基于MBD的工程更改信息表达方法

西北工业大学机电学院 史小强 赵东平 寇 萌 张树生

为了快速开发新产品，满足客户个性化要求，企业在产品的开发过程中需要不断进行设计修改、质量改进、安全隐患处理以及版本升级等一系列更改活动来确保和提升产品品质。工程更改（Engineering Change，EC）是企业在产品开发过程中，根据企业内部或者外部的需要，由相关人员按一定流程对于预发布或者已发布的产品数据进行的更改[1-2]。随着市场对小批量、多品种产品的需求日益增加，企业的更改活动日益频繁，使得工程更改管理成为企业管理学和信息化研究的热点问题，越来越受到企业的重视[3]。

传统的工程更改信息表达是基于纸质文档的信息表达方法。随着计算机技术的发展，工程更改电子表单和二维工程图已经成为工程更改信息的主要表达方法[4]。然而，随着MBD技术的不断推行，越来越多的制造企业在产品的设计和制造阶段实施了MBD技术。在目前基于二维工程图的工程更改管理中，企业需要不断地在二维环境和三维环境之间进行数据转换，不但消耗了大量的企业资源，拖延了产品的上市时间，而且容易产生数据转换和传递的错误，降低了企业的竞争力。目前基于二维工程更改单的工程更改信息表达方法已经不能满足制造企业的需求，企业迫切需要基于MBD的工程更改管理信息表达方法来支持MBD技术在产品生命周期的全面实施。

基于MBD的工程更改管理信息表达的必要性

1 基于二维工程图的工程更改信息表达

在产品的开发过程发生工程更改时，企业基于二维工程图来表达工程更改管理信息，即在工程更改管理流程中逐步审签，然后由设计人员、工艺人员等完成二维工程图的修改、更新和版本升级。更改管理文档通常以文字说明、草图等形式表明更改原因、更改内容以及更改要求等内容，是工程更改管理信息表达的载体。某航空制造企业典型的二维工程更改单如图1所示，该工程更改单需要结合图号为H31872000的二维工程图来表达更改信息。

二维工程更改单在工程更改的不同阶段具有不同的作用。在提出更改请求阶段，更改申请人明确提出更改问题，并形成更改申请单文档；更改方案设计人员通过审查和研究二维工程图，提出解决问题的多种方案。在工程更改评估阶段，需要分析各种更改方案实施的风险和传播路径，预测受更改影响的范围，形成工程更改评估意见，确定一种最为合理的更改方案，并以二维工程更改单的形式提交给更改审批人员。在工程更改审批阶段，需要对提出的工程更改方案进行决策，形成工程更改指令文档。在工程更改实施阶段，设计或者工艺人员根据工程更改指令完成二维工程图更新。在工程更改审查阶段，更改审查人员对更改实施效果进行审查，将二维工程图等更改文件归档入库，并发放工程更改通知。

2 基于MBD的工程更改信息表达的必要性

图1 典型二维工程更改单

随着制造企业在产品设计和工艺设计阶段MBD技术的深入实施，对工程更改管理涉及的其他部门或协同企业提出了新的要求，需要基于MBD的工程更改管理信息表达来支持各个部门或团队交互产品的更改信息，实现工程更改的协同管理。传统基于二维工程图的工程更改信息表达存在如下问题：

（1）数据的可访问性差。

在企业的工程更改管理流程中，由于软件费用问题或人员技术水平等原因，除了产品设计和工艺等能够直接访问MBD数据集外，产品加工、更改评估和供应商等与更改管理相关的部门和组织则无法访问MBD数据集，从而导致更改管理信息无法以MBD数据集的形式在整个更改流程中传递，造成了更改流程的中断。此外，由于CATIA、NX以及PRO/E等三维软件的三维标注功能模块的不兼容性，造成了协同企业间产品MBD数据集的交互困难。虽然主流的三维CAD软件均已支持STEP标准以实现产品的三维数据在不同系统之间的传递，但是仍然无法满足MBD技术的要求。例如在CATIA的尺寸标注（Functional Tolerancing and Annotation，FT&A）模块下创建的产品设计MBD模型，若用NX打开时会丢失尺寸公差和产品属性等非几何信息。

（2）数据管理需求。

在以二维工程更改单为更改信息表达载体的工程更改管理中，更改数据所包含的产品版次、零部件表以及人员信息等数据通过工程更改单来组织管理，而二维工程图则通过PLM系统进行管理，数据管理紊乱，不利于查询和问题追溯。

另外，传统基于二维工程图的工程更改信息表达中存在数据的存储、数据安全性等问题[5-6]。因此，制造企业迫切需要一种支持非CAD文件格式的工具来实现MBD数据集，达到产品数据的访问、交互和MBD模型的可视化，以满足产品MBD数据在不同人员、不同部门以及不同企业间的可访问性，且实现对所有工程更改管理数据的有效管理，推动MBD技术在工程更改管理流程各个阶段的全面实施。

基于MBD的工程更改信息表达方法

基于MBD的工程更改信息表达方法总体实现框架如图2所示，主要包括3个阶段，即工程更改内容分析、工程更改MBD数据集定义和基于MBD工程更改信息表达分发文件的设计与实现。

首先，对工程更改的内容进行分析，将更改内容分为关键元素、次要元素和管理元素进行描述，并总结各元素表达的特点。在此基础上，建立工程更改的MBD数据集。工程更改MBD数据集由更改阶段确定，即设计阶段选择设计MBD模型作为工程更改MBD数据集，工艺阶段选择工艺MBD模型作为工程更改MBD数据集。最后，从更改视图的创建和非视图信息的更改表达方面研究了基于MBD的工程更改信息分发文件的设计和实现技术。

1 工程更改的数据内容

MBD环境下的工程更改管理数据内容元素可分为3类，即产品定义关键元素、产品定义次要元素和产品定义管理元素。产品定义关键元素主要包含产品几何模型、尺寸、公差、一般注释和符号等元素。产品定义信息次要元素是产品的补充信息，如制造注释和装配过程，一般应用于整个零件而不依附于具体的几何特征。产品定义管理信息用于支持产品的确认、发布、更改管理和存储等过程，如工程更改指令、标题栏、版本历史栏等。MBD环境下的工程更改数据内容如图3所示。

2 工程更改MBD数据集定义

MBD环境下的产品数据必须以MBD数据集的形式进行表达，因此设计人员必须创建包含产品几何信息和非几何信息的产品设计MBD数据集。工艺设计人员以产品设计MBD数据集为基础，创建产品的机加工艺和装配工艺MBD数据集。本文定义的工程更改MBD数据集由产品MBD模型和更改管理信息表达分发文件两部分组成，表达了工程更改管理所需的所有信息。其中，产品MBD模型替代了二维工程更改单中的工程图，更改管理信息表达分发文件则替代了工程更改管理文档。由于工程更改可能涉及到产品的设计信息或者工艺信息的更改，所以更改的MBD模型可能是设计MBD模型，也可能是工艺MBD模型。

（1）工程更改信息表达分发文件的设计。

图2 基于MBD的工程更改信息表达总体框架

图3 MBD环境下的工程更改数据内容

在工程更改管理MBD数据集中，工程更改管理信息表达分发文件用于向工程更改各个部门和组织传递更改信息，并能够表现产品数据的MBD定义，是一种非CAD格式的文件。所以，MBD模型转换成非CAD格式文件以后，需要一种浏览器来浏览转换后的MBD模型。此外，产品识别、版本控制元素（如标题、尺寸公差、应用和修订历史栏等）、零件表、一般注释和分区元素等无法在MBD模型上直接进行修改的信息，只能在工程更改管理信息表达分发文件中表现。

基于MBD的工程更改信息表达分发文件不但能够描述更改的原因、目的和内容，而且能够使用在非CAD环境下浏览标记的三维模型来代替原有的文字叙述模式或者绘制草图模式，生成标记文档。确定了工程更改管理信息表达分发文件的功能后，需要为工程更改管理信息表达分发文件选择合适的三维文件格式类型，支持工程更改管理信息表达分发文件的生成。工程更改管理信息表达分发文件必须采用一种遵循国际标准的文件格式来支持其他用户访问产品数据，图4是当前具有国际标准的常用三维文件格式的简要清单及其优缺点。

常用三维模型文件格式可以分为CAD格式、中性格式和轻量化格式3类。为使工程更改管理参与人员能访问和交互，基于MBD的工程更改信息表达分发文件必须以非CAD的格式来维护。中性文件能够体现几何模型的鲁棒性，但它在工程更改过程中形成的文件容量依然过大。同时，中性文件缺少用于数据加密的安全机制，仅能通过外部应用来实现数据加密，不适合企业业务流程管理。轻量化格式是缺失完整CAD模型丰富性的产品三维模型格式，其主要特征是通过压缩技术和数据加密技术来减少文件大小，提高文件安全性。同时，轻量化模型可以在非CAD环境下读取和浏览三维标注，在模型上进行标记，支持标记文档的生成。由于轻量化格式良好的特性，本文选择一种轻量化格式作为工程更改管理信息表达分发文件中更改信息的载体。

目前，主要的轻量化格式包括3DXML、HSF、JT、PLM XML、PRC、U3D、X3D和XGL/ZGL。通过分析发现，仅有JT、PRC、3DXML和U3D格式能够读取和浏览从MBD模型转换的三维标注。由于PRC格式在开放性方面有着巨大的优势、拥有标准化程度相对较高的可免费获取的技术参数、精确的实体几何表达（B-Rep）能力、支持模型三维标注的读取和浏览、支持在非CAD环境下对模型的标记、较强的安全机制和数据压缩能力，所以，在基于MBD的工程更改管理中，选择PRC格式作为工程更改管理信息表达分发文件的模型格式文件。

图4 常用三维模型文件格式

（2）工程更改信息表达分发文件的实现。

工程更改管理信息表达分发文件需要借助非CAD格式的可视化工具来实现，由于PRC格式可以存储和嵌入在3D PDF文件中，且能在3D PDF中进行标记，同时3D PDF格式被认为是一种开放性的格式，适用于浏览、创建和归档产品数据，所以选择3D PDF作为生成工程更改管理信息表达分发文件的可视化应用工具。工程更改管理信息表达分发文件的生成过程及零件的工程更改管理信息表达分发文件如图5所示。工程更改管理信息表达分发文件的显示区域被分成两个窗口，即图形窗口和表格窗口。图形窗口用于显示模型几何和关联的三维标注，表格窗口则集成了识别信息、版本控制元素、零件表、一般注释和分区元素等内容。

工程更改管理信息表达分发文件在审批阶段进行标记，然后发布给所有工程更改管理参与者进行审查。这些标记注释将会包含在工程更改管理信息表达分发文件中，形成工程更改管理标记文档。图6为在图形窗口和表格窗口添加工程更改管理标记文档，其中图形窗口中的标记标明需要更改指定的设计尺寸和公差。

应用实例

基于所提方法，采用Microsoft Visual Studio 2008作为开发环境，基于Acrobat Pro Extended开发了基于MBD的工程更改信息表达与发布系统。该系统主要包括三维视图更改信息和非视图更改信息设计两个模块。如图7所示为某型号导弹发动机曲轴装配体的工程更改信息表达分发文件。三维环境下装配更改视图的创建利用CAD系统的草图工具，并自动生成零部件表，创建爆炸视图和动画。

图5 工程更改管理信息表达分发文件实例

图6 工程更改管理标记文档

图7 某型号导弹发动机装配体的工程更改管理信息表达分发文件

结束语

针对MBD环境下工程更改信息的表达与发布问题，提出了基于MBD的工程更改信息表达方法。该方法以设计MBD或工艺MBD模型为数据集，从视图更改信息和非视图更改信息两方面设计了工程更改信息表达分发文件。基于Acrobat Pro Extended开发了基于MBD的工程更改信息表达与发布系统，并以某型号导弹发动机部件装配体的工程更改管理信息表达分发文件的生成与发布为例研究了更改视图和更改表格的创建。

[1] 郑晓晨. 制造企业工程变更影响评价研究[D]. 济南：山东大学，2012.

[2] Quintana V, Rivest L，Pellerin R. Measuring and improving the process of engineering change orders in a model-based definition context. Int. J. Product Lifecycle Management, 2012, 6(2):138-160.

[3] Loch C H, Terwiesch C. Accelerating the process of engineering change orders: capacity and congestion effects. J Prod Innov Manag, 1999,16:145-159.

[4] Quintana V，Rivest L，Pellerin R，et al. Will model-based definition replace engineering drawings throughout the product lifecycle? A global perspective from aerospace industry. Computers in Industry, 2010, 61:497-508.

[5] Quintana V，Rivest L，Pellerin R，et al. Re-engineering the engineering change management process for a drawing-less environment. Computers in Industry, 2012, 63:79-90.

[6] Alemanni M，Destefanis F，Vezzetti E. Model-based definition design in the product lifecycle management scenario. Int J Adv Manuf Technol, 2011, 52:1-14.