基于模型的企業(yè)（MBE）在航空業(yè)的實(shí)踐與發(fā)展

中航工業(yè)信息技術(shù)中心

金航數(shù)碼科技有限責(zé)任公司 饒有福

隨著全球航空業(yè)的迅速發(fā)展，先進(jìn)航空制造企業(yè)競(jìng)相建立基于模型的技術(shù)理論和應(yīng)用體系來(lái)適應(yīng)現(xiàn)代航空產(chǎn)品研制的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，達(dá)到提高研制效率、質(zhì)量和降低成本的目的?；谀Ｐ偷募夹g(shù)作為設(shè)計(jì)、制造、生產(chǎn)和服務(wù)等一體化研制的新的應(yīng)用手段，將產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和檢測(cè)及服務(wù)等離散的信息進(jìn)行“數(shù)字化”處理，通過(guò)共享的協(xié)同環(huán)境，最終生成能夠指導(dǎo)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)制造、裝配和檢測(cè)工作的數(shù)字化作業(yè)指導(dǎo)書，構(gòu)建單臺(tái)產(chǎn)品BOM，最終形成能夠指導(dǎo)培訓(xùn)、維護(hù)等服務(wù)的數(shù)字化技術(shù)出版物。應(yīng)用基于模型的技術(shù)貫穿產(chǎn)品研制全生命周期過(guò)程，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)，實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)在整個(gè)研制過(guò)程的定義、交換、使用、控制和協(xié)同，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)（Model Based Enterprise，MBE）。MBE是建立在3D產(chǎn)品數(shù)據(jù)定義和共享重用基礎(chǔ)上的全集成和協(xié)同的工作環(huán)境。MBE具有高度的智慧、快速的反應(yīng)能力、優(yōu)良的人機(jī)友好性和知識(shí)共享性，可基于模型進(jìn)行多學(xué)科、跨部門、跨企業(yè)的產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)、制造和管理，支持技術(shù)創(chuàng)新、大或小批量定制和綠色制造。MBE是企業(yè)發(fā)展必然趨勢(shì)，也是數(shù)字化企業(yè)發(fā)展的必經(jīng)階段，更是實(shí)現(xiàn)中國(guó)制造2025的基礎(chǔ)。

基于模型的企業(yè)技術(shù)組成

美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所等機(jī)構(gòu)及美國(guó)軍工制造技術(shù)計(jì)劃認(rèn)同的MBE的一個(gè)描述是：基于產(chǎn)品模型定義（Model Based Definition，MBD）詳細(xì)信息的、并為跨企業(yè)所共享的集成和協(xié)同環(huán)境，目的是使企業(yè)從原理到退役處理的產(chǎn)品全生命周期的所有活動(dòng)快速、無(wú)縫和經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行，核心宗旨是直接用模型驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品生命周期的所有方面，且產(chǎn)品模型一經(jīng)創(chuàng)建就為下游所有數(shù)據(jù)消費(fèi)者重用。MBE是一種制造實(shí)體，它利用產(chǎn)品和過(guò)程模型來(lái)定義、執(zhí)行、控制和管理企業(yè)的全部過(guò)程，采用科學(xué)的模擬與分析工具，從根本上減少產(chǎn)品創(chuàng)新、開發(fā)、制造和支持的時(shí)間和成本。

MBE的組成如圖1（a）所示，在信息標(biāo)準(zhǔn)、基礎(chǔ)設(shè)施和運(yùn)維基礎(chǔ)上，綜合集成與數(shù)據(jù)交換測(cè)試等標(biāo)準(zhǔn)；以產(chǎn)品全生命周期管理為主線，在基于模型的可視化環(huán)境中，按照系統(tǒng)工程的思想開展基于模型的工程（Model-Based Engineering，MBe）、基于模型的數(shù)字化制造（Model Based Manufacturing，MBm）、基于模型的服務(wù)（Model Based Sustainment，MBs）；重點(diǎn)突破工程分析、數(shù)字化制造、長(zhǎng)周期數(shù)據(jù)持有與共享及機(jī)電一體化等技術(shù)，完成產(chǎn)品模型構(gòu)建與定義，建立設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)、質(zhì)量、服務(wù)、采購(gòu)、成本等過(guò)程模型和信息模型；通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)縫傳遞與流轉(zhuǎn)，保證各階段的數(shù)據(jù)預(yù)覽與重用。MBE是數(shù)字化企業(yè)實(shí)現(xiàn)的必經(jīng)階段，也是實(shí)現(xiàn)賽博-物理系統(tǒng)（Cyber-Physical System，CPS）的核心，如圖1（b）所示，實(shí)現(xiàn)模型貫穿需求工程、設(shè)計(jì)工程、制造工程、試驗(yàn)工程、生產(chǎn)工程、產(chǎn)品驗(yàn)證與綜合確認(rèn)，最終完成產(chǎn)品生命周期和生產(chǎn)生命周期的融合。

基于模型的企業(yè)技術(shù)架構(gòu)試點(diǎn)應(yīng)用

中航工業(yè)信息技術(shù)中心（金航數(shù)碼）與四川成發(fā)航空科技股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱成發(fā)）根據(jù)MBE組成，結(jié)合企業(yè)需求與產(chǎn)品特點(diǎn)，開展MBE項(xiàng)目建設(shè)與試點(diǎn)應(yīng)用。MBE的技術(shù)架構(gòu)見(jiàn)圖2，重點(diǎn)建設(shè)的內(nèi)容有基于模型的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析應(yīng)用、零件工藝、裝配工藝、工裝設(shè)計(jì)、作業(yè)指導(dǎo)書、制造執(zhí)行、檢測(cè)檢驗(yàn)，數(shù)字化服務(wù)管理及標(biāo)準(zhǔn)定義共十大部分，虛線框圖內(nèi)容未納入本期建設(shè)。

（1）基于模型的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。開展MBD設(shè)計(jì)輔助工具的開發(fā)與應(yīng)用，建立數(shù)字化設(shè)計(jì)資源庫(kù)（標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)、材料庫(kù)、元器件庫(kù)、典型零件庫(kù)等），統(tǒng)一設(shè)計(jì)工具和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)，保證設(shè)計(jì)模型的規(guī)范化，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的質(zhì)量，為下游各階段的數(shù)據(jù)復(fù)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。將設(shè)計(jì)工具與PDM（Product Data Management）系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)MBD數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理。

（2）基于模型的分析應(yīng)用。通過(guò)PDM與任務(wù)和分析工具集成，設(shè)計(jì)員可基于任務(wù)開展設(shè)計(jì)分析，完成模型簽出、分析模型構(gòu)建、有限元計(jì)算以及多物理場(chǎng)的仿真分析，得到相應(yīng)的分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)分析報(bào)告快捷創(chuàng)建，將分析結(jié)果與報(bào)告返回PDM統(tǒng)一管理，并與構(gòu)型關(guān)聯(lián)保證可追溯。

圖1 MBE的構(gòu)成與外延關(guān)聯(lián)

圖2 成發(fā)基于模型的企業(yè)技術(shù)架構(gòu)

（3）基于模型的零件、裝配工藝。開展MBD工藝設(shè)計(jì)輔助工具的開發(fā)與應(yīng)用，建立三維數(shù)字化工藝資源庫(kù)，統(tǒng)一工藝設(shè)計(jì)工具和標(biāo)準(zhǔn)，完成PDM與工藝設(shè)計(jì)與仿真工具集成，實(shí)現(xiàn)繼承和復(fù)用MBD設(shè)計(jì)模型，開展零件和裝配工藝的規(guī)劃與仿真，在PDM內(nèi)統(tǒng)一管理。

（4）基于模型的工裝設(shè)計(jì)。開展工裝快速設(shè)計(jì)工具開發(fā)與應(yīng)用，建立工裝分類與資源庫(kù)，統(tǒng)一工裝設(shè)計(jì)工具與標(biāo)準(zhǔn)，與PDM集成，實(shí)現(xiàn)復(fù)用MBD模型快速開展工裝設(shè)計(jì)，在PDM內(nèi)完成工裝設(shè)計(jì)活動(dòng)的管控與工裝數(shù)據(jù)管理。

（5）基于模型的作業(yè)指導(dǎo)書。應(yīng)用輕量化工具，引入3D PDF展示工具，從PDM內(nèi)直接將結(jié)構(gòu)化工藝數(shù)據(jù)生成3D PDF文件與結(jié)構(gòu)化展示兩種形式，可直接推送至車間進(jìn)行展示。

（6）基于模型的制造執(zhí)行。通過(guò)引入EWI工具，直接從PDM內(nèi)提取基于模型的作業(yè)指導(dǎo)，進(jìn)行車間展示（含3D PDF和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)兩種形式），實(shí)現(xiàn)基于模型的制造執(zhí)行?？筛鶕?jù)PDM的版本有效性，在車間展示有效數(shù)據(jù)指導(dǎo)車間生產(chǎn)。

（7）基于模型的檢測(cè)檢驗(yàn)。引入MBD數(shù)字化檢測(cè)輔助工具并與PDM集成，實(shí)現(xiàn)基于MBD的標(biāo)注信息，自動(dòng)提取產(chǎn)品特征，基于特征快速實(shí)現(xiàn)檢測(cè)規(guī)劃與代碼生成，開展檢測(cè)路徑仿真驗(yàn)證，生成檢測(cè)的DMIS執(zhí)行文件；將DMIS文件傳入后置處理環(huán)境，生成檢測(cè)機(jī)床可用的檢測(cè)代碼，驅(qū)動(dòng)機(jī)床進(jìn)行基于模型的生產(chǎn)檢測(cè)；完成檢測(cè)報(bào)告與檢測(cè)結(jié)果對(duì)比分析。最終在PDM內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)代碼、檢測(cè)質(zhì)量報(bào)告的統(tǒng)一管理。

（8）基于模型的數(shù)字化服務(wù)管理。開展MBD數(shù)字化服務(wù)輔助工具的開發(fā)與應(yīng)用，基于模型特征生成三維電子技術(shù)手冊(cè)，為成發(fā)零部件售后服務(wù)提供準(zhǔn)確有效的技術(shù)支持，完成設(shè)計(jì)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)向服務(wù)領(lǐng)域的傳遞；在三維環(huán)境中，準(zhǔn)確生動(dòng)地描述數(shù)字化服務(wù)過(guò)程，提供便捷的培訓(xùn)、維護(hù)工具與指導(dǎo)文件和環(huán)境。

（9）標(biāo)準(zhǔn)定義。結(jié)合國(guó)內(nèi)外MBD標(biāo)準(zhǔn)，參考發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)已有標(biāo)準(zhǔn)，編制MBE/MBD的設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的操作和指導(dǎo)手冊(cè)，貫穿設(shè)計(jì)、工藝、制造與維護(hù)等各階段，用于支持產(chǎn)品的全生命周期業(yè)務(wù)開展與數(shù)據(jù)應(yīng)用。最終建立MBE/MBD的設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。

結(jié)束語(yǔ)

中航工業(yè)信息技術(shù)中心（金航數(shù)碼）與成發(fā)于2014年10月開展基于模型的企業(yè)的項(xiàng)目，以某型發(fā)動(dòng)機(jī)典型零組件（簡(jiǎn)稱試點(diǎn)零組件）為試點(diǎn)，應(yīng)用打通基于MBE的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝、制造、檢測(cè)和服務(wù)全過(guò)程，提升試點(diǎn)零組件的研發(fā)和制造水平，為實(shí)現(xiàn)基于MBE的航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制奠定基礎(chǔ)。目前系統(tǒng)已于2015年6月底上線運(yùn)行。該系統(tǒng)在試點(diǎn)零組件的運(yùn)行結(jié)果表明，在MBE建設(shè)中，已突破了基于模型的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析應(yīng)用、零件工藝、裝配工藝、工裝設(shè)計(jì)、作業(yè)指導(dǎo)書、制造執(zhí)行、檢測(cè)檢驗(yàn)、數(shù)字化服務(wù)管理等各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，取得了良好的應(yīng)用效果。同時(shí)，結(jié)合企業(yè)需要，已經(jīng)編制或修訂了MBD標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范10多項(xiàng)。

基于當(dāng)前試點(diǎn)應(yīng)用效果，MBE需要進(jìn)一步全面開展工程化應(yīng)用。下一步需要加強(qiáng)基于模型的系統(tǒng)工程和知識(shí)工程建設(shè)并與現(xiàn)有的MBE環(huán)境進(jìn)行融合，同時(shí)與企業(yè)的管理環(huán)境進(jìn)行有效融合，實(shí)現(xiàn)真正的MBE并邁向中國(guó)制造2025。