基于模型定義的標準體系探討

田 菊 張曉靜

（1.中航工業(yè)一飛院，陜西 西安 710089；2.中航工業(yè)西飛，陜西 西安 710089）

隨著信息技術的飛快發(fā)展，飛機研制進入了一個嶄新的時代。進入21世紀的波音公司在數(shù)字化技術領域又跨上了一個新臺階。其設計和生產(chǎn)的787夢幻飛機首次采用了準確、直觀、經(jīng)過定義的三維模型作為傳遞設計思想和生產(chǎn)依據(jù)的全數(shù)字化表達手段，實現(xiàn)了飛機全三維設計制造一體化的研制，為飛機數(shù)字化研制開啟了一個新的紀元。

我國航空工業(yè)也遇到了前所未有的發(fā)展機遇，尤其是近幾年國家的重視為航空工業(yè)的快速發(fā)展提供了一個良好的平臺。近年來，航空各主機廠所紛紛采用先進的數(shù)字化技術，以提升航空行業(yè)的快速設計、精益制造及設計制造協(xié)同研制的整體能力和水平是。本文以基于模型的定義（Model Based Definition，MBD）技術為牽引，提出國內(nèi)飛機研制MBD設計制造體系架構，并探索需構建的標準體系框架與主要技術標準內(nèi)容，為飛機研制實現(xiàn)全三維設計制造一體化提供參考。

1 基于模型定義的飛機設計制造體系架構

MBD技術是指在產(chǎn)品的數(shù)字化定義中，通過在三維模型上定義尺寸標注、公差要求、加工制造要求、檢驗要求等非幾何信息，從而實現(xiàn)對產(chǎn)品信息的清晰、完整、唯一的描述，以滿足下游數(shù)字化制造和檢驗直接使用的需求。它與原有數(shù)字化設計模式最大的區(qū)別是真正實現(xiàn)了三維模型為唯一數(shù)據(jù)源，所有加工制造檢驗信息均在三維模型上體現(xiàn)，下游制造部門直接以三維模型為依據(jù)進行產(chǎn)品加工制造與檢驗。MBD技術不僅要求設計部門所設計的產(chǎn)品模型更加直觀、清晰，信息表達更加準確、完整，而且對生產(chǎn)制造與檢驗提出了更高的要求，即要求制造部門要直接從產(chǎn)品模型上獲取生產(chǎn)制造信息，并以模型為依據(jù)進行檢驗，因此，要求產(chǎn)品制造更加自動化、檢驗更加精準化。

目前，國內(nèi)飛機研制普遍采用MBD技術進行產(chǎn)品研制。由于MBD技術完全擺脫了二維圖紙的模式，完全以三維模型為核心，而且所有產(chǎn)品數(shù)據(jù)均在信息化系統(tǒng)中進行管理，因此，飛機研制的技術體系發(fā)生了根本的變化。在飛機MBD設計制造技術體系中，不僅要全面實現(xiàn)全三維產(chǎn)品數(shù)字化定義，而且要求設計制造更加緊密協(xié)同，在設計階段盡量全面準確地表達制造加工信息，并將所定義的產(chǎn)品信息要準確完整地傳遞到下游制造中。下游制造系統(tǒng)要以此三維模型為依據(jù)進行工藝規(guī)劃、工裝設計，開展零部件的生產(chǎn)制造，以及進行檢驗計劃的編制等。因此，在目前航空業(yè)設計與制造分離的情況，建立以MBD模型為核心，多廠所并行協(xié)同研制平臺為架構的飛機設計制造體系，是實現(xiàn)全三維設計制造一體化有效方法?；谀Ｐ投x的飛機設計制造體系架構如圖1所示。圖1中，MBD模型是唯一數(shù)據(jù)源，貫穿飛機設計、制造與檢驗全過程。設計部門以模型定義產(chǎn)生全三維數(shù)字化產(chǎn)品模型，并以此模型為依據(jù)開展關聯(lián)設計、進行產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理和技術狀態(tài)控制，制造部門以此模型為依據(jù)進行工藝規(guī)劃、工裝設計、裝配仿真、以及生產(chǎn)制造和產(chǎn)品檢驗，并行協(xié)同平臺是設計制造數(shù)據(jù)傳遞及溝通交流的途徑，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向交流，有效滿足設計制造并行協(xié)同研制的要求。

圖1 基于模型定義的飛機設計制造體系架構示意圖

2 基于模型定義的標準體系框架與主要內(nèi)容

飛機研制是一個復雜的系統(tǒng)工程，其復雜性要求在管理上具有綜合性和嚴密性，所有技術環(huán)節(jié)和管理環(huán)節(jié)都必須通過程序、規(guī)范和標準來控制。采用MBD技術的飛機設計制造一體化研制也不例外，同樣需要完整、協(xié)調(diào)、配套的標準體系，以支持飛機研制MBD技術的有效應用和規(guī)范開展。飛機MBD設計制造一體化工程研制的標準體系建立目標應緊緊圍繞飛機MBD設計制造體系架構進行建立，其核心標準是基于模型定義標準，具體包含MBD數(shù)據(jù)集定義、建模標準、三維標注等，同時，還包括以MBD數(shù)模為核心的關聯(lián)設計、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、以及技術狀態(tài)控制與管理等設計標準，MBD工藝管理規(guī)范含PBOM/MBOM和AO/FO的編制，MBD產(chǎn)品制造與檢驗規(guī)范，如檢驗計劃的編制等制造標準，以及設計與制造之間MBD產(chǎn)品信息的提取與使用要求、并行協(xié)同研制等標準規(guī)范。標準體系框架如圖2所示。

圖2 基于模型定義的標準體系框架

2.1 基于模型定義標準

MBD技術的核心是對集成了尺寸標注、公差要求、加工制造要求、檢驗要求等信息的三維模型進行正確而完整的定義和表達。與包含圖樣的數(shù)字化定義方法不同，MBD模型包含了所有的幾何信息和非幾何信息，而且所有的信息是通過產(chǎn)品結構樹的方法進行組織與管理的。因此，基于模型定義的標準應首先明確MBD模型信息分類與組織要求，針對零件模型與裝配模型應分別給出應包含的信息內(nèi)容與組織方式。其次應規(guī)定各類信息，如尺寸與公差、表面粗糙度、以及材料等信息的標注要求，尤其應給出通用附注等非幾何信息的規(guī)范化表達方法。除此之外，還應規(guī)定MBD模型屬性（含設計屬性與管理屬性）的定義與標注要求。另外，由于MBD模型為唯一數(shù)據(jù)源，所有設計、制造和檢驗信息均完整地表達在MBD模型中，信息量巨大，尤其是生產(chǎn)加工技術要求等非幾何信息的表達，不僅標注工作量大，而且易出錯。因此，為保證信息的完整、準確、且減輕設計人員的工作量，在基于模型定義的標準建立的同時，還應建立信息完整準確的非幾何信息數(shù)據(jù)庫，開發(fā)多個方便快捷的標注模版和調(diào)用工具，并將標準規(guī)范要求嵌入到相應的支持工具中，這樣既能保證數(shù)據(jù)的準確與規(guī)范，提高設計效率，又有利于下游制造用戶的直接提取與使用。

2.2 數(shù)據(jù)管理與狀態(tài)控制標準

在MBD技術應用中，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理對象發(fā)生了變化，MBD模型是產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的核心，且是唯一數(shù)據(jù)源，因此，要求產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)應能自動獲取MBD模型上與產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理有關的信息，并按MBD模型的狀態(tài)進行有效性管理。MBD模型狀態(tài)通過版本定義進行標識，并記錄和跟蹤產(chǎn)品數(shù)據(jù)的更改過程。為發(fā)揮產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)對模

型狀態(tài)的記錄與管理優(yōu)勢，最大限度地對MBD模型的各個狀態(tài)進行管理，以便于后續(xù)改型或系列產(chǎn)品的發(fā)展，在版本管理上可采用并行版本管理方法，即適用于不同架次的MBD模型多版本有效。因此，在版本定義中應明確MBD模型版本的變化，尤其針對不同類型的更改應給出版本變化的規(guī)則，以便于產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的實施。同時，由于并行版本的實施，以MBD模型為核心的產(chǎn)品數(shù)據(jù)不僅數(shù)據(jù)量大，而且管理極其復雜。為簡化有效性管理，方便技術狀態(tài)的控制，有必要對飛機產(chǎn)品結構進行了模塊化劃分，實施扁平化模塊管理，并應規(guī)定模塊劃分原則、模塊的組成、以及模塊版本控制與有效性管理等具體要求，從而確保產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的狀態(tài)清晰、準確，并具有可追溯性。

2.3 MBD工藝管理規(guī)范

產(chǎn)品定義方法的改變使工藝輸入、輸出的形式和工藝工作的方法都發(fā)生了革命性的變化。其中，最大的變化是工藝、工人、檢驗看不到工程二維圖紙，需要從三維模型中提取所需的全部信息用于工藝文件編制、生產(chǎn)和檢驗，因此，工藝管理規(guī)范也必須進行相應改變。首先應建立協(xié)同設計制造工作規(guī)范，規(guī)定工藝審查、工藝與設計協(xié)調(diào)的流程、方法和要求；其次，應建立產(chǎn)品數(shù)據(jù)接收、傳遞和使用管理規(guī)范，規(guī)定設計信息的讀取方法、3DVIA Composer、3DVI player的操作要求、數(shù)據(jù)使用方法和存儲要求等以保證相關人員能夠獲得準確、完整的設計信息；最后，還應制定三維制造和裝配指令（FO/AO）編制管理規(guī)范，規(guī)定三維環(huán)境下AO/FO的編制要求、數(shù)據(jù)結構、輸出格式及審批流程等，保證工人能夠正確、全面理解制造指令，生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品；同時，應制定PBOM/MBOM管理規(guī)范，規(guī)定PBOM/MBOM的構建方法、內(nèi)容、格式和發(fā)放要求等，以規(guī)范制造數(shù)據(jù)集的管理，確保其完整、有效、可追溯，并與設計數(shù)據(jù)一致。

2.4 MBD制造與檢驗標準

MBD技術的應用，使得制造體系發(fā)生了變革。一方面，給實施數(shù)字化制造和檢驗帶來了極大的方便，工藝人員和檢驗技術人員可以利用信息化手段直接從設計數(shù)模上提取制造、檢驗依據(jù)，可以很方便地進行工藝仿真、數(shù)控加工和數(shù)控檢測，大大減少了工藝、工人、檢驗的工作量和出錯的概率，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。另一方面，對采用普通加工和檢測手段的產(chǎn)品，由于無二維圖樣，又無法直接使用數(shù)模，給工藝文件和檢驗文件的編制提出了更高的要求，不能再通過圖樣引用等方法來描述制造檢驗要求，所以，有必要根據(jù)MBD設計數(shù)據(jù)的特點制定新的制造、檢驗文件編制及管理規(guī)范，尤其對MBD模型信息的提取與使用上要做出明確規(guī)定，以確保制造數(shù)據(jù)準確，檢驗標準唯一。同時，通過建立檢驗技術體系，編制檢驗規(guī)程等，實現(xiàn)現(xiàn)場制造和檢驗依據(jù)分離，以避免僅依據(jù)制造計劃進行生產(chǎn)和檢驗造成的質(zhì)量問題，預防差錯，從而強化產(chǎn)品實物質(zhì)量的控制。

2.5 并行協(xié)同研制管理

在MBD設計制造一體化研制中，并行協(xié)同研制更顯突出與重要。要在設計制造全線推行基于MBD的全三維設計制造一體化技術，除了要構建并行協(xié)同研制平臺，以確保并行協(xié)同研制工作的開展，更重要的是要在管理模式上積極采用IPT組織，以加快研制進程，而且還應從技術層面上主動探索新的途徑和方法。在并行協(xié)同設計方面可通過采用關聯(lián)設計技術，制定關聯(lián)設計規(guī)范，以實現(xiàn)上下游設計的并行與協(xié)調(diào)更改；在并行協(xié)同設計制造方面，通過定義MBD模型成熟度，建立模型成熟度控制機制，以實施設計與制造的并行。并行協(xié)同研制相關標準規(guī)范的建立，為有效實施并行協(xié)同研制，縮短產(chǎn)品研制周期提供技術保障。

3 結束語

目前，MBD技術已在航空各主機廠所得到了初步應用與驗證，也已基本建立起完整配套的標準體系。但隨著應用的不斷深入，實施MBD技術已不只是一項全新技術的應用問題，它的實施還需要從管理方法和管理模式上進一步創(chuàng)新，尤其是針對飛機這樣復雜的產(chǎn)品要從頂層規(guī)劃其組織模式、管理方法，還應考慮生產(chǎn)制造的分工與管理等，所以，應加強MBD技術應用的管理標準的研究與制定。只有建立起完整配套技術和管理標準體系，才能更好地發(fā)揮MBD技術的強大優(yōu)勢。

[1] 朱宏斌.型號工程標準化[M].北京：航空工業(yè)出版社，2004.

[2] 范玉青.大型飛機數(shù)字化制造工程[M].北京：航空工業(yè)出版社，2011.