工业4.0”最佳实践
西门子认为，制造业存在如下基本需求——保障产品质量、提高生产效率、缩短产品上市时间、增加制造的灵活性。然而在传统的制造条件下，企业通常要牺牲灵活性来提升生产效率、缩短产品上市时间。如何同时满足这些需求决定了西门子的创新方向——智能制造，这也就是西门子定义的“工业4.0”。
有“欧洲最佳工厂”之称的西门子德国安贝格电子制造工厂是西门子打造的第一个数字化工厂（见图1-5），正是由这家工厂探索出了从传统制造向数字制造转型的技术线路。西门子中国成都工厂SEWC作为安贝格在中国的双胞胎工厂，也实现了从企业管理、产品研发到制造控制层面的高度互联，通过在整个价值链中集成IT系统应用，实现涵盖设计、生产、物流、市场和销售等诸多环节在内的高度复杂的全生命周期的自动化控制和管理。SEWC于2013年9月11日正式开始运营。图1-5 西门子数字化工厂
关于SEWC，让用户和分析师津津乐道的是这座工厂不仅是一个数字化企业，而且绝大多数技术来自西门子。工厂里生产的每一件新品，都拥有自己的数据信息，数据在研发、生产、物流的各环节不断丰富，并实时保存在一个数据平台中。基于这一数据基础，ERP、PLM、MES、控制系统以及供应链管理实现了信息互联。工厂采用了西门子PLM（全生命周期管理）软件，通过虚拟化的产品规划和设计，实现信息无缝互联。利用制造执行系统SIMATIC IT和全集成自动化解决方案（TIA），将产品和生产生命周期进行集成，缩短产品上市时间。该设计还赋予工厂灵活性，可满足1500多种不同产品的混线生产（允许批量为1），并为将来的产能调整做出合理规划。
1.4 西门子助力中国“工业4.0”
在中国，西门子作为本土工业企业的合作伙伴已有140多年历史，见证并参与了中国制造业的发展，对中国制造业有着深刻而准确的理解。现在，西门子将现实和虚拟的生产世界相结合，着力推动制造业在未来的发展，其具有前瞻性的远景规划、丰富的行业知识，为工业4.0及数字化企业平台的未来发展奠定了坚实的基础。典型的西门子数字化制造平台如图1-6所示。图1-6 西门子数字化制造平台
西门子工业软件平台是实现工业4.0的载体。它可以实现包括产品设计、生产规划、生产工程，直到生产执行和服务的全生命周期的高效运行，以最小的资源消耗获取最高的生产效率。该平台的实现需要企业以数字化技术为基础，在物联网、云计算、大数据、工业以太网等技术的强力支持下，集成目前最先进的生产管理系统及生产过程软件、硬件，如产品生命周期管理软件、制造执行系统软件和全集成自动化技术。西门子的整体解决方案可以帮助中国工业企业实现升级转型，以更高生产力、更高效能、更短产品上市时间、更强灵活性在国际竞争中占据先机。
总之，作为工业技术和工业软件的全球领导者，西门子将积极在中国的“工业4.0”变革（也就是“两化深度融合”的高级阶段）中扮演世界级的实践者和战略供应商两个关键角色。作为世界级的实践者，西门子自身使用自己发明创造的技术实现卓越运营，为广大用户提供实践经验；作为战略提供商，西门子愿意和广大用户分享这些经验，并提供世界级的工业软件和解决方案，一起推动“工业4.0”的变革进程。
第2章 从MBD走向MBE
2.1 概述
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（Model-Based Definition，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。MBD是产品数字化定义的先进方法，它是指产品定义的各类信息按照模型的方式组织，其核心内容是产品的几何模型，所有相关的工艺描述信息、属性信息、管理信息等都附着在产品的三维模型中，一般情况下不再需要二维工程图纸。MBD改变了传统的由三维实体模型来描述几何信息，用二维工程图纸来定义尺寸、公差和工艺信息的产品数字化定义方法。同时，MBD使三维数模作为生产制造过程中的唯一依据，改变了传统以二维工程图纸为主、以三维实体模型为辅的制造方法。
目前，国外MBD技术的应用已经比较成熟，如波音公司在以波音787为代表的新型客机研制过程中，全面采用了MBD技术，将三维产品制造信息与三维设计信息共同定义到产品的三维模型中，摒弃二维图样，将MBD模型作为制造的唯一依据，开创了飞机数字化设计制造的崭新模式。
近年来，国内大型装备制造企业已认识到MBD技术的优势，并逐步开始应用MBD技术进行产品设计，并将MBD模型作为制造的唯一依据。
但仅仅是MBD还无法完全实现最初提出的提高大型复杂系统的设计质量，减少制造交货时间，以及减少工程变更、减少产品缺陷、提高首次质量等目标。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（Model Based Enterprise，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。MBE也获得了美国国防部、美国陆军研究实验室等代表客户方单位的大力支持，并在某些大型项目中提供相关的帮助，不仅对MBD/MBE进行了系统的阐述和研究，同时，也通过国家项目进行资助和验证。
美国“下一代制造技术计划（The Next Generation Manufacturing Technologies Initiative，简称NGMTI）”是美国军方和重要制造企业合作发展制造技术的计划，旨在加速制造技术突破性发展，以加强国防工业的基础和改善美国制造企业在全球经济竞争中的地位。该计划于2005年提出，将于2016年部分完成。NGMTI计划定义的美国下一代制造技术共有6个目标，其中第一个就是“基于模型的企业（Model-Based Enterprise，简称MBE）”，其发展历程见图2-1。“基于模型的企业”项目将由美国爱荷华大学牵头，并由Rockwell Collins公司和雷神导弹系统公司资助。图2-1 MBE发展历程
NGMTI提出的“基于模型的企业”是一种制造实体，它采用建模与仿真技术对设计、制造、产品支持的全部技术和业务的流程进行彻底改造、无缝集成以及战略管理；利用产品和过程模型来定义、执行、控制和管理企业的全部过程；并采用科学的模拟与分析工具，在产品生命周期的每一步做出最佳决策，从根本上减少产品创新、开发、制造和支持的时间和成本。
这个被美国国防部提出的词语和内涵，慢慢的也被很多商业公司所采纳。“基于模型的企业”已成为这种先进制造方法的具体体现，它的进展代表了数字化制造的未来。美国国防部和国家标准和技术研究所在2009年12月举行了“基于模型的企业”首脑会议和数据包（MBE/TDP）技术研讨会。会议汇集了超过75个专业课题方向的专家，针对国防部和其供应商如何有效处理技术数据提出更改建议。未来的变化都需要支持国防部过渡到基于数字模型而不是二维图纸的全生命周期管理。
MBE的核心内涵：基于模型的定义（Model-Based Definition，简称MBD）是核心；MBD数据创建一次并能被后续各业务环节直接使用；MBD模型作为配置的基础，并在此基础上对MBE的外延进行了扩展和说明，其中基于模型的系统工程和基于模型的维护是基于模型企业的应用和实践方向。
MBE的相关组成主要分为三大部分（见图2-2）：基于模型的工程（Model-Based Engineering，简称MBe）、基于模型的数字化制造（Model Based Manufacturing，简称MBM）、基于模型的维护（Model Based Sustainment，简称MBS）。其中基于模型的工程是整个MBE实施的基础，特别大家比较熟悉的MBD也是基于模型工程的重要组成。图2-2 MBE三大组成
2.1.1 基于模型的工程MBe
基于模型的工程是将模型作为技术基线的不可分割的一部分，包括整个生命周期中需求、分析、设计、实施和验证的能力，丰富了以前仅以MBD作为基于模型工程的一个独立部分，且也将基于模型的系统工程（Model Based System Engineering，简称MBSE）作为MBE的一个完善和未来的发展方向之一。
●基于模型的系统工程MBSE：系统工程国际理事会（INCOSE）出版了系统工程2020年远景规划，提出了从过去以文档为中心的方法转向未来基于模型的方法的发展路径。INCOSE MBSE制定了一个路线图，重点标示出为实现2020年的远景规划，将MBSE的标准的制定作为努力的关键领域。MBSE是正式的建模应用程序，用以支持开始于概念设计阶段的系统需求、设计、分析、验证和确认。可以说系统工程（System Engineering，简称SE）是对整个产品的开发、部署和处置阶段的设计决策的协调，MBSE是一个接口，可以被认为是“将不同阶段黏合在一起”的一个系统化的方式。最近系统建模标准开始对MBSE应用和使用产生重大影响。对象管理集团（OMG）的系TM统建模语言（SysML）是一种通用的，用于特定的设计、分析和验证复杂系统的图形化建模语言，在2006年由OMG采纳并已被广泛实TM施在MBSE支持工具中。SysML是一个更广泛的家族，是包括XML元数据交换（XMI）在内的由对象管理集团正在开发的标准的一部分。本标准规定了建模工具与XML格式文件之间的信息交互手段。ISO 10303-233应用协议系统工程（AP233）是一种数据交换的标准协议，以支持许多不同的SE工具之间的工程数据交换。事实上，TMAP233和SysML的要求已在很大程度上由OMG和ISO的团队一起保持一致，并与INCOSE模型驱动的系统设计工作组密切合作。模型和数据交换在推进MBSE实践以实现不同建模领域的一体化水平中是必不可少的。
●基于模型的定义MBD：是指用集成的三维模型完整地表达产品定义信息，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。基于三维模型定义的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数字模型的价值与产品的复杂程度成正比。如果用二维图纸描述复杂产品，则需要很多时间来培训使用者，以理解其复杂的结构与组织。有了三维MBD数据集，对专门技能的要求可以适当降低，使用者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。MBD数据集还可以表示隐含的信息，进行剖切或特定的测量。在三维模型加二维图纸的定义模式下，三维模型上并没有检验要求的描述，有关产品检验信息标注在二维图纸上。而应用MBD方法，可大大简化检验过程，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，在编制检验程序时，使用者的输入达到最小。利用便携式的坐标测量装置，可使检验深入到更多的制造环节中，能及时发现制造缺陷和不合格产品，在后续加工之前就将废品淘汰，避免进一步损失。基于MBD的产品研制方法将质量保证部门纳入到MBD技术体系中，使得产品设计制造形成具有反馈的封闭环，缩短了新产品研制周期，降低了研制成本。
针对MBD数字模型的表达，美国机械工程师协会从1997年1月发起关于三维模型标注标准的起草工作，以解决图纸与信息系统传输之间的矛盾。此标准于2003年7月被美国机械工程师协会接纳为新标准（ASME Y14.41）。随后，Siemens、PTC、Dassault等公司将该标准应用于各自的CAD系统中，对三维标注进行了支持。作为该项技术的发起者之一，波音公司在787项目中开始推广使用该项技术，从设计开始，波音公司作为上游企业，全面在合作伙伴中推行MBD技术。波音公司采用MBD技术后，在生产管理和生产效率上取得了本质的飞跃。
通过应用MBD技术可以为企业带来的好处包括：
●当制造工程师使用3D模型时，将大大减少物理样机的制造；
●3D工具应用将缩短30%～50%的产品开发周期；
●标准件库在总成装配上应用将减少大量时间；
●3D模型的使用将减少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。
正是鉴于MBD技术的效益和国外先进装备企业采用MBD技术后取得的巨大成功，国内的大型装备制造企业逐渐开始学习MBD技术，并逐步将MBD应用于现实生产中。但国内大型装备制造企业对于MBD技术的学习与应用起步比较晚，现实生产中的应用并不成熟，需要深入研究和逐步推广。
2.1.2 基于模型的数字化制造MBM
基于模型的企业（MBE）是由许多相关的过程组成，基于模型的数字化制造（MBM）是其中关键的过程之一，MBM使用基于模型的定义（MBD）过程中创建的模型，不仅重用MBD中所包含的产品几何表示，还重用很多的文本或存储在MBD模型中的“元数据”。这消除了传统的以手工方式重建数据以创建用于生产的工艺过程定义的过程。
MBM模型用于虚拟制造环境内部进行工艺规划设计、优化和管理，直至提供给生产现场。MBM过程交付物成果包括：三维零件工艺、三维装配工艺、数控程序、三维电子作业指导书、传统的作业指导书、离散事件仿真等。所有这些活动或工作都可以在某些情况下开始并有可能在完成设计之前完成。事实上，如果使用得当，MBM允许在切削任何实物之前都能进行制造和装配过程仿真，反过来说，这使得制造工程师可以向设计团队提供反馈以创建一个可制造性更好的设计。
作为MBM中重要组成部分的基于模型的作业指导书（Model Based Instruction， MBI）是连接虚拟和生产现场的关键环节。MBI是在MBM制造过程系统中生成和管理的，并基于3D设计模型生成的车间工作指导书。MBI在车间现场消除了纸质的二维作业文档，直接使用MBD的相关3D数据和基于三维的工艺信息。MBI和现场的制造执行系统MES集成在一起，在MBI的主屏幕上，设置人机交互功能，可以采集及时发生的问题，并加入到数字模型中以进行未来的改进和版本管理。
通过使用基于模型的数字化制造（MBM），可以解决以下问题：
●减少转换产品定义到可用的工艺过程定义所需的时间；
●通过限制或消除重建模型的需求以减少出错的机会；
●允许在产品正式生产制造前进行制造工艺过程的虚拟验证；
●允许早期制造数据向设计的反馈。
2.1.3 基于模型的维护MBS
国防行业随着维持武器系统运行的时间比原来设计的越来越长，以及国防在未来越来越少的预算，迫切需要采取类似于MBS的维持技术以提高运行维护效率和降低生命周期成本。同时，随着MBE在各类装备制造业的实践和实施，未来基于模型的技术应用必然会扩展到产品生命周期的维修阶段。在产品和工艺开发过程中创建的模型和模拟仿真结果可以直接在整个产品生命周期的维护保障阶段使用，给用户和维护支持人员提供不断向下游传递的3D模型和相关数据。企业价值链成员将使用真实世界的效果和维护/维修/故障数据来评估产品和工艺的集成作业环境，反馈给产品设计，进行产品设计的改进。
目前大型装备维护领域还是由基于纸质及其他的非智能化数字化过程为主导，因此在维护保障领域基于模型的维护（MBS）具有节约成本的最大提升空间。当前这些过程都因为缺乏高品质的跨越整个供应链的集成系统工程数据而只能实现部分的优化：
●系统修改和升级。
●定点维护，维修和大修。
●现场维修和保养。
●有竞争力的采购零件。
●DMSMS（Diminishing Manufacturing Sources and Material Shortages）制造源萎缩、材料短缺管理和报废管理。
●预测和状态检修。
一个基于模型的企业（MBE）的实施成功，模型必须成为企业流程中各环节协作的核心数据，该模型必须包括一个完整的产品定义，在应用上也必须是中性的数据。MBE的宗旨是：数据是创建一次，并能直接被所有数据使用者重复使用。该模型应该被视为系统记录和配置控制的基础。
下游业务过程中模型使用者应该使用模型参与产品开发周期的早期工作，如制造、成本和产品维护支持都可以基于模型来做，因此，模型不能仅仅包含几何模型信息，还必须包含制造信息，比如公差配合、注释和功能参数，以帮助沟通设计意图。该模型必须是一个完整的技术数据包，必须包含或关联相关的材料数据、过程规范、产品支持信息、测试和分析数据和其他文件。同时，另外一个关键因素是如何在组成企业的各个工程和业务部门之间有效传递和使用。
判断一个企业处于MBE的哪个阶段，可以从图2-3中的一些指标进行基本判断。该图是美国国家标准与技术研究院从超过10家美国的大型企业及其供应商的现场评估，参照MBE的定义得到的一个能力指数定义，通过一套详细的标准来定义MBE的能力，以帮助企业判断当前的状态并制定企业MBE的发展路线图。图2-3 MBE能力矩阵
●Level 0：企业这个阶段能力水平是其他各级建立的基础。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，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（Technical data package，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。
●Level 1：这个级别开始有效使用三维模型了。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短交付时间。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。
●Level 2：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Level 1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。
●Level 3：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（Product Manufacturing Information，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，它们可以取代图纸。这个级别由于减少了对图纸的依赖，从而大大缩短了错误和交付时间。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。
●Level 4：这个能力级别是建立在Level 3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…
●Level 5：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。
●Level 6：这是迄今为止MBE能力定义的最高水平。本级建立在Level 5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二维图纸的情况（也没有例外）。应当指出，Level 6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。
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如下实实在在的效益：
●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。
2.2 中国企业实施MBD的实践与挑战
2.2.1 MBD技术应用状况
MBD技术采用包含了三维几何模型、尺寸和几何形位公差标注，以及属性注释等产品制造信息的单一主模型来完整表达产品定义信息，并将其作为产品制造过程中的唯一依据，从而实现设计、工艺、制造、检测等各业务的高度集成。MBD技术实现了单一数据源，消除了传统研发模式中的三维模型与二维图纸之间的信息冲突，减少了创建、存储和追踪的数据量，保证了产品制造信息的正确、快速传递，从而有效地缩短了产品研制周期，减少了重复工作，提高了企业生产效率和产品质量。
随着MBD技术应用的逐步深入，MBD技术在国外已经得到了广泛的认同和较为深入的应用，主要体现在：
●数字产品定义相关标准的制订和发布。美国机械工程师协会于2003年发布了ASME 14.41“数字产品定义数据实践”标准，为MBD技术的应用设置了基本准则。该标准现今已经被国际标准化组织所采用，并于2006年采纳为ISO- 16792“技术产品文件——数字产品定义数据实践”标准。另外，很多企业根据自身的特点和需求，在这些标准基础上，做了进一步研发工作，制订了自己的标准规范，例如波音公司制订了基于模型定义的MBD技术应用规范BDS-600系列，为顺利实现MBD技术的应用奠定了基础。
●三维可视化JT文件格式标准ISO 14306发布，促进了MBD模型数据的共享和可视化。2012年12月，ISO发布了ISO 14306“三维可TM视化JT文件格式”标准。轻量化的JT数据格式可实现数字化三维产品数据在产品生命周期各阶段的实时共享和可视化。通过JT，制造商可在支持JT标准的大量计算机辅助设计（CAD）软件和产品生命周期管理（PLM）软件应用之间实现三维产品数据（即MBD模型数据）的即时、无缝传递，促进各业务环节和数据的有效协同。
●MBD技术在国外众多企业中得到应用。例如波音公司在以波音787为代表的新型客机研制过程中，全面采用了MBD技术，将三维产品制造信息（Product Manufacturing Information，PMI）与三维设计信息共同定义到产品的三维标注模型中，摒弃二维图样，直接使用三维标注模型作为制造依据，开创了飞机数字化设计制造的崭新模式；某些公司开始应用主模型驱动的技术，以具有PMI三维标注的模型作为单一数据源，贯穿产品研发的各个环节；另外，也有公司提出了3D PMI的计划，通过具有PMI的三维产品模型在产品研制各阶段的应用，不断完善企业的业务流程。
应用以主模型/PMI驱动的技术（其内涵与MBD相似）已经成为了国外航空企业的共识，通过多个应用案例的研究，大家都认同了以PMI驱动的少图纸或无图纸的产品研制流程，PMI驱动的最佳实践贯穿了整个产品全生命周期，具体包括：
●将PMI作为需求进行描述和管理；
●创建关联PMI的产品模型；
●基于PMI的公差仿真；
●PMI驱动的基于特征的加工；
●PMI驱动的CMM数控检测编程；
●将具有PMI的模型数据共享给供应商，使其更易于浏览查看；
●基于PMI的装配和3D现场作业指导说明；
●基于PMI的自制或外购；
●PMI在生产/供应商处的应用；
●PMI在MRO（维护/维修）中的应用；
●基于PMI的CMM执行和质量记录；
●PMI分析，规划与实做之间的比较。
MBD技术不仅在国外得到了应用，其应用的优势在国内也得到实践证明，例如：中航工业某设计研究院在某型号飞机机头物理样机的研制中，与制造单位合作，首次把全三维设计技术应用于型号的研制中。在此研制过程中，没有使用一张二维图样，全部使用三维模型，效果显著，得到了设计、制造及其行业内各方认可（此处内容摘自报刊、网络）。
MBD技术从2007～2008年开始逐步引入国内，现今，在国内的应用得到了快速的发展，主要表现在：
●MBD技术现已在国内得到了极大的推崇，包括航空、航天和国防等行业都在全面研究和应用MBD技术。众多的研究院所和企业已经开展了MBD技术的试点应用，并已经开始了基于MBD的产品设计模型数据的发放；部分单位还形成了自身的MBD应用规范。
●有关MBD技术的研讨和交流持续进行。近年来，有关MBD技术研究和应用的文章、资料不断增多，例如《大型飞机数字化制造工程》就对MBD技术及其在飞机部件中的应用进行了介绍。同时，随着MBD技术应用的深入，大家对MBD技术有了更深的认识并积累了更多的经验，有关MBD技术的研讨和技术交流也持续进行。
●MBD技术应用标准规范的制订正在进行。“SAC/TC146全国技术产品文件标准化技术委员会”根据目前我国机械制造企业的现状及具体情况，开展了基于模型定义的标准（Model Based Definition of Standards，MBDS）的制订工作，提出了MBDS标准的基本模型（摘自2012年SAC/TC146桂林会议MBD&S论文集），如图2-4所示。图2-4 MBDS标准的基本模型
已经发布的部分成熟的MBD国家标准包括：GB/T 24734-2009“技术产品文件数字化产品定义数据通则”的标准，该标准从2010年9月开始实施；GB/T 26099-2010“机械产品三维建模通用规则”标准，该标准从2011年10月开始实施；GB/T 26100-2010“机械产品数字样机通用要求”标准，该标准从2011年10月开始实施；GB/T 26101-2010“机械产品虚拟装配通用技术要求”标准，该标准从2011年10月开始实施。
为了制定“机械产品三维图样技术规则”和“机械产品三维图样文件管理”标准，SAC/TC146全国技术产品文件标准化技术委员会在2012年组织了分属航空、汽车、铁道机车、通用机械等不同行业的企业开展了MBDS标准制订的试点工作，通过试点总结，为进一步完善标准内容提供依据。
另外，一些企业在实践中也制订了自己的MBD标准规范，从而帮助企业有效地推进MBD在企业中的实践应用。
虽然MBD技术在国内已经具有了一定的应用基础，但与国外发达企业相比，国内的企业在此方面仍然存在很大的差距，主要表现在：
●基于MBD技术的产品定义工作尚处于探索阶段，大部分企业处于试点或局部应用阶段；
●以MBD为核心的数字化工艺设计和产品制造模式尚不成熟，对如何进行三维零件机加工艺设计及在制造车间的应用还没有统一的认识；
●三维数字化模型并没有贯穿于整个产品数字化制造过程中；
●MBD的设计、制造和管理规范还有待完善；
●三维数字化设计制造一体化集成应用体系尚未贯通。
2.2.2 MBD技术对产品研发模式的影响
基于MBD的数字化产品研发模式的内涵是关键业务过程的无图纸化和全三维实现，这必将对以二维图纸或二维图纸加三维模型为数据传递依据的传统研发模式带来巨大的变革，其影响包括对产品设计、工艺规划、产品制造和检测等关键业务过程的影响，对供应商、合作伙伴及客户之间交流协同的影响，对标准化、档案、信息化等管理的影响，具体体现如下：
●产品设计◇三维模型包含所有产品研制相关的信息，包括设计模型、注释、属性，这需要有效的工具来定义和管理；◇对三维模型上的信息进行分类管理和显示，便于不同的人员按照不同的视图进行快速查询；◇面向制造的设计，确保MBD模型既反映产品的物理和功能需求，即客户需求的满足，又满足可制造性，即创建的MBD模型能满足制造应用的需求，在后续的应用中可直接应用；◇产品设计与工艺制造的协同，实现产品研制的并行协同；◇设计结果的审校模式的转变，由基于图样的审校转变为基于三维模型的审校，并需要有相应的手段来实现基于三维模型的审校、圈阅及追踪。
●工艺规划
工艺规划将以三维产品模型为依据，从二维文档卡片式工艺设计方式转变为结构化三维工艺设计方式，并且由三维可视化工序模型取代传统二维工序简图，从而实现工艺设计的：◇数据来源三维化；◇工艺结果结构化；◇工序模型三维化；◇工装设计三维化；◇工艺编制三维可视化；◇工艺仿真三维化；◇工艺输出三维化；◇车间执行三维化。
●产品制造◇操作信息的展示由现场的终端显示取代了图纸；◇数控作业所占比例大幅度提高。
●质量检测◇基于图样的检验转变为基于三维模型的检验；◇数控检测作业所占比例大幅度提高。
●上、下游协同◇基于技术要求、图样、报告的与用户、合作伙伴、供应商之间的交流沟通和交付方式，被三维模型的交流沟通、交付方式所取代。
●标准化◇需要有基于三维数字化产品研发的标准规范来适应新的产品研发模式。
●档案和信息化平台◇电子归档代替了实物归档；◇必须要有统一的PDM系统对三维电子数据进行有效的管理和维护。
2.2.3 MBD实现的挑战与对策
MBD将设计、制造、检验、管理信息融为一体，是目前被业界普遍认同的数字化设计、制造的先进技术，是数字化制造的关键技术之一，是未来设计技术的发展方向。但从上述MBD技术对产品研发模式的影响可以看出，MBD技术是产品定义方式的一次革命，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。MBD的实施是一项长期、复杂而又艰巨的工作，国内企业在MBD技术的应用方面还将面临以下诸多问题：
●MBD规范，还没有统一完善的MBD行业标准规范，正处于研究阶段；
●设计要求，下游部门和合作伙伴所需要的MBD文件覆盖了很多内容，并不是所有内容都可以在CAD中由设计师进行定义，同时企业中能够应用MBD技术的工程师、工人严重缺乏。
●传统习惯，传统设计方法及设计习惯的阻碍与限制，特别对于制造部门，MBD的实施无疑是一场革命，将改变原有的研制流程，与现行生产、检验制度有很大的冲突。比如有些车间工人在生产工作中必须以设计图纸为依据，实施MBD后将大量取消二维图，使生产工作无依据。
●设计效率，基于MBD的业务流程需要产生和管理海量数据模型和装配，MBD包含的信息远多于传统图纸，它涉及的具体工作也只是确定局部信息，而若缺乏有效的数据提取工具和技巧将有可能使工作效率变得更低。
●数据传递，在编制者和使用者传递数据所选择的机制上会给各类供应商和合作伙伴带来压力，是否属于同一地理区域上的公司或者供应链是否是分散的？是否有合适的IT架构和查看软件工具等。
●不同的应用领域标准要求，使用MBD数据的人员的需求变化比较大，如需要哪些MBD数据的子集？这些数据如何显示？
只有有效解决以上这些问题，才能进一步推动MBD技术在国内的普及应用，发挥其潜能。
以下是国内企业实施MBD时常见的挑战和应对策略。
●基于MBD的产品设计◇挑战：○三维模型包含所有产品研制的信息；○对三维模型上的信息进行分类管理和显示；○面向制造的设计。◇应对：○根据行业和企业自身特色和产品特点，定义详细的企业标准，并按标准进行产品信息的定义和管理（见图2-5）。○充分听取工艺、工装、检测人员的意见，本着便于制造和检测的原则，建立三维MBD模型，并利用合规性检查和可制造性检查工具确保设计结果满足制造的要求。
●基于MBD模型的工艺设计◇挑战：○MBD模型数据的访问与浏览；○工艺结构的快速搭建（见图2-6）。○零件工艺中工序模型的创建与编辑。◇应对○轻量化数据的应用，实现数据的快速查看；○典型工艺模板的应用，实现结构化工艺快速设计；图2-5 MBD模型信息管理规则图 2-6 结构化工艺设计
WAVE技术和同步建模技术的应用，实现工序模型的关联设计（见图2-7）。图2-7 三维工序模型的关联创建和表示
●数控工序数据的编制与管理◇挑战：○NC加工程序的快速编制；○NC加工程序的有序管理；○数控加工的一次性正确制造。◇应对○加工模板和基于特征加工等NC加工编程的自动化应用；○基于PDM的加工数据管理；○车间对加工数据的直接访问。
●工作指令的生成和输出◇挑战：○工作指令的正确获取；○工作指令的灵活呈现。◇应对：○独立文档：2D-PDF、3D-PDF、纸质；○在线文档：EWI（电子作业指导书）。
●基于MBD的FAI检验计划编制◇挑战：○质量规划中尺寸、注释和几何形位公差的提取和录入；○被检对象的编号和拷屏图像。◇应对：○利用BCT自动提取PMI信息，将其存入Teamcenter作为对象管理，并按AS9102生成检验计划表格。
2.2.4 MBD的实施建议
MBD技术是产品定义方式的一次革命，MBD的实施是一项长期、复杂而又艰巨的工作，涉及信息化平台的支持、标准规范的建立、管理模式和人员培养等各方面。
●有效的产品数据管理平台是成功应用MBD的基础。产品数据管理平台是产品研发的基础平台，支持产品研发的核心业务流程。将三维设计软件（如NX软件）存放于与之高度集成的产品数据管理平台系统中，才是实现MBD的唯一途径。
●MBD模型的建立应与MBD标准和规范的建立紧密关联。需要针对各种不同的典型零部件，详细定义每种零部件的标准建模过程和方法，形成规范，并贯彻执行，确保三维模型的一致性以及三维建模的质量。
●全面应用主模型技术是实现MBD的关键之所在。
●数字化样机的建立将使MBD应用扩展到整个协同环境。基于轻量化模型的可视化，可以进行整机查看，便于在早期验证更多的问题，在整个企业流程中实现“可视化”。
●知识的捕获和重用（聚焦设计）是实现三维设计的路径。
●MBD要求实施基于设计/制造的并行协同流程。
为了顺利实施MBD，逐步实现从传统产品研发模式到MBD模式的平稳过渡，建议采用总体规划，分阶段由点到面，最终实现全企业MBD应用，即实现基于模型的企业MBE（Model Based Enterprise），如图2-8和图2-9所示。
●第一阶段：打下基础◇MBD标准规范定义；◇宣传贯彻MBD概念；◇对应工具培训；◇典型零部件MBD实现。
●第二阶段：扩展◇MBD标准规范完善；◇典型型号基于MBD设计实现；◇典型型号基于MBD工艺实现；◇典型型号基于MBD制造实现；◇典型型号基于MBD检测实现。
●第三阶段：整合实现MBE◇所有型号基于MBD的实现；◇完善MBD/MBE标准规范。图2-8 设计阶段实现MBD的过程图2-9 贯穿于MBD的数字化制造的实现
2.3 MBD标准规范及在西门子软件系统中的实现
2.3.1 ASME Y14.41简介
ASME Y14.41-2003“数字产品定义数据实践”标准的开发最初是于1997年1月份在堪萨斯州由波音公司主办的一个会议上提出的，并在随后的1997年ASME春季会议上组成了项目成员，并开始了该标准的起草定义。
该标准为基于三维的数字化产品定义设置了基本准则，为三维数据贯穿设计、制造和检测的全方位应用奠定了基础。该标准于2003年7月被批准为美国国家标准，开始推广执行。
ASME Y14.41-2003“数字产品定义数据实践”标准包含了以下10部分：
●通用描述
●数据集的标识与控制
●数据集要求
●设计模型要求
●产品定义数据通用要求
●注释与特殊符号
●模型值与尺寸
●正负公差
●基准的应用
●几何公差
ASME Y14.41-2003“数字产品定义数据实践”标准既适用于纯三维产品研发模式（Model Only），也适用于三维和二维混合的模式（Model and Drawing）。
●产品定义数据集（见图2-10）。
ASME Y14.41-2003对完整地定义产品的数据进行了描述，除了模型数据、修订历史等之外，还包括材料、工艺、分析数据、测试要求等相关数据。针对全三维模式，可以不需要图纸。
●模型数据（见图2-11）。模型数据包括：设计模型、注释、属性，其中注释是不需要进行查询等操作即可见的各种尺寸、公差、文本、符号等；而属性则是为了完整地定义产品模型所需的尺寸、公差、文本等，这些内容在图形上是不可见的，但可通过查询模型获取。图2-10 产品定义数据集图2-11 MBD模型数据
模型数据的管理需要数据管理系统来提供数据集的控制和跟踪信息，包括对数据工作状态、评审状态、发布状态的控制，数据的存储、数据版本历史的记录等。
2.3.2 ISO-16792简介
国际标准化组织采用了ASME Y14.41-2003“数字产品定义数据实践”标准，并于2006年12月使其成为ISO标准，发布了ISO-16792“技术产品文件——数字产品定义数据实践”。
ISO-16792标准包括以下11个部分：
●范围
●标准引用
●术语与定义
●数据集的标识与控制
●数据集要求
●设计模型要求
●产品定义数据通用要求
●注释与特殊符号
●模型值与尺寸
●基准的应用
●几何公差
ISO-16792标准的内容与ASME Y14.41-2003的内容一致。
2.3.3 GBT 24734-2009简介
全国技术产品文件标准化技术委员会（SAC/TC146）于2009年根据ISO-16792“技术产品文件——数字产品定义数据实践”标准，发布了GBT 24734-2009“技术产品文件——数字化产品定义数据通则”标准。
GBT 24734-2009标准包括以下11个部分：
●术语和定义
●数据集识别与控制
●数据集要求
●设计模型要求
●产品定义数据通用要求
●几何建模特征规范
●注释要求
●模型数值与尺寸要求
●基准的应用
●几何公差的应用
●模型几何细节层级
GBT 24734-2009标准除了几何建模特征规范和模型几何细节层级两部分内容外，其余与ISO 16792标准的内容一致。
GBT 24734-2009标准的几何建模特征规范部分给出了三维CAD应用中几何建模特征的术语和定义、分类等方面的规范化要求。它将几何建模特征分为基本建模特征、附加建模特征和编辑操作特征几大类，如图2-12所示。图2-12 几何建模特征
GBT 24734-2009标准的模型几何细节层级部分规定了产品数字化定义过程中三维模型的标准级表示、简化级表示和扩展级表示（见图2-13），以及螺纹、孔、埋头孔、倒角、沟槽、齿轮、轴承和螺纹弹簧等的各级表示要求。
●标准级表示。在标准级表示中，对识别功能目的所需的几何形状和设计细节进行建模或显示。除非有特别说明，否则对小于最大长度0.5%以及表达功能目的所不需要的元素可不建模或不显示。
●简化级表示。在简化级表示中，只有零件或装配体的基本形状需要建模或显示。倒角、沟槽、刻痕等元素以及内部细节不需要建模或显示。
●扩展级表示。在扩展级表示中，所有的零件组成、模型特征的建模或显示都应能表现其完整的细节。在满足功能需要的前提下，建模或显示的精度可以低于零件或模型特征的实际形式。除非有特别说明，小于最大长度0.1%的元素可不建模或不显示。有限体积的内部细节只有在必要时方予显示。图2-13 三维模型的几何细节层级表示示例
2.3.4 基于西门子软件的MBD规范
以上ASME Y14.41、ISO-16792和GBT 24734标准从立法的角度使三维模型的使用合法化，三维模型作为被这些标准批准的产品与制造信息的传递工具，贯穿产品的整个生命周期，促进产品研制过程的改进。
但是，这些标准只是规定了三维数字化产品定义的原则和基础框架，对具体操作层面的内容并没有规定。全三维数字化产品研发模式MBD的实现，离不开具体的产品数据管理系统和CAD/CAM等信息化工具，为了确保MBD技术实现的可操作性，需要针对特定的信息化工具和企业自身的情况，在ASME Y14.41，ISO-16792和GBT 24734标准规定的框架下详细定义MBD技术的应用规范。
西门子工业软件公司的Teamcenter+NX已经被众多的企业作为实现MBD技术的信息化平台，在国内外得到了广泛的应用，很多企业制定了基于Teamcenter+NX的MBD技术应用规范，例如以中航工业沈阳发动机研究所牵头制定了“基于模型的定义UGNX实施指南”规范，对在Teamcenter+NX进行三维几何模型的创建、三维标准的表达、数据的组织和管理等都进行了规范。下面是相关规范中的一些内容。
●基于MBD应用的NX三维模型的通用要求：◇最终的交付模型应为满足产品设计要求的完整、精确三维模型。◇三维模型应按1∶1比例全尺寸建模。◇除特殊要求外，三维模型应按名义尺寸建模。◇除特殊要求外，零件模型应为单一实体模型。◇一个NX部件文件只能定义一个零件模型，产品装配应使用UGNX装配功能实现。
●基于MBD应用的NX三维标注的要求。◇三维标注应基于NX的PMI功能定义。◇三维标注信息应直观、明确。◇三维标注信息应与其标注对象保持关联。◇三维标注信息应标注在合理的标注平面上。◇三维标注信息应建立在其指向的模型元素附近。◇在视图方向上查看标注时，标注不应相互重叠。◇在视图方向上查看标注时，标注文本不应遮挡模型的关键部位。◇应尽可能以较少的视图和标注表达产品的完整信息。◇三维标注应以视图进行组织和管理。
●属性定义。通过NX的属性定义来给定文件属性和对象属性。
2.3.5 基于西门子软件的MBD应用系统
标准文档和规范文档需要融入MBD的信息化平台当中，才能得到充分的贯彻和执行。基于西门子软件的MBD应用系统是易之恒软件技术有限公司（http://www.njplm.com）针对MBD在数字化设计与工艺中的应用，运用NX OPEN、ITK等开发工具，将MBD的相关标准和规范融入NX与Teamcenter平台中，通过定制国标化、规范化、流程化、自动化的工具，帮助客户在已有的PMI技术基础上，方便快捷地完成各流程的设计与定义。
基于西门子软件的MBD应用系统包括MBD三维设计系统、MBD三维工艺系统、MBD标准检验系统三部分。
1. MBD三维设计系统
MBD三维设计系统是基于NX与Teamcenter平台，运用NX OPEN、ITK等开发工具，通过数据库与网络等开发技术为工程技术人员提供三维产品制造信息的标注、管理、查询、导出工具，辅助工程技术人员方便快捷地完成MBD模型的设计。
●系统具有如下特点：◇采用C/S体系架构，客户端与CAX集成，服务端与PLM协同平台构建在同一服务器中，实现数据库共享；◇内嵌了MBD标准规范，创建的标注符合相关标准；◇集成了企业常用设计数据，通过图形化界面查询选用；◇采用对象组与模型视图复合结构组织、管理三维产品制造信息；◇具有支持查询、统计、汇总三维产品制造信息的功能。
●系统主要内容和功能：◇尺寸公差标注
快速方便地生成符合HB 5800、GB/T 1800-79、GB/T 1801-79、GB/T 1802-79、GB/T 1803-79、GB/T 1800.1、GB/T 1800.2、GB/T 1800.3的尺寸公差。◇常用尺寸公差
常用的尺寸公差包括上偏差、下偏差、等值偏差。支持在配置文件中添加自定义公差值。◇形位公差标注
快速创建符合国标的形位公差，如图2-14所示。
支持的形位公差标准有：GB/T 1182-80、GB/T 1183-80、GB/T 1182-96。图2-14 形位公差标注◇标印
快速方便地生产和查询标印信息。◇技术要求，如图2-15所示。
①支持多种特殊符号的输入。
②支持多种查找技术要求的方式。
③支持多种在CAX中显示技术要求的方式，如是否显示标题、编码或导引线。
④支持方便快捷地导入/导出技术要求库。图2-15 技术要求
●特殊PMI标注工具箱，如图2-16所示。◇孔标注：创建带有孔特征参数信息的标注，如：孔直径、孔深度等信息。◇球标注：针对球形实体自动创建三维标注。◇倒角：创建带有倒角特征参数信息的标注，如：距离、角度等。◇常用符号标注：提供一些常用符号的快速标注。◇格式文本：支持复杂格式的文本输入。◇Φ与M转换：提供快捷的直径符号（Φ）与螺纹符号（M）之间的转换，并支持在尺寸前后标注注释文字。图2-16 特殊PMI标注
●常用参数表如图2-17所示。
快速生成常用参数表，提供开放的接口，支持添加符合国标、企标的参数表。
●加载种子配置信息，如图2-18所示。
依据MBD标准体系，设置三维产品制造信息的管理方式并建立建模模板，通过加载模板信息，完成MBD三维设计系统的设置。
●PMI规则化检查，如图2-19所示。
通过检测、查询并显示所有PMI信息，通过自动或手工规则化，实现PMI分类、分组管理。显示的PMI信息包含所属视图、类型、数值。图2-17 常用参数表图2-19 PMI规则化检查
●组对象管理，如图2-20所示。
对采用组方式管理的PMI进行重新编辑处理，实现PMI对象的组织管理。图2-20 PMI组织和管理
●PMI汇总统计，如图2-21所示。
通过添加类型过滤与视图过滤的方式，汇总、统计所有符合条件的PMI信息，并将PMI信息按一定的格式与内容显示在对话框上。图2-21 PMI汇总统计
2. MBD三维工艺系统
MBD工艺设计系统根据三维工艺的特点与要求，基于NX和Teamcenter协同平台，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设计与车间工艺文档的设计。
系统具有如下特点：
●工艺结构化。在Teamcenter中创建和管理总工艺、工艺、工序、工艺资源等，形成结构化的零件工艺。
●相对独立。完整的MBD零件工艺设计系统的主要功能包括：创建零件工艺结构、工艺路线设计、工艺资源调用、工序模型创建、PMI标注、工序卡片编制、合成整本工艺、流程审批、工艺规程修订等。
●规范设计模型。工序模型之间的关系与创建模式，能够继承设计模型的PMI标注信息和相关属性，提高工艺设计效率。
●系统集成了典型工艺、工装设备资源，能够实现Teamcenter协同平台与NX之间信息的实时交互。
●制定规范的MBD结构化零件工艺设计流程、系统内嵌工艺设计标准环境和工序卡片模板，并可以对工艺数据进行标准检查与修正。
●支持基于NX的二维工序图表创建，并以PDF格式输出。系统的主要内容和功能：
●工艺数据组织与管理。
●在PLM协同平台中构建包含总工艺、工艺、工序的零件工艺BOM。在CAX中，工艺、工序以装配的方式显示。如果工序还需细分工步，则通过视图的方式区分工步信息。
●创建工艺，如图2-22所示。
工艺（工艺规程）类型包括锻造工艺、铸造工艺、热处理工艺、焊接工艺、机加工艺、喷漆工艺和表面处理工艺。在零件工艺的结构中，放在总工艺下面，其下节点为工序。工艺编码和命名符合公司规范。
●工艺路线设计，如图2-23所示。
在Teamcenter上定义工序类型，包括领料工序、锻造工序、铸造工序、热处理工序、焊接工序、机加工序、特种工序、检验工序、表面处理工序等。在零件工艺结构中，放在工艺（工艺规程）下面。根据零件工艺要求，创建不同工序、调整工序顺序等，工艺编码和命名符合公司规范。图2-22 创建工艺图2-23 工艺路线设计
●工序模型创建，如图2-24所示。
设计模型通过链接或克隆的方式引用到工艺BOM树下，作为最终检验模型存在；工序模型通过特征回溯、特征简化、特征分解、典型模型、特征共享等技术手段创建；通过开发实现零件与工序模型间PMI信息和模型的关联复制。
●工艺设计标准环境设置，如图2-25所示。
基于行业和公司标准，设置工序模型的标准创建环境，具体环境设置包含：图层，模型及PMI标注信息的颜色、字体、线形等涉及国家标准的内容。
●PMI标注信息，如图2-26所示。◇尺寸标注：直观方便地查看、选用、标注国标公差，而且尺寸偏差值能随模型基本尺寸的更改而自动更新。◇形位公差标注：提供多种国标形位公差类型，直观方便地根据公差等级确定形位公差值，生成形位公差PMI。◇格式文本：提供复杂格式的文本标注。◇技术要求：调用工艺知识库中的技术要求，并显示在模型视图中。图2-26 技术要求
●PMI工步信息定义，如图2-27。图2-27 PMI工步信息定义
在模型视图中直观方便地创建PMI工步信息，并支持工步包含特殊工艺符号，方便调整工步顺序。
●检验顺序号定义，如图2-28所示。图2-28 检验顺序号定义
通过PMI的设置，自动生成PMI的加工顺序号，并在模型窗口中显示；为后续三维工艺卡片中检验数据的定义做准备；可以设定加工顺序的起始号并进行更新。
●装夹找正位置定义，如图2-29所示。
在工序模型上，对加工面、基准面、定位面和夹紧面位置进行定义，并用不同颜色标识。图2-29 装夹找正位置定义
●工艺/工序属性定义，如图2-30所示。
实现对工艺/工序属性的填写及修改，还可以在工序间进行复制、粘贴属性值的操作和继承零件属性的操作。
●工艺资源指派，如图2-31所示。图2-30 工艺/工序属性定义
实现与PLM协同平台的集成，从PLM中获取工装、刀具、量具等工艺资源信息，并定义工艺资源；提供查询功能，实现工艺资源的便捷查询显示；提供虚拟装配，完成工装设备的定义与加载。
●工序卡片导航器，如图2-32和图2-33所示。
工序卡片导航器方便用户进行添加新页、添加续页、删除选中页、替换选中页模板、上移卡片、下移卡片、编辑工序属性和返回工艺等操作。图2-32 工序导航器图2-33 工艺卡片模板调用
●合成整本工艺
创建工艺规程封面、工序目录、工装目录、工序卡等工艺卡片的合并，生成整本工艺PDF。整本工艺按照一定的顺序排列，放置于工艺规程版本下。
3. MBD标准检验系统
MBD标准检验系统是基于PLM协同平台，根据MBD标准规范，通过数据库开发技术为工程技术人员提供三维模型及产品制造信息的检验工具，辅助标检人员完成数模的标准检验。
系统具有如下特点：
采用KF开发检验Checker，与系统的Check-Mate无缝集成；
●检验结果以HD3D的方式显示；
●检验的标准符合MBD标准规范。
●系统主要内容和功能如图2-34所示。图2-34 标准检验功能
2.4 西门子MBE解决方案综述
2.4.1 引言“基于模型的企业（MBE）”已成为当代先进制造体系的具体体现，它的进展代表了数字化制造的未来。合理构建企业MBE的能力体系，能够减少50%～70%的非重复成本，缩短50%的上市时间。基于此，全世界众多装备制造企业正逐步加入到MBE企业能力建设的大军中。
MBE主要由基于模型的工程、基于模型的制造、基于模型的维护三大部分组成，并且在统一的系统工程的指导下形成有机的整体。MBE不仅仅局限在MBD模型的定义，它涵盖产品设计、制造和服务的完整的产品全生命周期业务，需要以MBD模型为核心，在各业务环节实现MBD模型的顺畅流通和直接重用。MBE的能力等级评价指标包括MBD模型数据、技术数据包、更改与配置管理、企业内外的制造数据交互、质量需求规划与检测数据、扩展企业的协同与数据交换等六个方面，其更加强调的是扩展企业跨供应链的产品全生命周期业务的MBD模型以及相关数据在企业内外能够顺畅流通、可直接重用。基于MBD的MBE生命周期如图2-35所示。图2-35 基于MBD的MBE生命周期
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、可直接重用。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重用，这将是实现MBE企业面临的最大的问题。
西门子工业软件公司提供一整套完整的面向MBE的解决方案与服务，帮助企业形成完备的MBE能力体系，减少繁重的集成与数据转换工作，能实现最大限度的数据畅通与可直接重用。西门子工业软件不仅具备专项MBE能力与工具，更能聚合整个西门子的优势，为制造企业提供完整的MBE解决方案，支撑企业实现跨供应链的产品全生命周期的MBE业务。
2.4.2 西门子MBE解决之道
西门子支持行业客户的整个价值链——从产品设计到生产、服务，将自动化技术、产业控制技术和工业软件无缝地结合在一起。运用先进的全集成的软硬件解决方案，实现产品与生产的生命周期的集成，即打造数字化企业（工厂），实现虚拟世界与实物世界的无缝连接，帮助企业降低产品研发成本、缩短新产品上市时间，如图2-36所示。图2-36 产品和生产的全生命周期的集成
多年来，西门子工业软件公司不断在内部PLM研发方面进行大量的投资，以完善其PLM相关的产品和解决方案，同时花费巨额资金，通过收购策略，扩充其解决方案，增加新的功能，帮助客户应对新的挑战。例如，2011年完成对Vistagy的收购，实现向复合材料设计与制造的深入；2013年完成对LMS的收购，实现向系统级仿真、专业试验等领域的拓展，如图2-37所示。图2-37 收购策略扩充全生命周期解决方案的深度和广度
凭借西门子在工业自动化领域强大的软硬件全面集成的技术能力，以及完整的产品生命周期管理（PLM）解决方案的能力，西门子工业软件公司从一开始就积极参与MBD定义的技术开发、标准制定，以及诸多客户验证性项目的实践。经过多年的实践应用完善，形成了以NX为MBD定义工具、通过Tecnomatix直接基于MBD进行数字化制造、通过LMS进行仿真和试验、以Teamcenter为MBE企业提供全生命周期业务管理/数据重用/供应链协同的统一管理平台的全面的MBE解决方案，帮助制造企业打造完整的MBE能力体系，实现MBD模型横跨产品全生命周期的应用，如图2-38所示。图2-38 MBD模型（包含PMI产品制造信息）在产品全生命周期管理的应用
●NX，MBD定义工具：NX作为CAD/CAE/CAM一体化工具，涵盖了概念设计、数字化产品定义、数字化仿真分析、评审分析、验证、多学科优化仿真分析等。它提供完整的MBD模型定义（三维产品模型加产品制造信息PMI）、浏览、交互的能力。
●Tecnomatix，基于MBD的数字化制造解决方案：涵盖工艺BOM管理、工艺分工、零件工艺规划、装配工艺规划、机械运动仿真、公差仿真、人机仿真、装配仿真、工厂规划仿真优化、生产路线仿真优化、MES集成化管理等。通过各种技术最大化地利用MBD模型，开展数字化制造工作。
●Teamcenter，MBE的全生命周期管理平台：涵盖智能决策、投资组合、多项目组合管理、需求管理、系统工程、多CAD管理、多学科优化仿真分析管理、数字样机、可视化协同、异地协同、BOM生命周期管理、维护保障管理、企业知识管理等。保障MBD模型以及相关数据能够被有效配置管理，能够在MBE企业内部以及供应链之间流通。
●LMS，仿真和试验解决方案：将三维功能仿真、试验系统、智能一维仿真系统、工程咨询服务有机地结合在一起，专注于系统动力学、声音品质、舒适性、耐久性、安全性、能量管理、燃油经济性和排放、流体系统、机电系统仿真等关键性能的开发和研究。
西门子完整的MBE解决方案，以系统工程思想为指导，贯穿从产品需求开始，经过产品设计、产品制造直至产品服务的完整产品全生命周期的过程，在各个阶段的各种信息能够被准确的定义到以MBD模型为核心的技术数据包中，并始终保持上游的技术数据包能够被下游直接重用，一直拓展到生产现场或服务现场。西门子MBE解决方案，是通过综合利用NX为基础的MBD定义工具、Tecnomatix支持MBD模式的数字化制造解决方案、Teamcenter支撑MBE企业产品全生命周期管理平台，LMS支持的仿真和试验，有机形成了从设计、工艺、制造、试验及服务和维护全面的MBE解决方案体系，包括：基于模型的系统工程、基于模型的产品设计、基于模型的分析应用、基于模型的机电一体系统工程、基于模型的全生命周期质量管理、基于模型的工装设计、基于模型的零件工艺、基于模型的装配工艺、基于模型的质量检测、基于模型的作业指导书、基于模型的制造执行、基于模型的实物样机测试——集成的振动噪声、基于模型的MBE供应链管理、基于模型的MBE数字化服务管理、复杂产品的构型管理、基于MBD的标准和规范等。通过这些各种专业的MBE能力灵活应用与组合，可帮助制造企业分阶段、分步骤实现MBE企业能力体系构建。西门子MBE解决方案的总体架构如图2-39所示。图2-39 西门子MBE解决方案的总体架构
2.4.3 西门子MBE解决方案
西门子MBE解决方案，通过对各项专业MBE能力的灵活组合，以最大的方式保障MBD模型的准确定义、可直接重用、企业内外能快捷访问。
1. 基于模型的系统工程解决方案
西门子基于模型的系统工程（MBSE）的解决方案（见图2-40），为复杂产品的研制提供了一个独特的MBD模型驱动的系统工程工作环境，它从需求阶段开始即通过模型（而非文档）的不断演化、迭代递增而实现产品的系统设计；通过模型的结构化定义可以清晰地刻画产品设计初期结构、功能与行为等各方面的需求；基于模型可以尽早通过模拟分析发现大量不合理的设计方案；同时模型还为各方提供了一个公共通用的、无二义性的设计信息交流工具，这一点尤其对复杂产品异地分布的系统设计具有重要意义。图2-40 基于模型的系统工程解决方案
2. 基于模型的三维产品设计解决方案
西门子MBD模型的三维产品设计解决方案（见图2-41）为实现基于MBD的三维数字化产品研发提供了工具保障。NX知识工程应用实现产品的快速设计：NX重用库帮助企业管理和重用大量的工程数据，产品设计模板实现典型零部件的快速重用，过程向导工具实现知识的积累和应用。NX Check-Mate（一致性质量检查工具），通过可视化方式，对MBD模型数据的合规性和可制造性进行自动验证，确保MBD模型数据的正确性。NX PMI提供了完整的三维标注环境、全面的工具套件，实现MBD模型定义过程的流畅；简单化的创建、放置和编辑，便于MBD模型的快速定义和PMI数据的有序管理。Teamcenter提供了工程协同管理环境，对MBD模型数据及其创建过程的有效管理，便于设计/制造/服务和供应链的全面协同。集成的NX PMI，通过PMI的一次创建，多次多点应用，实现数据重用的最大化。图2-41 基于模型的三维产品设计解决方案
3. 基于模型的设计分析应用解决方案
西门子NX提供CAD/CAE一体化的工具平台，把先进几何创建工具的能力与同步建模技术的速度和灵活性完美地结合在一起，为设计者提供边设计边分析的可能性，极大限度提高对MBD模型直接利用的效率。同时Teamcenter提供统一管理平台，实现设计与仿真数据统一管理，提高了仿真数据查询，分析过程和知识重用的效率，完整的多学科一体化仿真环境，降低了软件使用的复杂度，使得设计与分析工程能够共用一个图形界面环境，易于交流与沟通，有效实现结构与性能等多专业的协同与融合（见图2-42）。图2-42 基于模型的分析应用
4. 基于模型的机电一体化系统工程
LMS将仿真和基于试验的工程方法结合在一起，既可以在开发的早期对子系统进行验证，又可以为最终系统验证提供高效的测试手段。随着LMS Imagine.Lab平台的最新发展，LMS为走向基于模型的系统工程开发流程提供了解决方案。LMS Imagine.Lab采用基于模型的系统工程方法，面向机电一体化系统仿真，为工程师提供了一个从功能需求直到物理建模和仿真的开放开发流程：Imagine.Lab AMESim创建和运行多物理场仿真模型以分析复杂的系统特性，并支持控制系统的设计，从早期的技术参数确定到子系统测试（硬件在环）；Imagine.LabSysDM存储和管理横跨不同部门的受控对象和控制系统的模型以及数据；Imagine.Lab System Synthesis对工程设计问题进行综合，根据性能需求创建产品的架构，对不同技术方案以及配置进行综合的工况设定，驱动仿真并对结果进行后处理的综合环境。通过LMS Imagine.Lab功能驱动设计的理念，用户可以在早期开发阶段，分析智能系统的功能特性；在样机测试前，优化机械、液压、气动、热和电子/电气系统间的复杂交互作用；同时，支持工程师对关键功能的主动设计，以提高产品的整体性能和品质；避免主要设计缺陷，探索创新设计，加速产品开发。
5. 基于模型的验证管理解决方案
基于Teamcenter平台的验证管理方案，包括用于1D系统仿真管理的Teamcenter与LMS Imagine.Lab集成方案，以及面对广泛3D CAE仿真数据流程管理平台的Teamcenter for Simulation模块，还有针对试验业务流程开发的试验数据流程管理加速方案（Catalyst Solution），三者综合构建成西门子的验证管理解决方案（VerificationManagement）（见图2-43）。该方案能够实现对仿真和试验的数据与流程的有效管理，提高验证工作的协同性，有效存储了基于模型系统工程需求的相关验证数据，并提供了相互校验与工作交流权衡设计方案的平台，记录追踪仿真与试验的过程，保证各项工作的合规性。该方案是基于Teamcenter开发的、柔性化的架构，上述方案可与广泛的第三方工具、试验分析软件集成，为客户带来集成化仿真、试验业务的管理价值，有力地实现对系统的功能验证，推进基于模型的系统工程研发架构落地实施。这些方案是与Teamcenter软件的PDM功能，以及基础的需求管理、项目管理、流程管理、可视化等无缝集成的模块，其功能增强了Teamcenter平台全生命周期解决方案的完整性。图2-43 基于模型的验证管理解决方案
6. 基于模型的全生命周期质量管理解决方案
针对产品全生命周期质量管理，西门子公司提出了Tecnomatix VATM、NX CMM、Tecno-matix DPV组合的基于模型的解决方案，如图2-44所示。在产品设计阶段，VATM直接从MBD模型中提取数模和GD&T（PMI）进行尺寸建模，通过仿真产品的制造和装配过程来预测产品的尺寸质量和偏差源贡献因子，实现MBD模型中公差分配的优化，提高产品设计质量。在工艺规划阶段，NX CMM基于实体模型三维PMI标注驱动的智能化离线编程与虚拟仿真，借助基于模型的PMI信息重用，可有效准确地传递尺寸设计信息，从而确保数字化测量路径规划与虚拟仿真验证结果的可靠性与唯一性，为输出高质量零缺陷的CMM执行程序提供有力支持。在产品生产阶段，DPV通过对实时生产质量信息跟踪、分析和发布，帮助用户及时发现生产过程中的质量问题，通过对制造数据的深度关联分析，寻求问题的根本解决方案，从而提高产品的最终质量，同时提高生产效率并降低生产成本。DPV还可将产品开发过程中制造质量和设计质量挂钩，形成企业质量管理的闭环。以先进的三维容差仿真分析技术，结合高精度坐标测量机与其他检测手段以及生产过程中的尺寸测量规划与验证技术，基于包含产品制造信息的MBD模型为单一信息源和连续载体，实现基于模型的全生命周期质量管理。图2-44 基于模型的全生命周期质量管理解决方案
7. 基于模型的工装设计解决方案（见图2-45）
西门子提供基于MBD的全三维数字化研发模式，将模块化设计的理念应用到工装设计中，通过对工装的模块化分类应用，实现工装设计知识和经验的积累和重用，促进工装的创新设计；实现工装上游数据的有效管理和状态控制，实现工艺工装设计的快速并行协同作业；实现工装数据的全面管理，工装设计结果在资源库中的管理；实现工装数据查询、参考和重用；最终达到缩短周期、改进质量、减少成本的目的。图2-45 基于模型的工装设计解决方案
8. 基于模型的零件工艺解决方案（见图2-46）
基于模型的零件工艺解决方案将协同设计与制造，直接利用设计3D数据进行结构化工艺设计，关联产品、资源、工厂数据，实现了从产品设计到工艺、制造的业务集成，包括：产品设计（数据获取）、工艺设计、工装设计、工艺仿真、工艺卡片与统计报表、MES/ERP集成、知识管理及资源管理。在数字化工艺设计方面，可以及时获取准确设计MBD模型，维护工艺与设计的一致性；提高工艺编制质量与效率，减少错误与返工；相关部门获取实时、准确工艺数据，改进了工作质量和效率；丰富、直观的工艺报表，减少了无效工作时间和出错机会。在制造数据管理方面：与产品相关的设计、工艺、工装、制造、项目管理等部门在统一数据平台协同工作，在正确的时间获取正确的数据，减少差错，提高效率；在数控编程及管理方面：面向产品设计MBD模型的编程，识别零件特征与公差要求，基于典型零件和特征的模板化编程，极大地提高编程效率，改善质量，减少对员工经验的依赖。图2-46 基于模型的零件工艺解决方案
9. 基于模型的装配工艺解决方案
基于模型的装配工艺解决方案，将装配工艺与仿真建立于企业PLM平台之上，充分利用设计MBD模型、资源、工程MBD模型，由流水分工、MBOM创建、结构化工艺设计、工艺仿真与优化、可视化工艺输出、工艺统计报表部分组成，并实现各环节的数据管理，与PLM系统共用制造资源库。系统与产品设计、工装设计、维护维修、试验测试等系统实现数据共享和协同，与ERP、MES实现系统集成。
同时把装配工艺仿真放在PLM环境中统一考虑，提供在PLM环境下的装配工艺仿真能力。可以与数字化装配工艺规划结合起来，为改进产品装配制造过程提供了一个全新的方法和手段，来研究产品的可装配性分析、装配工艺的优化，装配质量的控制，装配工装的验证，以得到保证产品质量，缩短产品生产周期的目的。
10. 基于模型的质量检测解决方案（见图2-47）
西门子数字化检测解决方案，提供了从三坐标测量机（CMM）检测编程到三坐标测量检测执行的基于MBD的数字化检测一体化解决方案，涵盖了从制造工程到生产执行的环节。包含NX CMM检测编程和CMM检测执行两大模块。该解决方案通过重用MBD模型，极大地缩短了编程时间（最低可达80%）；确保按公司标准检查所有的零部件是否合乎要求；捕捉并分享最佳实践；无需物理部件或机床，就能创建离线程序；有利于在整个流程中快速高效地传达设计变更；简化了软件部署的流程（只需一套系统，就能实现CAD、CAM和CMM）；确保最低的培训要求。图2-47 基于模型的质量检测解决方案
11. 基于模型的作业指导书解决方案
基于模型的作业指导（Model-Basic Work Instruction，简称MBI）是整个MBE体系的重要一环，是连接虚拟世界（Product）和物理世界（Production）的纽带和媒介（见图2-48）。传统的媒介一般是纸质媒介，如蓝图、打印的工艺卡片等。图2-48 MBI是纽带和媒介
MBI是工艺知识的集中展现。如何将格式多样、关系复杂的产品定义、制造过程定义和积累的工艺知识等信息展现到制造现场或维护维修现场，并被现场人员精准、快速地理解和执行，是MBI研究的重要课题。MBI的解决方案水平是体现MBE和数字化制造解决方案水平的重要指标。
作业指导书根据使用介质类型可分为纸质和电子。
作业指导书根据使用实时性可分为脱机和实时联机。
作业指导书从车间执行角度可以分为单向展示和展示/反馈双重功能两种。
作业指导书从能力角度，对应于MBE的能力矩阵（见图2-49），MBI大致可分为以下4个能力层次。图2-49 MBI的能力矩阵注：1. 3D创作软件仅仅能实现3D作业指导的创作功能，而往往并不具备核心的3D工艺管理。 2. 仅仅实现3D电子作业指导文件在线浏览或下载的系统，属于Level 1；仅仅实现2D电子作业指导文件在线浏览或下载的系统，属于Level 0。
●Level 0：嵌入二维图和图片的纸质作业指导。一般国产CAPP输出的就是这种格式的工艺卡片。有些系统从三维模型截图嵌入卡片中，也是属于这个能力层次。
●Level 1：嵌入三维模型的电子作业指导文件。这种作业指导一般都不需要打印。很多三维创作软件也能实现这种能力的作业指导（注1）。
●Level 2：嵌入三维模型的在线作业指导系统。这种作业指导能直接从三维工艺系统中获取结构化的工艺信息（注2）。
●Level 3：嵌入三维模型、能反馈的在线作业指导系统。除了Level 2能力，还支持现场执行中的操作记录、过程检验数据、FAI（First Article Inspection，首件检验）等实物技术状态的反馈。这种能力的实现往往需要和MES结合。
12. 基于模型的制造执行管理（见图2-50）
西门子提供从产品研发到生产的“一站式”完整解决方案，实现从产品、工艺、工装、工厂的虚拟设计与验证，到产品的实物制造、检测、交付等全过程，实现虚拟世界与实物世界紧密整合，为现代制造业发展提供了新动力。图2-50 基于模型的制造执行管理
基于MBD的产品、工艺数据精确、实时地下发到生产现场，实现了设计意图的精确数字传递与展示，减少了以往2D、3D多次转换和理解带来精度和时间上的损耗，使工人的操作更规范、便捷，提高了生产效率和产品质量。基于MBD的产品检验更有效地简化手工操作，提高检验精度和效率，并将检验数据与产品模型、标注关联，实现质量数据的统计和分析，达到及早纠正偏差，预防质量问题的发生的目标。实现基于MBD的现场问题反馈，有效减少技术员与工人处理问题的时间，提高工作效率和质量，减少现场停工时间。基于MBD实时数据的采集，再返回PLM系统在实时BOM中进行管理，可有效应用于后期产品维护维修，以及产品改型、改进设计和制造。
13.基于模型的的实物样机测试——集成的振动噪声及疲劳耐久性解决方案（见图2-51）
LMS Test.Lab是一套完整的集成振动噪声及疲劳耐久性试验解决方案，包括疲劳耐久性试验、传递路径分析、声学试验、旋转机械试验、结构试验、环境试验、振动控制、电子报告生成及数据管理等，它可以与LMS SCADAS系列数据采集系统高度集成，在统一软硬件平台上完成所有试验室内及外场试验中的测试、数据采集、分析及电子报告生成等任务，确保了整个试验过程的数据准确性及工作的高效性。LMS Test.Lab可以为仿真模型设计早期提供高质量的数据，用于修正仿真模型，或是构建基于试验的部件或子系统的模型，这些模型可以方便地集成到其他仿真平台中，从而提高了仿真模型的精度及建模效率，实现基于模型的仿真设计与试验验证的闭环流程。图2-51 集成振动噪声试验解决方案
14. 基于模型的MBE供应链管理（见图2-52）图2-52 基于模型的MBE供应链管理
西门子基于Teamcenter平台，提供一套灵活的、成熟的供应链管理解决方案的组合，帮助OEM快速建立完整的供应链管理解决方案，而不需要复杂的集成定制，也极大限度降低供应商的投入。
基于Teamcenter平台的多站点协同的能力、协同社区的能力以及基于公文包的供应关系管理能力，通过灵活组合，可以形成嵌入式、同步协同、异步协同（自助式）、异步协同（赞助式）等四种协同集成模式实现MBD模型的顺畅流通。实现高效的MBE数据交互能力，减少管理成本；支撑广泛供应链内的闭环MBE流程；帮助MBE企业快速构建供应链（各种供应商包括OEM下属单位、战略合作伙伴、各种低成本供应商）全面集成协同与数据交互的能力，同时消除供应链管理中非增值的活动。
15. 基于模型的MBE数字化服务管理（见图2-53）图2-53 基于模型的MBE数字化服务管理
Teamcenter的数字化服务（TC MRO）解决方案可建立完整的产品服务工程，支持维护、维修和大修的功能，从而满足产品服务生命周期管理和企业实物产品管理的需求。提供了整个生命周期的完全的可视性，可以使用配置驱动的产品服务的能力来规划服务运作，优化服务执行，并更好地利用实物产品与零件、工具和设备库存，最大限度地提高服务部门的效率。针对MBE企业，提供基于产品服务所需要的基于MBD模型的IETM（交互式电子技术手册）创建、有效性管理以及多语言翻译管理的全套能力；充分直接利用MBD模型，实现多种实物的可视化展现及分析的能力；提供强大的基于MBD模型的维护维修的虚拟仿真能力；利用TC WEB客户端与TC Mobility（基于IPAD等移动设备的TC），把产品服务所需的技术数据包TDP或IETM快捷延伸到维护现场。数字化服务（TC MRO）解决方案以面向产品全生命周期的视角，通过有效闭环连接产品规划、产品设计、产品制造与产品服务的业务环境，不仅仅提高产品服务的质量、效率和服务知识，同时通过服务反馈来提升产品规划、设计、制造的质量。
16. 面向产品全生命周期的构型管理解决方案（见图2-54）图2-54 面向产品全生命周期的构型管理
Teamcenter作为全球领先的产品全生命周期管理平台，通过其强大的产品配置器、更改管理和全生命周期的信息追溯与管理的能力，为业界提供了最为完善的复杂产品构型管理方案，帮助企业高效自觉履行构型管理的5大功能和37个原则。
●提供业界最全的产品全生命周期平台，真正涵盖全生命周期业务与数据，为面向全生命周期的构型管理奠定坚实基础。
●适用于汽车和飞机产品架构管理的最佳的产品配置器，能高效支撑复杂产品的全生命周期BOM管理。
●严格符合CMII的更改与有效性管理机制，有效贯彻构型管理标准。
●以需求驱动的信息端到端的关联与追溯，同时实现信息系统对构型管理范畴从虚拟产品到实物产品的拓展，达到全生命周期的构型管理。
●通过对MBD模型的有效关联与高效重用，真正实现MBE企业内MBD模型的单一数据源，确保模型的技术状态有效管控。
17. MBD标准规范及在西门子软件系统中的实现
基于西门子软件的MBD应用系统包括MBD三维设计系统、MBD三维工艺系统、MBD标准检验系统三部分。
西门子工业软件公司的Teamcenter+NX已经被众多的企业作为实现MBD技术的信息化平台，在国内外得到了广泛的应用，很多企业制定了基于Teamcenter+NX的MBD技术应用规范。这些规范对在Teamcenter+NX进行三维几何模型的创建、三维标准的表达、数据的组织和管理等都进行了规范。针对MBD在数字化设计与工艺中的应用，运用NX OPEN、ITK等开发工具，将MBD的相关标准和规范融入NX与Teamcenter平台，通过定制国标化、规范化、流程化、自动化的工具，构建基于西门子软件的MBD应用系统，帮助客户在已有的产品制造信息PMI技术基础上，方便快捷地完成各流程的设计与定义。
2.4.4 西门子MBE解决方案的价值定位
凭借西门子在工业自动化领域的强大的软硬件全面集成的技术能力，以及完整的产品生命周期管理（PLM）解决方案的能力，西门子工业软件公司在为各制造企业提供MBE的专业技术能力同时，也提供一套完整的MBE解决方案，并将以领先一步的方式帮助制造企业打造MBE能力体系。西门子MBE解决方案与服务：
●为制造企业提供包括MBD模型定义、基于模型的工程（MBe）、基于模型的制造（MBM）和基于模型的服务（MBS）等世界领先的各种MBE专业能力，使其能够在某些具备条件的专业业务领域快速具备MBE的能力，获得MBE的收益。
●为制造企业提供构建MBE完整能力体系的整体解决方案，可以引领企业逐步平滑的走上MBE的最高等级，减少中间过程繁重的系统集成与数据转换的非增值活动，并以最小成本保障MBE的能力体系能够得以持续的升级优化。
●通过数字化技术与自动化技术的融合，使制造企业在迈向MBE企业的同时，可逐步走向真正的数字化企业（工厂），通过MBE能力与数字化工厂能力的融合，更大程度降低产品研发成本、缩短新产品上市时间。
●以西门子中央研究院进行MBE能力技术的突破，通过西门子众多行业企业的实践应用，始终保持领先一步的优势，引领制造企业迈向的MBE的最高境界。
方案篇
TEAMCENTERTeamcenter软件是全球使用最广泛的PLM系统。
Teamcenter将人员与产品和过程知识联系在一起，以支持全球化的、面向生命周期的高效工作，推动创新并提高效率。Teamcenter经过验证的数字化生命周期管理解决方案是在一个开放式的PLM架构的基础之上构建的。系统工程和需求管理——提高客户交付成功产品的能力——通过确保根据严品需求进行开发，使其符合战略意图、市场、客户需求以及法规要求。
组合、计划和项目管理——通过持续地控制选择正确的投资组合，使投资回报最大化，组织资源并驱动活动，以便极大地提高业绩。工程过程管理——提供了一个单一的、组织化的、安全的产品工程和过程知识来源。允许不同的开发组作为一个单一实体一起进行工作，而不管所处位置，从而明显地缩短开发时间，提高质量和生产力。
物料清单管理——允许公司横跨整个产品生命周期，高效地管理包括设计和工程在内的本质产品定义。
符合性管理——提供了一个横跨整个产品生命周期的法规符合性框架，以增强标准，简化管理并降低违规的风险。
内警和文档管理——使用Teamcenter集成的内容和文档管理解决方案，可以在管理产品开发所用的相同的PLM环境中管理文档开发/支持。配方、安装和品牌管理——Teamcenter的配方、包装和品牌管理解决万案可将配方产品、包装、设计和品牌信息作为统一的PLM平台的一部分加以管理。
供应商关系管理——提供了一个可配置的解决方案组合，利用这些解决方案组合，公司能够通过一个协同的环境来更加高效地参与供应链，支持更好的成本管理以及更高效的产品开发和制造。机电一体化过程管理——提供了一个丰富的环境，在一个产品和过程知识的单一来源中，跨越了每个领域，关联地进行机、电子、电气和嵌入式软件技术开发。
制造过程管理——提供了一个单一的、可扩展的、安全的制造数据来源。全面管理产品、过程、资源和工厂，并将这些连接在-起以支持从程到生产的生命周期过程。
仿真过程管理——提供了一个单一的、组织化的、安全的仿真数据和过程源。这些都能够嵌入产品生命周期之中，以便更好地评估产品性能和质量，同时提高开发效率。
维护、维修和大修——提供了配置驱动的服务数据管理和MRO功能配置驱动，MRO打破了物流、维护与工程社区之间的隔阂，以帮助驱动更具利润的增长。
报告和分析——提供了一套高效的功能，用于提取、聚集、分析并传播业务信息，以便帮助企业做出更好的业务决定。社区协同——提供了一个协同的框架，产且信息能够在产且生命周期的所有关键参与者之间沟通，消除功能组之间的障碍，把不同来源的PLM数据集成到一个易用的界面之中。
生命周期可视化——击是供了经过证明的可视化和虚拟样机功能，允许每个人利用二维文档、图纸以及三维模型来对数据选行可视化处理，分析和沟通数据，使整个企业都能够利用锁定的数据中的知识严权。
企业知识基础和平台可扩展性服务——Teamcenter提供的企业知识基础使企业可以将来自多种创作应用程序的产品、过程、制造和服务信息整合到单一的安全知识源中。通过Teamcenter的平台可扩展性服务，可以快速且经济高效地实现Teamcenter投资的价值。
第3章 基于模型的系统工程解决方案
3.1 业务挑战
复杂程度日益增加是产品发展的基本趋势之一。纵观航空、航天、国防、船舶、机车、汽车等各行业，其产品/系统已呈现出功能高度复杂、耦合关联、可重构、跨地域异地设计等诸多特点。与一般产品相比，复杂产品所带来的挑战是：不同领域的子系统间将产生不可预测的功能耦合、交叠甚至冲突，原本功能良好的子系统可能产生不可预测的行为。因此，针对复杂产品，在其概念设计阶段进行系统设计已成为不可缺少的重要一环。
以飞机的研制为例，飞机的开发经历了从物理样机驱动的开发流程到CAD驱动的开发流程的转变。然而，现在飞机设计又面临新的问题：一是因为飞机系统本身越来越复杂，特别是随着多电飞机的发展，越来越多采用智能控制系统。这就使得在传统飞机的开发流程中如何有效地考虑机电一体化系统开发，特别是在开发阶段如何综合地考虑控制系统和受控对象的耦合成为开发的关键之一。二是飞机开发的全球化使得要对来自不同地区不同研发部门或供应商的系统进行集成，特别是在设计早期如何通过系统集成确保飞机设计的成熟性成为全球飞机开发面临的棘手问题。以上第一个问题要求在飞机的开发过程中协调和同步物理系统与电控系统的开发以确保产品的质量；后一个问题就要求在横跨不同地区的部门之间无缝地共享产品方案、设计和分析以确保协同工作。这两方面问题的系统解决方案就是基于模型的系统工程（Model-Based Systems Engineering，简称MBSE），即通过应用模型来支持系统的需求定义、设计、分析、校核和验证，从概念设计阶段开始一直贯穿整个开发流程。
系统工程是基于模型的企业（MBE）的重要指导思想，基于模型的系统工程为基于模型的工程、基于模型的制造、基于模型的维护等MBE企业的关键活动提供了统一的协调接口，因而成为MBE企业研究和应用实践中的重要组成部分。
3.2 解决方案
基于文件的系统工程自20世纪40年代提出以来，对复杂产品的系统设计做出了重要贡献，有力地支持了复杂产品的系统设计。然而，随着产品系统复杂性的不断增加，尤其是异地分布式设计的出现，基于文件的系统工程已越来越无法满足要求，基于模型的系统工程（MBSE），或称系统驱动的产品开发（Systems-Driven Product Development，简称SDPD），正成为复杂产品系统设计的基础。
在国际系统工程学会（INCOSE）发布的系统工程2020年远景规划中，MBSE成为系统工程未来发展的重要方向，图3-1是2007年INCOSE年会发布的MBSE的发展路线图。需要指出的是，西门子工业软件是INCOSE组织的重要成员，特别是在MBSE动议和发展中一直发挥着重要作用。图3-1 INCOSE发布的MBSE发展路线图
MBSE通过应用模型来支持系统的需求定义、设计、分析、校核和验证。MBSE中的模型与MBD/MBM中的三维数字化模型属于不同的范畴，但在一定程度上可以实现模型间的信息传递。SysML是INCOSE和OMG（对象管理组织）在UML 2.0的基础上进行重用和面向系统工程的扩展而定义的新的系统建模语言标准，如图3-2所示，SysML对对象的定义主要通过其结构模型、行为模型、需求模型和参数模型来完成。其中，结构模型侧重于对系统的层次以及系统间不同对象的相互关联关系进行建模；行为模型主要针对基于功能的和基于状态的行为进行建模；需求模型强调用户需求的层次关系、需求间的追溯关系及设计对需求的满足情况等；参数模型主要强调系统或系统内部部件间的约束关系。MBD/MBM中模型的关键在于将产品的设计信息和制造信息共同定义到其三维数字化模型中，以完整地表达产品定义信息，将三维模型打造成产品研制活动中上下游间信息流转的载体。图3-2 基于SysML的对象模型定义
为了更好地为客户提供基于系统工程的“V”模型闭环的系统驱动的产品开发支持，很多软件供应商都通过开发和收购的方式不断满足客户在MBSE方面的需求，如西门子收购了业界优秀软件LMS以完善自己对MBSE的支持：通过Teamcenter的系统工程模块实现对复杂系统的RFLP（Requirement、Function、Logical、Physical）支持。通过LMS产品提供多级复杂程度的建模理念，在概念设计阶段和详细设计阶段，分别对应有一维模型和三维模型，实现多级复杂程度的建模；其次，LMS在仿真和试验领域提供独特的解决方案，并将仿真和试验结合起来，在前期可以进行仿真，在后期可以进行试验，从而实现指标、建模、验证组成的闭环系统。
支持MBSE的相关软件，需要为复杂产品的研制提供一个独特的模型驱动的系统工程工作环境，它将需求管理、体系架构、系统建模、系统仿真、系统虚拟验证、实物验证与其他产品和流程知识关联起来，将系统工程与产品全生命周期的管理融为一体，为跨领域、跨部门的复杂产品研制提供统一的信息化管理中枢。
基于模型的系统工程根据系统需求定义的功能来设计整体系统架构，根据该架构的定义，在设计的早期可以把物理系统的模型和控制系统的模型耦合起来建立机电一体化系统的模型，在系统模型的基础上对整体方案进行分析和优化并完成各个子系统的性能指标设定。随后在子系统开发阶段中，通过建立子系统进一步细化的模型，一方面可以审核子系统的性能是否满足系统设计阶段定义的性能指标；另一方面该子系统模型可以替代系统模型中的功能模型，从而可以在整个系统环境中对子系统进行优化。由于不同的部门都是在统一的架构下进行子系统的开发，因此来自于不同部门的子系统模型非常容易进行集成，完成系统的虚拟验证。在设计后期，随着不同部件或者子系统物理样机的出现，又可以将这些物理样机和虚拟的模型结合起来进行仿真，加速物理试验的进程。
1. 基于PLM平台的集成化的系统工程环境
集成化的系统工程环境为系统工程和需求管理提供了完全整合的方法，如图3-3所示。在统一的平台上实现需求的解析和确立、功能架构、逻辑设计、物理设计、系统验证，实现系统驱动的产品开发，使企业可以从整体上把握价值链的上下游系统，帮助避免因需求与物理实现不符所导致的成本昂贵的后期系统集成问题。图3-3 集成化的系统工程环境
基于IT支撑的集成化系统工程平台将产品的系统工程和全生命周期管理有机结合在一起，如图3-4所示。通过在设计流程早期全面理解产品或系统，使生命周期中所涉及的各个部门都能对整个系统有一个全面的了解，企业就可以利用所掌握的知识来更好地权衡影响具体设计、制造、销售、采购和服务决策的各种因素；同时将系统工程与执行联系起来，使参与生命周期流程中的每个人都能够在需要做出决定时从系统层面出发，做出符合初始战略意图的选择。图3-4 系统工程与全生命周期管理的有机结合
2. 需求驱动的产品定义
结构化、集成化的需求管理为企业提供了统一、安全收集和管理客户之声的平台，这里的客户之声包括客户、合同、法规和企业自身标准等各方面的要求。通常的需求管理支持还要提供Live Integration功能。用户可以使用熟悉的Microsoft Office工具创建、编辑和维护需求，这些需求在需求管理环境中以结构化的方式体现。
集成的、结构化的需求管理环境可在整个生命周期内传达需求，将需求与功能、逻辑和物理实现相关联，将需求与项目管理、配置管理、变更管理相关联，需求管理将随着PLM应用的扩展而扩展，借助生命周期管理对需求进行全生命周期的跟踪。
基于需求的产品设计与验证集成环境还可以验证指标和行为的可行性。结构化的需求传递至CAD中成为MBD产品设计的需求源，基于HD3D的可视化业务智能环境，实现需求驱动的产品的设计和基于需求的设计验证。
3. 基于模型的系统工程
基于模型系统工程的另一个关键领域是闭环的指标、建模、验证的支撑环境，它为产品开发提供了模型驱动的系统工程环境（见图3-5）。首先，它将系统建模、体系架构、系统仿真和需求管理与公司其余的产品和流程知识关联起来，支持企业对复杂产品的需求、子系统、约束条件和不同专业相结合（将机械设计、电子设计和软件设计综合起来）之后的交互关系进行建模和分析。其次，在产品开发的每一个阶段，无论是前期的架构设计，还是子系统设计，还是部件设计，都可以引入一个验证的环节，实现闭环的产品研发流程。这样形成的产品模型是一个多级复杂程度的模型，可用来实现不同设计阶段、不同专业的验证。图3-5 模型驱动的系统工程环境
MBSE的闭环环境还需要支持基于SysML/UML的标准数据模型。通过Live Integration功能，实现与Visio图表工具的集成，支持对基于SysML/UML的标准建模工具的集成，实现嵌入式的模型数据管理。以PLM与Visio图表工具的集成为例，通过建立Visio模板库中图形构件与PLM中模型元素的映射关系，开发团队可以在Visio中从面向系统的角度（即从由电气、电子、软件和机械组件构成的跨域解决方案方面考虑）快速地图形化描述复杂的产品，建立构件间的接口及联接，系统中会相应地自动生成产品的体系架构。
基于PLM，结构化方式管理的需求被分配到同样结构化的功能架构中，实现特定需求与特定功能分解的关联，在此基础上对系统整体进行评估和决策。功能架构通过逻辑架构的定义进行实现，通常需要在功能分解的各个层面定义对应的逻辑模型，同时定义各个子系统间的关联关系。以电气系统为例，逻辑设计以图形化的方式定义各个设备的输入、输出，以及与其他设备间的接口关系。基于PLM可以在统一的平台上实现需求模型与功能模型、功能模型与逻辑模型的关联管理，建立产品的集成化架构，实现所谓的“模型网络”，支持产品的系统化决策。
通过此环境可以创建和运行多物理场（机、电、液、热、控等）仿真模型，以分析复杂的系统特性，并支持控制系统的设计，从早期的技术参数确定到子系统测试。也可以对工程设计问题进行综合，根据性能需求创建产品的架构，对不同技术方案以及配置进行综合的工况设定，驱动仿真并对结果进行后处理。
4. 系统仿真和分析
虚拟的系统仿真和分析使产品团队可利用模型进行系统的优化设计，评估范围更广的设计方案，减少对物理原型的依赖，减少后期返工的时间和成本损失。通过将PLM与建模和仿真环境相结合，能够实现主系统和分系统多学科协同仿真，可以帮助用户解决从产品概念设计、方案设计到详细的需求设计，如机构设计与动力学分析、控制/传动/电动机驱动等机电系统设计、机电一体化分析、结构有限元分析、振动噪声分析、疲劳耐久性分析、结构优化、模态分析、模型修正、多学科优化等问题，使企业在虚拟世界中及早地进行产品验证，帮助企业监视系统的性能，评估权衡选项。如图3-6所示。
通过PLM可以集成多种仿真工具，如集成MathWorks公司的Matlab/Simulink（主流的多领域仿真和基于模型的设计工具），Maplesoft公司的MapleSim（主流的多领域建模和仿真工具），西门子工业软件的NX等。集成的重点在于通过PLM管理仿真工具的模型，当模型变更时，或者模型在多个产品或配置中被引用时，用户可以快速而准确地找到模型的正确版本进行设计验证。图3-6 系统仿真和分析
在PLM中企业可以定义量化的系统性能指标，如重量、成本、功率、时间等。同时基于PLM与微软Office的Excel的Live Integration，用户可以在其熟悉的Excel电子表格中进行数据的编辑、操纵和卷积计算，为整个团队提供统一的性能指标视图，实现性能指标与系统架构的关联。企业可以及时地评估需求的变更对系统指标的影响，对权衡选项进行评估分析，保持系统与性能目标的匹配。
5. 虚拟试验
虚拟振动试验涉及有限元建模、系统级NVH、多体动力学、控制与电磁系统仿真、刚柔耦合分析、机电一体化分析、试验相关性分析与模型修正、多学科优化等，并且需要将这些学科结合起来，是一个典型的多学科综合仿真问题，因此虚拟振动试验的软件实施环境应该是能够涵盖这些学科的系统级平台。多学科系统级平台的优点是一方面能够在一个平台中解决所有问题，并且能够进行多学科综合仿真；另一方面能够避免多学科综合过程中复杂的数据传递和转换，最大限度地避免数据和精度损失。
虚拟振动试验系统的构建有两种方式，一种是基于线性有限元方法的开环虚拟振动试验系统建模，主要是进行系统级振动分析；另一种是基于多体动力学和机电联合仿真的闭环虚拟振动试验系统建模，主要是进行机电耦合分析和刚柔耦合分析。两种方法可以结合起来，互为补充，应用在不同的场合下。
基于线性有限元方法的开环虚拟振动试验系统框架如图3-7所示，振动台和试件的模型都是有限元模型，其本质是复杂有限元装配模型的强迫振动响应分析，从图中可以看出各模块在线性有限元方法中所起的作用。
机电联合分析方法的系统框架如图3-8所示，此方法涉及运动、结构、相关性和控制、电磁等软件模块支持。
为了实现真实完整的闭环控制，振动台机械部分采用多体动力学方法建立模型。如使用西门子公司的AMESim模块可以使振动控制器和电磁助动部分均基于AMESim控制、电磁库以及液压库建立，通过AMESim与虚拟仿真的无缝集成接口，将振动控制和电磁部分与振动台实现闭环（见图3-9）。图3-7 基于线性有限元方法的开环虚拟振动试验系统图3-8 机电联合仿真的虚拟振动试验系统图3-9 闭环控制的虚拟振动试验系统示意图
3.3 价值定位
基于模型的系统工程为基于模型的工程、基于模型的制造、基于模型的维护等MBE企业的关键活动提供了统一的协调接口，是MBE企业研究和应用实践中的重要组成部分。集成、结构化和闭环的一体化环境可为复杂产品的研制提供一个独特的模型驱动的系统工程工作环境。在早期的概念设计阶段，可以通过模型对需求本身进行建模，对需求进行细化，把需求分解到各个部件的性能指标上去；在详细设计阶段，通过相应的测试解决方案，测试物理样机是不是满足需求。在产品开发的“V”形体系中，对每一个阶段均提供相应的验证：需求的验证、架构的验证、产品性能的验证、物理样机的验证等。基于模型可以尽早通过模拟分析发现大量不合理的设计方案；同时模型还为各方提供了一个公共通用的、无二义性的设计信息交流工具，这一点对复杂产品异地分布的系统设计尤其具有重要意义。
第4章 基于模型的三维产品设计解决方案
4.1 MBD模型定义的挑战
MBD技术的核心思想是：全三维基于特征的表述方法，基于三维主模型的过程驱动，融入知识工程和产品标准规范等。它用一个集成的三维实体模型来完整地表达产品定义信息，将制造信息和设计信息（三维尺寸标注及各种制造信息和产品结构信息）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纸，保证设计和制造流程中数据的唯一性。
MBD技术不是简单地在三维模型上进行三维标注，它不仅会描述设计几何信息，而且会定义三维产品制造信息和非几何的管理信息（产品结构、PMI、BOM等）。它通过一系列规范的方法帮助客户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，其设计、制造特征能够方便地被计算机和工程人员解读，而不是像传统的定义方法只能被工程人员解读，这就有效地解决了设计/制造一体化的问题。
MBD模型的建立不仅仅是设计部门的任务，工艺、检验都要参与设计的过程，最后形成的MBD模型才能用于指导工艺制造与检验。MBD技术融入知识工程、过程模拟和产品标准规范等，将抽象、分散的知识集中在易于管理的三维模型中，设计、制造过程能有效地进行知识积累和技术创新，将成为企业知识固化和优化的最佳载体。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]