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1、 基于MBD的智能化车间生产应用体系规划 作者：西安航天动力技术研究所 姚弘*姚彦君*张佳兴*金少英*尹力恒丨引言 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
2、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
3、质量和效率。本文着重讨论产品设计/制造阶段。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
4、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
5、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
6、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
7、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/
8、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。数字孪生（Digital Twin）技术 数字孪生是指充分利用物理模型、传感器采集的实时数据、运行的历史数据等信息，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，它实现了物理世界向数字世界中数字化模型的反馈，真正能够保证数字世界与物理世界在全生命周期范围内的协调一致，从而确保基于数字化模型进行的各类仿真、分析、数据积累、挖掘、人工智能等应用在物理世界中的适用性。 数字孪生技术可应用于产品设计、工艺设计、
9、设备管理等领域，以提高产品的研发水平和效率。 在产品设计阶段，可以利用数字孪生模型建立无数个数字模型，并在模型中仿真制造过程、研究影响产品的环境因素/产品结构因素等，从而预测和优化设计质量，而无需高成本的实物模型来验证/调整设计方案。如零部件之间的干扰，设计是否符合规格等。 在工艺设计阶段，利用数字孪生模型对制造方式、所需资源及制造地点等方面进行模拟规划，实现工艺设计人员和制造人员的协同。一旦发生设计变更，可以在数字孪生模型中方便地更新制造过程。如更新面向制造的物料清单、制造工序、时间估值等。 在计划调度阶段，调度人员可采用数字孪生模型进行生产过程验证，以提高计划调度的有效性。如产品与设备/制
10、造环境的干涉问题等。 在工艺质量分析阶段，MES系统可以利用数字孪生模型，将MES/Control层产生的实际生产信息与PLM中相应的产品设计/工艺设计等信息做对比分析，检查二者间是否存在差异；如存在差异，找出造成差异的原因和处理方法。存在差异的信息被记录在PLM的异常报警数据库中。 在知识管理方面，利用数字孪生、大数据技术，可持续累积产品设计/制造/运维的相关知识，帮助设计人员实现知识重用和持续性迭代优化，达到产品不断创新、流程不断优化的目的。 值得提醒的是，不同的工业软件厂商在打造数字孪生解决方案时的理念不仅相同，所以，企业要根据自身需要来选择相应的解决方案。数据挖掘技术 MBD/MBE可
11、以实现产品设计/制造/运维全过程三维数字化，可以实现研制过程中显性问题的快速处理，可以将研制过程中的经验和知识累积起来，避免这些显性问题的重复再显，使企业知识得到有效管理。但怎样利用这些知识找出研制过程中的隐性问题得借助于数据挖掘技术。 通过对产品研制过程历史数据的挖掘，找出数据之间的相关性，发现新知识，并利用知识对制造系统人/机/料/法/环/测的结构和关联性进行精确建模，产生能够指导制造系统活动的数字孪生模型，使设计人员能够在虚拟的生产环境中实现无限的重复性设计过程，从而避免出现设计质量问题的发生。 通过对生产过程历史大数据的挖掘，找出问题产生的隐性线索、关联性和根本原因等因素，建立预测模型
12、，实现对工艺参数的趋势管理，在没有发生问题时就能提前预警和纠偏，尽量避免不合格产品的出现；实现对设备关重件的寿命预测，确保生产过程无故障的同时，还可以对备品备件库存进行智能调整，尽量达到零库存的目标。MES层规划研究 MES系统是车间计划调度、生产班组、物料管理、设备管理、工序检验、工艺质量、综合统计等生产管理的统一平台。可以实现生产指令的下达、生产过程信息采集、生产过程状况的汇总和上报，这些信息可通过工业互联网与车间各部门、车间Control层、ERP、PLM进行传递。 MES层介于ERP层和Control层之间，是生产过程大数据形成的枢纽。生产过程大数据包括工艺设计数据、原材料、工装/模具
13、、生产环境、设备状态、实际生产工艺数据、工序检验数据等信息。 MES与PLM实时通信，可以将生产过程数据同PLM中的产品设计/工艺设计等信息作对比分析，并将分析结果传递给PLM。 因此，在规划MES层数据采集系统时，要考虑产品设计/工艺设计/数字孪生模型的建立及应用等需求。MES系统可以包括制造资源、设备管理、生产调度、生产班组、生产监控、工艺质量管控、综合查询、统计报表等模块。 (1) 制造资源管理：建立人员/绩效、设备、仪器仪表、原材料、工装模具、半成品/产品等台账。本模块中，库存管理具有出入库和盘点操作功能；库存量不足时，MES系统能够自动预警；工装模具/仪器仪表需要周检时，MES系统能
14、够自动预警。本模块中仪器仪表的周检信息可来源于Control层。 通过对本模块历史大数据和当前任务计划、在制状况、设备状态及使用记录、原材料、工装模具等信息的挖掘分析，可实现库存的智能化预警，达到及时调整库存量的目的。 (2) 设备管理：可从PLM中调阅设备图纸、维修规程、技术精度等资料，并具有设备保养、日常点检、备品备件、设备/仪表运行状态、运行环境（包括环境温湿度/仪器仪表周检信息/电网参数）以及关重件的供应商/加工工艺/采购时间/使用时间/故障履历等信息的管理功能。本模块中的设备/仪表运行状态、运行环境等信息来源于Control层。 通过对本模块历史大数据的挖掘，可建立设备关重件故障预警
15、模型，采用性能衰退分析和预测分析法，预测故障发展趋势及后果，进而提出相应的处理措施，使设备达到近乎零故障的目标。如避免在生产过程中，因出现旋转轴变形或断裂、刀具报废等故障而导致产品报废的现象。 (3) 计划调度：根据PLM中实时更新的工艺设计、ERP的周计划以及车间设备、原材料库存、工装模具、在制任务等状况进行生产调度，经仿真验证合格后传递到生产现场的数字化应用终端，实现对设备使用、派工状态、完工信息等管理。 (4) 生产班组作业：作业前，先进行设备日常点检，并在现场终端上录入点检结果；作业前，从PLM中读取实时更新的三维产品工程数据/三维工装资源数据/操作过程工艺图解/操作动画等资料，并在现场终端上进行多媒体培训；在现场终端上确认生产任务单及生产任务完工状况。现场终端可自动汇总或补录生产数据。 (5) 生产监控管理：实现对车间生产信息和报警信息的实时看板显示功能
