基于模型的定義(MBD)設(shè)計資源庫的建設(shè)與應(yīng)用

朱金榮，胡秦贛，廖子祥

(中國直升機設(shè)計研究所，江西景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化［1］是指在開發(fā)和利用信息技術(shù)的各種實踐活動中，通過制定、修訂、管理、宣貫和實施各種信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到各單位需要的統(tǒng)一局面，以獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化是圍繞信息技術(shù)開發(fā)、信息產(chǎn)品的研制和信息系統(tǒng)建設(shè)、運行與管理而展開的一系列標(biāo)準(zhǔn)化工作。其中，信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是開展信息化活動的基礎(chǔ)和核心，而標(biāo)準(zhǔn)化信息資源庫的構(gòu)建與應(yīng)用作為通用基礎(chǔ)，則是保障信息化綜合效益，提升工程化應(yīng)用水平的基石。

在某型號數(shù)字化研制的最新實踐——應(yīng)用“基于模型的定義(MBD［2］，Model Based Definition)”技術(shù)中，標(biāo)準(zhǔn)化不僅通過制定、宣貫和實施MBD標(biāo)準(zhǔn)，保障型號全新的數(shù)字化研制，而且通過升級、改造和拓展各項設(shè)計資源庫，實現(xiàn)MBD的單一數(shù)據(jù)源、規(guī)范化和集成化等應(yīng)用要求。在設(shè)計資源庫的建設(shè)和應(yīng)用中，積極貫徹集團(tuán)公司基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，在功能結(jié)構(gòu)、接口設(shè)計、編碼定義和數(shù)據(jù)格式等方面符合通用化、統(tǒng)一化要求，使設(shè)計資源庫具備與集團(tuán)對接的能力和在行業(yè)內(nèi)推廣的潛力。

1 MBD設(shè)計資源庫的建設(shè)

MBD是波音公司在787項目上采用的全新三維研制方式，是產(chǎn)品數(shù)字化定義技術(shù)的一大飛躍。MBD主要是通過多種信息集成方式，實現(xiàn)以三維實體模型完整表達(dá)產(chǎn)品定義信息，即以標(biāo)準(zhǔn)的形式詳細(xì)規(guī)定三維實體模型中產(chǎn)品尺寸和公差的標(biāo)注規(guī)則、技術(shù)和工藝信息的表達(dá)方法，在設(shè)計、制造和裝配各環(huán)節(jié)加以貫徹實施。具體應(yīng)用在某型號的數(shù)字化定義中，不僅是取消二維圖樣，對產(chǎn)品模型進(jìn)行三維標(biāo)注，將其直接傳遞給制造部門，而且要實現(xiàn)MBD數(shù)據(jù)定義的規(guī)范化、集成化以及MBD數(shù)據(jù)集的單一數(shù)據(jù)源管理。

為達(dá)到上述目標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)化部門在制定MBD標(biāo)準(zhǔn)及MBD模板的同時，針對設(shè)計資源庫的MBD應(yīng)用要求，大膽探索，發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)資源庫開放性和擴展性優(yōu)勢，升級標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)庫，改造材料數(shù)據(jù)庫，拓展開發(fā)技術(shù)注釋數(shù)據(jù)庫，以實現(xiàn)MBD數(shù)據(jù)規(guī)范化、集成化定義，保障MBD數(shù)據(jù)集的完整性和唯一性。

1.1 升級標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)庫

在MBD技術(shù)應(yīng)用之前，通過“航空工業(yè)三維數(shù)字化通用零部件/標(biāo)準(zhǔn)件庫”項目已經(jīng)建立了基于CATIA V5 CATALOG(一種CAD系統(tǒng)的零件集管理工具)的三維實體工程設(shè)計工程應(yīng)用的數(shù)據(jù)庫，該標(biāo)準(zhǔn)件庫可為CATIA V5(一種CAD系統(tǒng))提供無縫連接、直接集成的應(yīng)用環(huán)境。但是隨著MBD技術(shù)的應(yīng)用，僅采用傳統(tǒng)的CATALOG進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)件三維數(shù)模的管理難以滿足某型號使用要求。為了提高設(shè)計效率、縮短產(chǎn)品研制周期，需要針對MBD應(yīng)用要求全面升級標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)庫。

升級的標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)庫，應(yīng)用國際通用的標(biāo)準(zhǔn)件分類方法進(jìn)行數(shù)據(jù)組織和管理，采用了便于理解和操作的樹形目錄視圖界面，使得操作簡捷而高效。對具體功能進(jìn)行了全面優(yōu)化，具體如下:

1)優(yōu)化了查詢方法，可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)號、標(biāo)準(zhǔn)件名稱、材料、性能等級、規(guī)格等屬性進(jìn)行方便靈活的查詢檢索;

2)擴充了標(biāo)準(zhǔn)件圖文管理功能，把標(biāo)準(zhǔn)件的三維模型與詳細(xì)規(guī)格尺寸信息結(jié)合在一起，用戶在設(shè)計過程中對標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行選型后即可得到該規(guī)格的模型文件;

3)補充了型號管理功能，能夠方便快捷地形成型號可選標(biāo)準(zhǔn)件列表，滿足型號標(biāo)準(zhǔn)件管控要求;

4)提高與三維CATIA的集成效率，把客戶端程序加載到CATIA的軟件界面中，設(shè)計人員在VPM系統(tǒng)(一種產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng))中可快速調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)件;

5)完善了管理流程，標(biāo)準(zhǔn)件的數(shù)據(jù)導(dǎo)入、導(dǎo)出、更改等更簡單、快捷，而且為了保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，對即將發(fā)布供型號使用的標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)還有審簽流程;

6)增加了安全環(huán)節(jié)，對數(shù)據(jù)庫的每一步操作都有跡可查，可進(jìn)行實時追蹤，技術(shù)狀態(tài)清晰;

7)提供了交流平臺，系統(tǒng)管理員和用戶之間、用戶與用戶之間有溝通交流的渠道。

系統(tǒng)功能框架見圖1。

標(biāo)準(zhǔn)件庫的數(shù)據(jù)項涵蓋了直升機常用的國內(nèi)、國外標(biāo)準(zhǔn)件，目前入庫的標(biāo)準(zhǔn)件有300多種，規(guī)格數(shù)量達(dá)到13400多項，完全能夠滿足型號的設(shè)計需求。標(biāo)準(zhǔn)件模型也采用MBD方式進(jìn)行定義，符合集團(tuán)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求;此外還通過參數(shù)化建模和參數(shù)化驅(qū)動，生成標(biāo)準(zhǔn)件的所有規(guī)格的模型，并能顯示出每一個規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)件的所有業(yè)務(wù)屬性:標(biāo)準(zhǔn)件實例名、標(biāo)準(zhǔn)件名稱、標(biāo)準(zhǔn)件標(biāo)記、標(biāo)準(zhǔn)件級別、標(biāo)準(zhǔn)件類別、標(biāo)準(zhǔn)號、規(guī)格、表面處理、集團(tuán)公司物品碼、重量等，如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)功能框架

同時，標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)作為唯一的數(shù)據(jù)源，為VPM系統(tǒng)和緊固件快速設(shè)計系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，并能保持同步更新，保證設(shè)計人員調(diào)用的標(biāo)準(zhǔn)件處于最新狀態(tài)。標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)作為獨立的數(shù)據(jù)源，包含的標(biāo)準(zhǔn)件規(guī)格品種齊全，只要接口程序建立，便可根據(jù)需要進(jìn)行批量添加，然后批量導(dǎo)入VPM，簡單快捷。接口架構(gòu)如圖3所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)件MBD模型

圖3 接口架構(gòu)

1.2 改造材料數(shù)據(jù)庫

材料數(shù)據(jù)庫是設(shè)計類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫之一，是構(gòu)成型號BOM(物料清單)的最基本要素。以往型號零部件的材料選用(包括品種、規(guī)格、標(biāo)準(zhǔn)等)及相關(guān)信息是在LCA系統(tǒng)(VPM系統(tǒng)早期)中進(jìn)行管理，與CATIA模型沒有直接關(guān)聯(lián)。而某型號采用VPM系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，應(yīng)用MBD技術(shù)，原材料數(shù)據(jù)庫已不適應(yīng)該型號的應(yīng)用要求，為此，基于MBD使用環(huán)境全面改造材料數(shù)據(jù)庫。MBD材料數(shù)據(jù)庫功能框架如圖4所示，其功能簡要如下:

1)型號管理功能，能夠方便快捷地形成型號可選材料列表，滿足型號材料管控要求;

2)材料數(shù)據(jù)導(dǎo)入及修改功能，型號材料實例表列出所選型號所有零件用材料，管理員可通過導(dǎo)入數(shù)據(jù)表文件、手動創(chuàng)建和從通用材料數(shù)據(jù)庫選擇添加的方式添加材料實例記錄，并可直接在實例表中修改實例信息。

3)型號材料實例表提供查詢、導(dǎo)出和統(tǒng)計功能，能根據(jù)材料牌號、材料名稱、品種代號、規(guī)格尺寸等屬性對材料實例進(jìn)行查詢，導(dǎo)出功能把表中的內(nèi)容導(dǎo)出生成數(shù)據(jù)表文件和CATIA材料庫文件，統(tǒng)計功能對材料實例的數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計。

4)CATIA客戶端提供添加材料功能，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前零部件所在的型號列出該型號的材料實例表，選擇一個材料實例賦予當(dāng)前零件，根據(jù)MBD材料表達(dá)方式自動創(chuàng)建材料節(jié)點及其子節(jié)點。

1.3 開發(fā)技術(shù)注釋數(shù)據(jù)庫

國內(nèi)，MBD技術(shù)應(yīng)用處于起步階段，沒有成熟的技術(shù)注釋管理系統(tǒng)，二維圖樣上的技術(shù)注釋沒有管理規(guī)范，針對技術(shù)注釋描述或要求的更改時有發(fā)生。國外，波音公司采用的iPSM系統(tǒng)(集成產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)管理系統(tǒng))包含技術(shù)注釋庫內(nèi)容，但沒有對技術(shù)注釋進(jìn)行完全管理，只對表面處理、熱處理、焊接等技術(shù)注釋加以控制，設(shè)計人員仍可以直接在數(shù)模上標(biāo)注和修改技術(shù)注釋。

技術(shù)注釋:技術(shù)注釋是在產(chǎn)品設(shè)計過程中，設(shè)計需要對制造以及后續(xù)環(huán)節(jié)提出的產(chǎn)品技術(shù)要求，如熱處理、表面防護(hù)、標(biāo)印、引用的工藝規(guī)范和技術(shù)條件等信息。

根據(jù)技術(shù)注釋在新型號中應(yīng)用的業(yè)務(wù)需求和技術(shù)注釋管理需求，以及計算機軟、硬件資源合理利用要求，技術(shù)注釋數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計成由技術(shù)注釋庫管理系統(tǒng)和技術(shù)注釋應(yīng)用系統(tǒng)兩部份組成。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計如圖5所示。

根據(jù)技術(shù)注釋的分類，若每一注釋類別均設(shè)計成一個子庫，在使用和管理上會造成不便?？砂凑展δ芎屯愊嘟瓌t，對技術(shù)注釋進(jìn)行管理合并，如表面處理注釋和表面涂層注釋合在一個庫管理，密封注釋和隔離注釋合在一個庫管理等，一共分成16個技術(shù)注釋子庫模塊，見圖6。

圖4 MBD材料數(shù)據(jù)庫功能框架

圖5 系統(tǒng)架構(gòu)

圖6 技術(shù)注釋庫模塊

在編碼規(guī)則設(shè)計上，為今后與集團(tuán)公司的技術(shù)注釋庫整合，達(dá)到全行業(yè)的統(tǒng)一，直升機所技術(shù)注釋編號設(shè)計與中航工業(yè)集團(tuán)的技術(shù)注釋編號規(guī)劃保持一致，對直升機技術(shù)注釋數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)技術(shù)注釋編碼進(jìn)行了規(guī)劃，注釋編號由對象類別，注釋類別，明細(xì)類別和順序號構(gòu)成。

技術(shù)注釋庫的MBD數(shù)據(jù)表達(dá)形式見圖7。

圖7 技術(shù)注釋庫的MBD數(shù)據(jù)表達(dá)形式

2 MBD設(shè)計資源庫的應(yīng)用

通過標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)庫、材料數(shù)據(jù)庫和技術(shù)注釋庫的整體建設(shè)，型號標(biāo)準(zhǔn)化工作從“事后、事中”走到了“事前”，即在型號方案階段，就要將設(shè)計的選用范圍進(jìn)行信息化，以保障各階段設(shè)計的順利展開。從中，型號標(biāo)準(zhǔn)化水平也得到了質(zhì)的提升，優(yōu)化了標(biāo)準(zhǔn)件的品種和規(guī)格，控制了材料的選用范圍并統(tǒng)一了材料數(shù)據(jù)性能出口，規(guī)范統(tǒng)一了技術(shù)注釋，從而提高了型號設(shè)計質(zhì)量。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用

以前，要在VPM系統(tǒng)里添加一個標(biāo)準(zhǔn)件，必須挨個填寫標(biāo)準(zhǔn)件的所有業(yè)務(wù)屬性，然后將畫好的CATIA模型導(dǎo)入，步驟多，耗時長，而且出錯率高，特別是通過衍生創(chuàng)建的標(biāo)準(zhǔn)件。而使用升級后的標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，通過查詢找到相應(yīng)規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)件，添加型號屬性后，點擊導(dǎo)入VPM系統(tǒng)即可，標(biāo)準(zhǔn)件的所有業(yè)務(wù)屬性會完全自動映射到VPM系統(tǒng)上顯示出來，再也無需人工編輯，簡單、快捷。

升級后的標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)功能完備，數(shù)據(jù)齊全、規(guī)范，涵蓋了直升機常用的國家標(biāo)準(zhǔn)、航空標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國外標(biāo)準(zhǔn)，滿足新型號上關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)件的MBD技術(shù)使用要求。標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是獨立數(shù)據(jù)源，可同時為多個型號提供標(biāo)準(zhǔn)件，而且系統(tǒng)數(shù)據(jù)檢索、輸入、輸出和更新等方面的操作簡單、快捷，省時省力，大大提高了工作效率;另外，系統(tǒng)還設(shè)置了審簽流程和權(quán)限控制，保證了工作質(zhì)量。

2.2 材料數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用

以往，設(shè)計人員在CATIA設(shè)計環(huán)境中對一個零件進(jìn)行賦材時，在VPM材料庫中進(jìn)行檢索，復(fù)制材料標(biāo)識粘貼到零件材料屬性下，材料與零件模型無關(guān)聯(lián)關(guān)系。但是，應(yīng)用基于MBD環(huán)境的材料數(shù)據(jù)庫后，設(shè)計人員在CATIA零件設(shè)計環(huán)境中可直接選擇點擊添加主材和添加輔材按鈕加載材料信息。

應(yīng)用該數(shù)據(jù)庫效果如下:

1)有效保證了型號設(shè)計過程中材料信息的正確、規(guī)范引用，實現(xiàn)單一數(shù)據(jù)源管理。

2)便捷的批量導(dǎo)入/導(dǎo)出功能和靈活的復(fù)制編輯功能，以及型號屬性管理的可擴充性，極大地減少了數(shù)據(jù)庫管理維護(hù)人員的工作量。

3)基于WEB的信息查詢功能和CATIA環(huán)境的客戶端軟件，方便了設(shè)計人員快速搜索所需材料信息，并在CATIA環(huán)境中實現(xiàn)了材料數(shù)據(jù)的快速調(diào)用。

4)基于MBD建模對材料的表達(dá)要求，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)材料材質(zhì)的自動賦值、計算以及消耗性材料用量的輸入，實現(xiàn)了最大外廓尺寸節(jié)點的創(chuàng)建與賦值，減少了設(shè)計工作量和錯誤率，有效提高了零件設(shè)計效率和質(zhì)量。

2.3 技術(shù)注釋數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用

技術(shù)注釋庫系統(tǒng)應(yīng)用效果如下:

1)技術(shù)注釋標(biāo)注的變革

在傳統(tǒng)設(shè)計過程中，通常由設(shè)計人員標(biāo)注在圖紙右側(cè)。采用MBD技術(shù)后，實現(xiàn)無圖設(shè)計，過去技術(shù)注釋自行添加和修改的情況不存在了，而是從注釋庫提取相關(guān)注釋，標(biāo)注在MBD數(shù)模的結(jié)構(gòu)樹上。

2)實現(xiàn)技術(shù)注釋業(yè)務(wù)管理

通過技術(shù)注釋庫可以讓標(biāo)準(zhǔn)化部門及相關(guān)的技術(shù)部門(工藝)提前介入到設(shè)計中，規(guī)范技術(shù)注釋的應(yīng)用;技術(shù)注釋應(yīng)用子系統(tǒng)使設(shè)計人員能通過特定方法選用技術(shù)注釋數(shù)據(jù)庫中的技術(shù)注釋，并將其加載到MBD模型指定的附注中，實現(xiàn)CATIA MBD模型技術(shù)注釋的高效、規(guī)范，大幅提高產(chǎn)品設(shè)計的技術(shù)注釋質(zhì)量和工作效率。

3)方便信息化自動處理

系統(tǒng)在總體設(shè)計時，充分考慮了后續(xù)制造環(huán)節(jié)的應(yīng)用，采用統(tǒng)一信息編碼，并提供開放式標(biāo)準(zhǔn)接口，將為制造方工藝分工、工藝設(shè)計等信息的自動化處理及設(shè)計制造信息集成提供便利。

4)提供優(yōu)良的客戶操作界面

在整個技術(shù)注釋數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建設(shè)過程中，始終秉承“人性化、客戶化”的設(shè)計原則，通過在每類子庫中增加幫助文檔和在操作中進(jìn)行提示，使用戶無需培訓(xùn)和參考《用戶手冊》，即可順暢使用。

5)形成了可共享的基礎(chǔ)知識庫

技術(shù)注釋既反映設(shè)計對制造的要求，同時也反映產(chǎn)品設(shè)計制造的知識積累。通過技術(shù)注釋庫可將設(shè)計知識、經(jīng)驗加以總結(jié)、提煉、規(guī)范，再結(jié)合新材料、新技術(shù)、新工藝，通過統(tǒng)一技術(shù)注釋編碼，通過不斷地積累和完善，形成企業(yè)的智力資產(chǎn)——直升機技術(shù)注釋數(shù)據(jù)庫，以有效規(guī)范、管理產(chǎn)品設(shè)計過程中的技術(shù)注釋信息，并具備向行業(yè)推廣的潛力。

3 結(jié)束語

信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化和標(biāo)準(zhǔn)的信息化貫穿預(yù)先研究和型號設(shè)計、開發(fā)、應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)化的全過程。通過開展信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化和標(biāo)準(zhǔn)的信息化，建立以MBD設(shè)計資源庫為典型代表的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，提高產(chǎn)品設(shè)計和研制效率，確保產(chǎn)品質(zhì)量。如同標(biāo)準(zhǔn)化在型號研制中的作用一樣，“一代裝備、一代標(biāo)準(zhǔn)”，“型號研制、標(biāo)準(zhǔn)先行”，信息技術(shù)飛速發(fā)展和快速應(yīng)用離不開標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)支持。只有切實地開展信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化和標(biāo)準(zhǔn)的信息化才能從根本上提升產(chǎn)品研制能力，獲得巨大的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

［1］童友好，李 蕊.關(guān)于我國信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的思考［J］.中國信息導(dǎo)報，2002，10.

［2］馮潼能，王錚陽，宋婭.MBD技術(shù)在協(xié)同設(shè)計制造中的應(yīng)用［J］.航空制造技術(shù)，2010.(18).