【MBSE】基于MBSE的正向设计和产品创新

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【MBSE】基于MBSE的正向设计和产品创新

2020 年 5 月 1 日 产业智能官

MBSE是创新设计的最佳方法，SysML是MBES的技术基础以及基于MBSE的设计方法。

案例：中海油服复杂测井仪器基体MBD技术实施篇

张东来 UFC通力有限公司

项目背景

随着油气勘探进程的不断深入和开发对象的日趋复杂，以高可靠性、高集成化、高精度和高温高压为主要特征的高端测井装备成为未来测井仪器发展的趋势[1]。

测井仪器长期采用传统的“2D工程图+3D模型”设计制造模式，落后于数字化技术的发展，越来越不能满足高精度、高效加工需求。

基于模型的定义（MBD）是用全三维数字化模型来完整表达产品设计和制造信息，能够实现制造过程的高度集成。以MBD技术为核心的数字化设计、加工、检测、制造模式，开展适用于石油装备产品的数字化设计制造模式对提高复杂测井仪器设计制造的精度、可靠性与效率具有重要意义。

复杂测井仪器基体结构及加工特点

复杂测井仪器普遍具有较高的精度和检测要求，采用高性能材料，以保证产品使用性能、满足环境要求，因而加工难度较大。以中海油服地层测试器（EFDT）模块基体为例来说明复杂测井仪器基体结构和加工工艺特点：

基体多为轴类细长零件，工艺特征多达上千个，且内部高压管路纵横交错；
基体产品价值高，仅其钛合金毛坯、精锻毛坯就在几十万至百万元；
基体加工过程复杂，工艺路线长、加工工序多，工艺过程复杂、加工效率低。

复杂测井仪器基体数字化设计

应用MBD技术，以MBD模型作为唯一载体，保证产品定义数据的唯一性，将制造信息传递给企业其他下游部门，改变了“2D工程图+3D模型”的传统模式，实现制造过程的高度集成。

基于MBD和特征的测量技术可自动获取检测特征和公差等检测信息，实现测量数据的收集、管理。

△ 基于MBD的数据重用策略

NX软件提供了产品与制造信息（PMI）功能模块，使用户能够根据MBD标准完成三维数字化产品定义，实现数据集的分类组织与管理。对于地层测试器EFDT基体，利用PMI工具实现产品定义信息的清晰表达。

(a) EFDT泵抽模块基体半剖MBD三维标注模型

(b) mcore模块基体截面一MBD三维标注模型

△ 中海油服基体MBD三维标注模型

复杂测井仪器基体数字化加工

中海油服依托“十二五”国家重大专项购置了某七轴车铣复合加工中心，根据该机床的配备，成功开展了石油机械产品的车铣复合关键技术及与之相适应的复合加工工艺研究，开发和定制相适应的数控程序、后置处理、切削仿真等系统，逐步实现集成化应用。

△ 中海油服七轴车铣复合加工中心

▷ 车铣复合加工优势及现状

测井仪器基体产品毛坯一般是棒料，传统加工工艺工序众多，采用车铣复合机床可以通过一次装卡完成除枪钻外的加工工艺。

根据基体产品模型及加工特征，初步确定加工工艺和选配车铣钻镗铰等刀具170余把，编制了400余序的加工程序，解决加工中遇到的工艺问题，不断调整修订工艺路线，保证最终一次性完成合格产品。

▷ 车铣复合加工数控编程技术

车铣复合加工程序编制难点主要体现在两个方面：

工艺种类繁杂。工艺人员需要掌握多种加工方式的编程方法；
车铣复合加工的机床运动和加工功能复杂。

要实现车铣复合加工，需要对各个独立的加工程序进行集成和整合。

（a）台阶面加工（b）主孔类加工

（c）多轴孔加工（d）端面孔车加工

△ 测井仪器基体数控特征加工计算机刀具轨迹

▷ 测井仪器标准化工艺及数控编程模板技术

复杂测井仪器基体含有大量工艺孔、特征孔等加工特征。此类特征组合特点是成规格系列，有些特征刀具轨迹相同、加工方法类似、切削控制参数相近。为避免加工特征重复，基于特征建立了100余种的测井仪器三维MDB标准化工艺文件库。

▷ 机床后处理

后置处理是数控加工中的关键技术，它是联接CAM编程与数控加工之间的纽带，有效使用后置处理技术与数控机床的高效运行是分不开的。针对中海油服车铣复合加工中心定制开发了机床专用后置处理器，充分利用控制系统连续路径、前馈控制等先进技术。

△ 中海油服EFDT基体标准化工艺特征MBD模型

▷ 数控加工仿真技术

为避免加工事故发生，在机床实际加工之前，加工程序的测试和验证不可或缺。数控加工仿真实现切削过程模拟仿真，来检验并优化加工程序。其中切削加工仿真是数控加工程序编制与实时验证的重要工具，是提高编程效率与质量的重要措施。

△ 复杂测井仪器EFDT基体计算机切削仿真验证

中海油服复杂测井仪器基体通过数字化制造应用，改变以纸质为主要载体进行产品制造和信息传递的工作模式，逐步实现全三维数字化无纸化加工。

（a）测井仪器基体数字化加工

（b）基于三维模型的数字化显示

△ 基于MBD的测井仪器基体数字化加工

复杂测井仪器基体数字化检测

传统检测手段很难准确地检验出细微的误差，基于MBD技术可以对比产品的加工误差和理论误差之间的关系，这对分析误差、优化设计加工过程、减少产品不合格率有着重大的意义[2]。

基于MBD和特征的三坐标测量技术能够检测产品几何尺寸性能是否符合设计和使用要求。

△ 基于MBD的测井仪器基体数字化检测

应用效果及结论

以中海油服地层测试器EFDT双探针短节为例，采用MBD数字化加工技术可以保证在机床上一次加工完成，加工周期由60天缩短至15天，基体是在一台车铣复合机床上集成加工完成，所加工的多种基体一次加工成功率为100％，产品精度提高了一个数量级。

实践证明，中海油服通过开展基于MBD技术的复杂测井仪器基体数字化设计、加工制造与检测一体化技术研究与应用，在NX平台下建立了基于MBD的基体数字化模型，实现了基于MBD技术的复杂测井仪器设计、加工制造及检测的高度集成和一体化，显著缩短了产品研制周期，提高了产品质量和生产效率。为全面实现数字化车间的无纸化生产和工厂数字化建设打下了坚实基础，也必将推动测井领域向数字化设计制造模式的变革。

参考文献：

[1] 李婧. 核磁共振测井仪器刻度方法的研究[D]. 武汉: 华中科技大学,2008:4-6.

[1] LI Jing.Scale Division for nuclear magnetic resonance logging tool[D].Wuhan: Huazhong University of Science and Technology,2008:4-6.

[2] 李其龙，徐伟，田清源. 三坐标检测结果的可靠性探讨[J]. 机床与液压,2013,41(14):114-116.

[2] LI Qilong，XU Wei，TIAN Qingyuan.Study on the reliability of measurement results by CMM[J]．Machine Tool& Hydraulics，2013,41(14):114-116.

作者 / 张东来通力有限公司

延展阅读：基于模型的系统工程

是建模方法的形式化应用，以使建模方法支持系统要求、设计、分析、验证和确认等活动，这些活动从概念性设计阶段开始，持续贯穿到设计开发以及后来的所有寿命周期阶段。

国外把基于模型的系统工程（Model-Based Systems Engineering，MBSE）视为系统工程的“革命”、“系统工程的未来”、“系统工程的转型”等。国内中航工业集团也开展了相关研究和应用。本文首先对“系统工程是组织管理的技术”这一定义进行分析，从根子上探究系统工程的本质是什么，进而从系统建模的角度认识系统工程与系统建模技术的关系，从系统建模技术的颠覆性发展来对比MBSE和传统系统工程，分析MBSE的基本原理，阐明其优势。

系统工程包括技术过程和管理过程两个层面，技术过程遵循分解－集成的系统论思路和渐进有序的开发步骤，即V型图所示。管理过程包括技术管理过程和项目管理过程。工程系统的研制，实质是建立工程系统模型的过程，在技术过程层面主要是系统模型的构建、分析、优化、验证工作，在管理过程层面，包括对系统建模工作的计划、组织、领导、控制。因此，系统工程这种“组织管理的技术”，实质上应该包括系统建模技术和建模工作的组织管理技术两个层面，其中系统建模技术包括建模语言、建模思路和建模工具。传统系统工程（Traditional Systems Engineering，TSE，也是Text-Based Systems Engineering的简称）自产生以来，系统建模技术中的建模语言变化较小。基于模型的系统工程在建模语言、建模思路、建模工具上有重大转变，相对传统系统工程有诸多不可替代的优势，是系统工程的颠覆性技术。

随着人们所研制的工程系统越来越复杂，传统系统工程（Traditional Systems Engineering，TSE）越来越难以应对，与此同时，以模型化为代表的信息技术也在快速发展，因此在需求牵引和技术推动下，基于模型的系统工程（Model-Based Systems Engineering，MBSE）应运而生了。

传统系统工程中，系统工程活动的产出是一系列基于自然语言的文档，比如用户的需求、设计方案。这个文档又是“文本格式的”，所以也可以说传统的系统工程是“基于文本的系统工程”（Text-Based Systems Engineering，TSE）。在这种模式下，要把散落在各个论证报告、设计报告、分析报告、试验报告中的工程系统的信息集成关联在一起，费时费力且容易出错。

2007年，国际系统工程学会（INCOSE）在《系统工程2020年愿景》中，正式提出了MBSE的定义：MBSE是建模方法的形式化应用，以使建模方法支持系统要求、设计、分析、验证和确认等活动，这些活动从概念性设计阶段开始，持续贯穿到设计开发以及后来的所有寿命周期阶段。

在具体实现上，INCOSE联合对象管理组织（OMG）在统一建模语言（Unified Modeling Language，UML）的基础上，开发出了适宜于描述工程系统的系统建模语言的（System Modeling Language，SysML），软件提供商也开发了相应的支持SysML的工具，并且把SysML的建模工具和已有的专业分析软件如FEA、CAD等进行了集成，提出了MBSE的整体解决方案，具备了实际开发工程系统的基础。NASA、波音、洛马也积极采用MBSE开发各类工程系统，取得了很好的效果。

建模工具是工程实践中重要的工具。马克思说，“最蹩脚的建筑师从一开始就比最灵巧的蜜蜂高明的地方，是他在用蜂蜡建筑蜂房以前，已经在自己的头脑中把它建成了”。工程系统的研制过程，实际上是建立工程系统模型的过程，也是一个借助模型来实现技术沟通的过程。工程研制中建立并使用工程系统模型，需要合适的建模语言、建模工具和建模思路，因此，系统工程工具、建模工具，是系统工程的重要组成部分。

建模仿真工具的发展进步推动了系统工程的发展，使其从“基于文本”向“基于模型”发展。MBSE的提出，实质是基于自然语言的系统工程转到模型化的系统工程，把人们对工程系统的全部认识、设计、试验、仿真、评估、判据等全部以模型的形式进行保存和利用。

1、MBSE促进工程系统和系统工程从伴生到融合

MBSE下系统模型成为各专业学科模型的集线器。目前，各专业学科的模型已经被大量应用于工程设计的各个方面，但模型缺乏统一的编码，也无法共享，建模工作仍处于“烟囱式”的信息传递模式，形成了一个个的“模型孤岛”，没有与系统工程工作流良好结合。在MBSE下，系统模型成了各学科模型的“集线器”，各方人员围绕系统模型开展需求分析、系统设计、仿真等工作，便于工程团队的协同工作。这就使整个设计团队可以更好地利用各专业学科在模型、软件工具上的先进成果。

2、MBSE推动系统工程的智能化发展

MBSE出现后，系统工程的本质没有变，只是运行的形态发生了变化。MBSE下，工程研制工作由过去的“80%劳动、20%创造”转变为“20%劳动、80%创造”。如同能战胜人类围棋高手的AlphaGo软件，其实质是让机器模仿人，发挥机器海量存储、高速计算、不知疲劳的优点，代替人从事繁重、繁杂、重复性的脑力劳动，实现人与计算机的更优化的分工，从而推动系统工程向智能化发展。

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