基于MBE技術(shù)的航空產(chǎn)品研制模式研究

趙 亮，駱晶妍，夏曉理，趙辛雨

ZHAO Liang, LUO Jing-yan, XIA Xiao-li, ZHAO Xin-yu

(中國(guó)航空綜合技術(shù)研究所 標(biāo)準(zhǔn)化中心，北京 100028)

0 引言

在過去的幾十年間，全球制造業(yè)發(fā)生了許多令人矚目的變化，從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）到數(shù)控設(shè)備和裝配的精益過程，所有的變化對(duì)于制造業(yè)的降低成本、縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、提升產(chǎn)品質(zhì)量都發(fā)揮了重要作用。隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程的不斷加快和數(shù)字化、信息化技術(shù)的飛速發(fā)展，使得航空制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的重點(diǎn)不再僅僅是產(chǎn)品本身，而是轉(zhuǎn)向以產(chǎn)品業(yè)務(wù)為中心的研制過程、組織結(jié)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)機(jī)制，導(dǎo)致產(chǎn)品研制也從以產(chǎn)品為中心向以過程能力為中心的模式轉(zhuǎn)變。隨之而來一種新的研制模式異軍突起，為產(chǎn)品的整個(gè)生命周期帶來巨大變革，這種模式稱為基于模型的企業(yè)[1]（Model Based Enterprise，MBE）。

基于模型的企業(yè)（MBE）擁有建立在全三維產(chǎn)品定義上的集成和協(xié)同環(huán)境，并在整個(gè)企業(yè)內(nèi)共享，能夠保證從概念設(shè)計(jì)到產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的快速性、準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)可承受性。MBE是一種可使下游用戶在MBD模型基礎(chǔ)上再現(xiàn)或添加3D產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)，以保證模型重用的過程，該模型以標(biāo)注和信息組織的方式定義產(chǎn)品需要的所有信息，可以被非CAD用戶查閱或自動(dòng)提取信息，從而可取代傳統(tǒng)的圖樣。

分析了目前國(guó)內(nèi)航空企業(yè)的研制現(xiàn)狀，結(jié)合產(chǎn)品全生命周期管理及異地協(xié)同研制技術(shù)發(fā)展的新要求，提出了基于模型的企業(yè)的基本特征，總結(jié)得出了適合現(xiàn)代航空產(chǎn)品的研制的新模式。

1 國(guó)內(nèi)航空企業(yè)研制現(xiàn)狀

1.1 廠-所獨(dú)立的組織架構(gòu)

我國(guó)航空工業(yè)總體布局以設(shè)計(jì)所-制造廠獨(dú)立配套方式為主，兩者在研制流程中屬于上、下游關(guān)系，設(shè)計(jì)所主要完成產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)工作，制造廠進(jìn)行工藝、工裝及產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)，相互獨(dú)立又緊密相連。近些年隨著技術(shù)的進(jìn)步，特別是數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，使得廠-所獨(dú)立的兩個(gè)單元之間的聯(lián)系越來越密切，對(duì)航空產(chǎn)品研制的影響正在逐步擴(kuò)大。

1.2 基于模型的產(chǎn)品定義

目前國(guó)內(nèi)航空工業(yè)在設(shè)計(jì)階段（即產(chǎn)品定義階段）基本實(shí)現(xiàn)了以基于模型的定義[2,3]（Model Based Definition，MBD）技術(shù)為主的數(shù)字化產(chǎn)品定義，完全拋棄了二維圖的表達(dá)方式，以三維設(shè)計(jì)模型為基礎(chǔ)，通過標(biāo)注和屬性等方式描述尺寸、公差和技術(shù)要求等信息，形成完整全面的航空產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)集（如圖1所示），集中體現(xiàn)了產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)的核心能力，實(shí)現(xiàn)了以MBD為核心的數(shù)字化定義，是現(xiàn)階段我國(guó)航空產(chǎn)品研制信息化領(lǐng)域的重大轉(zhuǎn)變。

圖1 航空產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)集

1.3 基于模型的產(chǎn)品制造

相比于設(shè)計(jì)階段的MBD數(shù)字化定義，制造環(huán)節(jié)相對(duì)復(fù)雜，包括工藝、工裝、物料、工時(shí)、制造執(zhí)行、裝配及檢驗(yàn)等各個(gè)方面。因此出于對(duì)上游設(shè)計(jì)階段的承接和延續(xù)，航空企業(yè)也正在逐步開展基于模型的產(chǎn)品制造技術(shù)探索，并在個(gè)別的型號(hào)研制中進(jìn)行了嘗試性的實(shí)踐，但總體而言尚不夠全面和成熟，未能在制造環(huán)節(jié)進(jìn)行大面積的推廣應(yīng)用[4]。

2 全生命周期管理與異地協(xié)同

2.1 產(chǎn)品數(shù)據(jù)全生命周期管理

隨著航空企業(yè)基于模型的定義技術(shù)廣泛使用和基于模型的制造技術(shù)的探索研究，確立了產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)作為研制過程的核心地位，數(shù)據(jù)貫穿航空產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、使用及維護(hù)的各環(huán)節(jié)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的繼承、生成、復(fù)用、派生支撐產(chǎn)品研制全流程，同時(shí)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的全生命周期管理（PLM）強(qiáng)調(diào)對(duì)產(chǎn)品生命周期內(nèi)跨越供應(yīng)鏈的所有信息進(jìn)行管理和利用，使得企業(yè)的各項(xiàng)業(yè)務(wù)過程從設(shè)計(jì)、管理到執(zhí)行、歸檔、分析等全過程中所涉及到的建議、操作、經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)可在其后的工作中得以進(jìn)化、沉淀和重用，因此航空產(chǎn)品自身復(fù)雜性、用戶后端對(duì)產(chǎn)品的使用維護(hù)以及航空研制企業(yè)自身技術(shù)水平的提升需求均迫切的對(duì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行全生命周期管理[5,6]。

2.2 航空產(chǎn)品異地協(xié)同研制

航空產(chǎn)品研制是一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程，為滿足日趨激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和緊迫的研制周期，航空制造企業(yè)必須從研制過程集成的全局和整體優(yōu)化的角度，依據(jù)異地協(xié)同研制的先進(jìn)理念，采用動(dòng)態(tài)的組織結(jié)構(gòu)，利用并行處理機(jī)制，發(fā)揮合作企業(yè)的優(yōu)勢(shì)技術(shù)，協(xié)同開發(fā)航空產(chǎn)品。異地協(xié)同研制是集數(shù)字化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化等先進(jìn)技術(shù)和方法于一體的復(fù)雜工程，是解決現(xiàn)階段航空產(chǎn)品研發(fā)高目標(biāo)、短周期的一種很好的解決途徑，但同時(shí)也對(duì)航空企業(yè)的研發(fā)模式提出了新的要求[7]。

3 基于模型的企業(yè)研制模式

3.1 模型作為核心依據(jù)

現(xiàn)代航空制造企業(yè)數(shù)字化能力得到顯著提升，MBE強(qiáng)調(diào)模型的核心地位，以模型作為唯一數(shù)據(jù)源，其模型區(qū)別于以往的三維實(shí)體模型，更強(qiáng)調(diào)其為采用MBD技術(shù)的全三維數(shù)字化定義模型，研制各環(huán)節(jié)中均以此模型或其派生模型作為依據(jù)，進(jìn)行諸如制造、裝配、仿真、維護(hù)等工作，如圖2所示。

圖2 MBD模型應(yīng)用

3.2 數(shù)據(jù)貫穿研制流程

基于模型的產(chǎn)品研制以產(chǎn)品模型作為唯一的授權(quán)依據(jù)，在模型結(jié)構(gòu)中定義所有產(chǎn)品數(shù)據(jù)，下游應(yīng)用中直接使用已定義的產(chǎn)品數(shù)據(jù)或派生數(shù)據(jù)，達(dá)到在產(chǎn)品全生命周期過程中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的最大重用，因此基于模型的產(chǎn)品研制過程實(shí)質(zhì)就是數(shù)據(jù)在研制流程中的定義、交換、使用、控制和協(xié)同的過程，基于模型的企業(yè)（MBE）是建立在3D產(chǎn)品數(shù)據(jù)定義和數(shù)據(jù)共享重用的全集成和協(xié)同的工作環(huán)境。典型的研制流程中數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)環(huán)節(jié)的傳遞如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)在研制流程中的傳遞

圖4 基于模型的產(chǎn)品制造數(shù)據(jù)流

作為航空產(chǎn)品研制過程最重要的銜接，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)向制造環(huán)節(jié)的傳遞及應(yīng)用尤為關(guān)鍵，以模型數(shù)據(jù)集為對(duì)象，數(shù)據(jù)傳遞過程如圖4所示。

3.3 層級(jí)化的供應(yīng)商管理

根據(jù)不同供應(yīng)商對(duì)模型的使用能力，對(duì)供應(yīng)商進(jìn)行合理的分級(jí)，以區(qū)別其基于模型的研制能力；對(duì)處于不同級(jí)別的供應(yīng)商，授權(quán)使用不同的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，分別以圖紙為中心、以實(shí)體模型為中心、基于模型的定義（MBD）、基于模型的企業(yè)（MBE）四個(gè)層次進(jìn)行分別定義，以層級(jí)化的數(shù)據(jù)授權(quán)和使用方式實(shí)現(xiàn)對(duì)不同技術(shù)水平供應(yīng)商的統(tǒng)一管理，從而是各級(jí)供應(yīng)商對(duì)應(yīng)于其技術(shù)能力高效、穩(wěn)定的承擔(dān)對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品研制工作，大大增強(qiáng)航空產(chǎn)品研制的經(jīng)濟(jì)可承受性。

3.4 基于模型的企業(yè)

基于模型的企業(yè)通過使用制造和過程模型對(duì)企業(yè)的流程進(jìn)行定義、執(zhí)行、控制和管理，應(yīng)用科學(xué)的仿真和分析工具對(duì)產(chǎn)品全生命周期的每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行輔助并決策（如圖5所示），快速減少產(chǎn)品的創(chuàng)新、研發(fā)、制造和支持的成本。

其中基于模型的環(huán)境（MBe）主要用以實(shí)現(xiàn)基于模型的設(shè)計(jì)、仿真與試驗(yàn)等工程研制內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、工藝（裝）、加工裝配、檢測(cè)等信息的高度集成；基于模型的制造（MBm）主要用以實(shí)現(xiàn)基于模型的虛擬制造與產(chǎn)品的實(shí)際制造等內(nèi)容，以重用MBD模型中的相關(guān)信息定義的方式完成諸如數(shù)控NC&CNC程序、3D動(dòng)態(tài)作業(yè)指導(dǎo)書等工藝設(shè)計(jì)；基于模型的支持（MBs）主要用以完成產(chǎn)品交付用戶之后的相關(guān)使用及維護(hù)工作。

以數(shù)據(jù)為核心，運(yùn)用信息化的技術(shù)手段，產(chǎn)品的全生命周期均在基于模型的條件下完成，以系統(tǒng)化和工程化的模式進(jìn)行各部分的銜接和全局串聯(lián)，突破了傳統(tǒng)的研制方法，這就是一種新的航空產(chǎn)品研制模式——基于模型的企業(yè)。

4 結(jié)束語

基于模型的技術(shù)應(yīng)用正在高端裝備制造領(lǐng)域，特別是航空工業(yè)范圍內(nèi)快速滲透和深化，推動(dòng)航空產(chǎn)品的研制方法、手段、過程不斷再造和變革，雖然由于數(shù)據(jù)一致性、工具、軟件、標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)同環(huán)境等方面的不足導(dǎo)致MBE未能全面實(shí)現(xiàn)，但隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展，基于模型的技術(shù)必將引起航空產(chǎn)品全生命周期研制過程的徹底變革，必將導(dǎo)致航空企業(yè)研制模式的根本改變，實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化研制的深刻轉(zhuǎn)變。

圖5 基于模型的企業(yè)典型架構(gòu)

[1]Model Based Enterprise [EB/OL].http://model-based-enterprise.org.

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