MBD技術(shù)在飛機(jī)數(shù)字化制造中的應(yīng)用

MBD技術(shù)在飛機(jī)數(shù)字化制造中的應(yīng)用

吳克祥1，石鑫2,3

(1.池州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系，安徽 池州 247100；2.中航工業(yè)江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 工藝部，江西 南昌 330001；3.沈陽航空航天大學(xué) CAD/CAM研究中心，遼寧 沈陽 110136)

摘要：基于模型定義的MBD數(shù)字化技術(shù)首先在航空制造業(yè)中得到了深入應(yīng)用，對飛機(jī)數(shù)字化生產(chǎn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級意義重大。通過概述MBD技術(shù)的基本概念，闡述了MBD技術(shù)體系的應(yīng)用系統(tǒng)框架，以及MBD技術(shù)在復(fù)合材料、鈑金件以及機(jī)加件方面的內(nèi)容，分析總結(jié)了目前我國MBD技術(shù)應(yīng)用方面所面臨的困境，提出應(yīng)對策略，并展望了未來MBD技術(shù)的發(fā)展趨勢，以期對MBD數(shù)字化技術(shù)樹立正確的認(rèn)識，推動我國在數(shù)字化制造應(yīng)用方面的研究工作。

關(guān)鍵詞：MBD；航空制造；數(shù)字化生產(chǎn)；技術(shù)體系；應(yīng)對策略

作者簡介：吳克祥 (1972-)，男，安徽池州人，講師，從事機(jī)械設(shè)計與制造研究。

中圖分類號：TH161文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0引言

目前，航空領(lǐng)域中大型飛機(jī)的研制是一項周期長、工程任務(wù)艱巨、協(xié)作面廣且管理極為困難的系統(tǒng)工程，世界上僅有美國、歐盟和俄羅斯能夠自主研制大型飛機(jī)。我國于近幾年才真正開始實施大型飛機(jī)的研制工作，這對于實現(xiàn)我國經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級意義重大[1]。

基于模型定義(Model-based Definition, MBD)數(shù)字化技術(shù)，率先在航空飛機(jī)的制造方面得到深入應(yīng)用。2004年，波音公司在波音787飛機(jī)的整個研制過程中，率先使用MBD技術(shù)，基于網(wǎng)絡(luò)建立了關(guān)聯(lián)的單一數(shù)據(jù)的核心流程和體系框架，并用MBD數(shù)據(jù)集定義全部產(chǎn)品信息，完全代替二維工程圖樣，最終形成了完整的MBD設(shè)計制造標(biāo)準(zhǔn)體系，并在全球供應(yīng)商中逐步推廣應(yīng)用此項最新技術(shù)，如圖1所示?？湛凸驹谘兄艫380飛機(jī)的過程中，在基于三維模型定義的基礎(chǔ)上，采用單一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)源用于各協(xié)作環(huán)節(jié)，并建立MBD技術(shù)體系，最終使整個空客公司內(nèi)的數(shù)字化工作走向統(tǒng)一的規(guī)劃設(shè)計、生產(chǎn)制造、控制和管理的正軌。我國一些大型航空制造企業(yè)也已開始了MBD技術(shù)的應(yīng)用研究工作，如中行工業(yè)成飛公司在梟龍飛機(jī)和ARJ21飛機(jī)機(jī)頭的制造過程中就首先應(yīng)用了全數(shù)字量化傳遞的協(xié)調(diào)工作法[2]；另外，在中航商飛C919大型客機(jī)的部分零部件加工制造中也運(yùn)用了MBD數(shù)字化技術(shù)。但整體而言，由于MBD技術(shù)是國外波音飛機(jī)在國內(nèi)的轉(zhuǎn)包生產(chǎn)中進(jìn)入我國航空企業(yè)的，我國數(shù)字化技術(shù)的研究工作起步晚，發(fā)展慢。因此，與國外數(shù)字化制造水平相比，仍存在較大差距，仍需要對MBD技術(shù)體系進(jìn)行不懈探索與深入研究。

圖1　波音GCE全球協(xié)同推廣

1MBD技術(shù)概述

1.1MBD內(nèi)涵[3]

基于模型定義的(Model-Based Definition，MBD)數(shù)字化技術(shù)，是以美國機(jī)械工程師學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)ASME Y14.41-2003中相關(guān)的規(guī)定和CATIA軟件具備的功能為基礎(chǔ)的，將產(chǎn)品的全部相關(guān)工藝描述、屬性、旗注等信息都附著在產(chǎn)品三維模型中的先進(jìn)的數(shù)字化定義技術(shù)。MBD方法是以產(chǎn)品的幾何模型為核心，將需要定義的信息依照模型的形式進(jìn)行組織，是具備三維模型的完整產(chǎn)品定義，包含了對產(chǎn)品幾何形狀信息和非幾何形狀信息的定義，如圖2CATIA定義實例所示。

圖2CATIA定義實例

目前，單純從三維標(biāo)注技術(shù)本身而言，航空企業(yè)已使用的CAD軟件可以滿足產(chǎn)品的三維實體模型的標(biāo)注需求。但是在基于模型圖樣的信息傳遞過程中，不能有效地實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成和共享，也不能大規(guī)模推廣應(yīng)用協(xié)同設(shè)計[4-5]。這樣，CAD軟件所建立的產(chǎn)品三維實體模型，在數(shù)據(jù)傳遞過程中，又不得不經(jīng)常將三維模型轉(zhuǎn)換成二維圖樣進(jìn)行傳遞，勢必造成數(shù)據(jù)傳遞效率低下，影響產(chǎn)品生產(chǎn)。因此，在實施MBD技術(shù)實現(xiàn)更高應(yīng)用水平的數(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)信息傳遞的無紙化過程中，MBD技術(shù)的主導(dǎo)思想就不能只是簡單地將二維圖樣的信息反映到三維模型中，而是要充分利用三維模型所具備的表現(xiàn)力，去探求便于用戶理解且效率更高的設(shè)計信息表達(dá)方式，建立一個面向產(chǎn)品生命周期協(xié)同研制的基于MBD模型的數(shù)字化技術(shù)體系。

1.2MBD數(shù)據(jù)集[6]

MBD數(shù)據(jù)集提供完整的產(chǎn)品信息，集成了原本散布在三維模型和二維傳統(tǒng)工程圖樣中的所有設(shè)計與制造信息，如圖3MBD數(shù)據(jù)集內(nèi)容所示。零件的MBD數(shù)據(jù)集包含實體幾何模型、系統(tǒng)坐標(biāo)、尺寸公差、技術(shù)要求以及材料注釋等其他相關(guān)定義數(shù)據(jù)，依靠一系列的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范將這些信息集成在三維的CAD模型文件中。根據(jù)規(guī)范要求，MBD數(shù)據(jù)集包括精確的實體模型、三維注釋、尺寸標(biāo)注和公差標(biāo)注等信息，來完整定義一個產(chǎn)品的所有要求。這里的三維實體模型及其尺寸和公差標(biāo)注稱作設(shè)計模型，而其他非幾何信息定義在規(guī)范樹中?？偨Y(jié)來說，MBD是一連串基本的數(shù)字化定義活動的最終產(chǎn)物，蘊(yùn)藏在這個產(chǎn)物內(nèi)的，是二維工程圖樣被完整的三維產(chǎn)品模型所取代，不再用來定義和授權(quán)產(chǎn)品的幾何特征。

圖3　MBD數(shù)據(jù)集內(nèi)容

1.3MBD技術(shù)體系的應(yīng)用框架[7]

圖4MBD技術(shù)體系的應(yīng)用關(guān)系

MBD技術(shù)體系是以MBD數(shù)據(jù)集為核心的應(yīng)用體系，通過借助標(biāo)準(zhǔn)管理系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)工藝管理系統(tǒng)、CAD系統(tǒng)、工藝設(shè)計和分析以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等系統(tǒng)，通過MBD數(shù)據(jù)集集成產(chǎn)品的設(shè)計制造信息，并建立的一套基于MBD數(shù)據(jù)集的工藝設(shè)計分析方法和數(shù)據(jù)管理辦體系，如圖4MBD技術(shù)體系的應(yīng)用關(guān)系所示。

從圖4可知，MBD技術(shù)體系以MBD的技術(shù)程序文件體系以及全球協(xié)作環(huán)境(Global Collaboration Environment，GCE)平臺為基礎(chǔ)。其中，MBD技術(shù)程序體系規(guī)范了數(shù)據(jù)的操作要求，而GCE平臺則借助集成產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)管理系統(tǒng)(integrated Product Standards Management，iPSM)、產(chǎn)品多值屬性定義(Multi Value Attribute，MVA)等系統(tǒng)和接口實現(xiàn)了設(shè)計過程中工藝工程人員與設(shè)計人員的數(shù)據(jù)共享。同時，在數(shù)字化設(shè)施的集成應(yīng)用中，運(yùn)用GCE平臺到生產(chǎn)現(xiàn)場的管理系統(tǒng)，基于MBD的產(chǎn)品信息能夠順暢地傳遞到生產(chǎn)和檢測的各個環(huán)節(jié)和設(shè)備中。

MBD技術(shù)用一個集成的三維實體模型來完整表達(dá)產(chǎn)品定義信息，使三維實體模型成為了生產(chǎn)制造過程中的唯一依據(jù)，改變了傳統(tǒng)以工程圖為主要制造依據(jù)、三維實體模型為輔助參考依據(jù)的制造方式。通過把MBD的飛機(jī)數(shù)字化產(chǎn)品定義和協(xié)調(diào)系統(tǒng)、以工藝活動為中心的數(shù)字化工藝數(shù)據(jù)組織與管理系統(tǒng)、數(shù)字化工藝現(xiàn)場應(yīng)用系統(tǒng)和在線數(shù)字化測量系統(tǒng)等各部分有機(jī)整合起來，最終形成了一個完整的基于MBD的飛機(jī)數(shù)字化制造技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)，如圖5所示。PLM(product life management)，即現(xiàn)在航空、機(jī)械等領(lǐng)域提倡的產(chǎn)品全生命周期的管理模式產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息的管理模式。因此，在飛機(jī)制造過程中采用MBD技術(shù)，將徹底改變產(chǎn)品數(shù)據(jù)定義、生成、授權(quán)與傳遞的制造模式，實現(xiàn)三維數(shù)字化定義、三維數(shù)字化工藝開發(fā)和三維數(shù)字化數(shù)據(jù)應(yīng)用，真正實現(xiàn)對飛機(jī)的全生命周期，即從設(shè)計初始到制造，從制造到交付出廠投入使用等飛機(jī)研制全過程的總體管理，使飛機(jī)三維數(shù)字化產(chǎn)品定義、數(shù)字化設(shè)計與預(yù)裝配、三維工藝設(shè)計可視化成為現(xiàn)實。

圖5　基于MBD的飛機(jī)數(shù)字化制造技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)

1.4基于MBD技術(shù)的模型定義

1.4.1飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化定義模型[8-9]

復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化定義過程是基于復(fù)合材料設(shè)計和制造軟件平臺，按照復(fù)合材料逐層疊加的特點(diǎn)，采用數(shù)字化形式對復(fù)合材料構(gòu)件進(jìn)行完整的描述。飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化定義過程包括產(chǎn)品定義、初步設(shè)計、工程詳細(xì)設(shè)計、制造詳細(xì)設(shè)計和制造輸出5個階段。復(fù)合材料構(gòu)件MBD模型的最大特點(diǎn)是對材料鋪層及其成型工藝的描述，鋪層設(shè)計是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)建模的核心，在模型結(jié)構(gòu)規(guī)范樹中專門設(shè)置了堆疊節(jié)點(diǎn)，對鋪層及成型工藝數(shù)據(jù)信息進(jìn)行了詳細(xì)的說明與組織管理。

1.4.2飛機(jī)機(jī)加件數(shù)字化定義模型

飛機(jī)機(jī)加件MBD模型除了包含三維實體幾何信息外，還通過標(biāo)注及屬性參數(shù)數(shù)據(jù)描述的方式完整表達(dá)了加工該零件所需要的所有非幾何信息。機(jī)加零件的結(jié)構(gòu)規(guī)范樹以分類節(jié)點(diǎn)的方式表達(dá)了機(jī)加件的所有幾何與非幾何信息，機(jī)加件一般都由數(shù)控加工實現(xiàn)，因此在其零件說明節(jié)點(diǎn)中詳細(xì)說明了零件加工通用幾何公差要求、精度要求、加工技術(shù)以及表面處理要求等信息。機(jī)加件的MBD模型樣例如圖6所示。

圖6　機(jī)加件的MBD模型樣例

1.4.3飛機(jī)鈑金件數(shù)字化定義模型

飛機(jī)鈑金件MBD模型與機(jī)加件MBD模型類似，圖形區(qū)表達(dá)三維實體幾何信息與非幾何標(biāo)注信息，并通過結(jié)構(gòu)規(guī)范樹的節(jié)點(diǎn)屬性參數(shù)數(shù)據(jù)完整描述了制造該零件所需要的所有非幾何信息。鈑金件一般是薄壁類材料通過各類塑性成形方法制造而成，成形后會保留夾緊用的周邊多余邊角材料，需要進(jìn)行凈邊處理。不同的制造方法具有不同的效果與要求，因此，在設(shè)計時就需要對各類凈邊方法規(guī)定具體工藝要求，并通過MBD模型結(jié)構(gòu)規(guī)范樹的零件說明節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一管理。鈑金件的MBD模型樣例如圖7所示。

圖7　鈑金件的MBD模型樣例

2MBD技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展

2.1波音MBD技術(shù)現(xiàn)狀[10]

20世紀(jì)90年代初，波音公司就在研制波音777飛機(jī)的過程中全面采用了并行工程和數(shù)字化技術(shù)，集中體現(xiàn)在全機(jī)零部件100%的三維數(shù)字化建模以及產(chǎn)品的數(shù)字化預(yù)裝配上面。在隨后的波音787飛機(jī)研制中，波音公司又進(jìn)一步應(yīng)用了基于PLM的全球協(xié)同環(huán)境(Global Collaboration Environment，GCE)，并大規(guī)模推廣應(yīng)用MBD數(shù)字化技術(shù)，使得整個飛機(jī)項目的研發(fā)周期縮短50%，工程返工減少60%，研制成本總體降低35%，更好地提高了客戶的滿意度，為波音贏得了巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。目前在787項目的推動下，整個波音公司及其主要制造商正逐步快速地向MBD制造技術(shù)體系過渡[11]。

2.2國內(nèi)現(xiàn)狀

我國MBD全三維數(shù)字化技術(shù)是從波音公司的轉(zhuǎn)包生產(chǎn)中發(fā)展起來的，相對來說起步較晚。自2007年我國大型飛機(jī)研制重大科技專項正式立項以來，國內(nèi)一些大型航空制造企業(yè)(如中航成飛工業(yè)、洪都航空工業(yè)等)、大型裝配制造企業(yè)(如南車集團(tuán)、北車集團(tuán)等)都已開始了MBD技術(shù)的應(yīng)用研究工作，基于CAD軟件的全三維設(shè)計規(guī)范也在不斷完善，應(yīng)用水平也逐步提高。

3面臨的困境與對策[12]

隨著MBD數(shù)字化制造進(jìn)程的加快，全自動化加工模式正極大地沖擊著傳統(tǒng)設(shè)計制造模式，勢必對以往設(shè)計概念、制造加工標(biāo)準(zhǔn)以及檢測環(huán)節(jié)造成巨大的影響。這樣，要在國內(nèi)全面實施數(shù)字化、自動化制造勢必面臨一定的阻力與困難。結(jié)合實際調(diào)研，分為如下四個方面的內(nèi)容。

3.1缺乏統(tǒng)一的數(shù)字化制造制度與標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)前國內(nèi)航空制造行業(yè)沒有形成統(tǒng)一的數(shù)字化制造標(biāo)準(zhǔn)，即使協(xié)同合作，各企業(yè)部門在協(xié)同工作中聯(lián)系也較少，業(yè)務(wù)權(quán)責(zé)劃分不清，各自仍然持有自行制定的制造標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等，沒有統(tǒng)一的數(shù)字化制造標(biāo)準(zhǔn)，存在的制度標(biāo)準(zhǔn)帶有明顯的行業(yè)色彩，不完善且缺乏統(tǒng)一的MBD標(biāo)注規(guī)范，難以形成統(tǒng)一的MBD技術(shù)體系，勢必不利于MBD技術(shù)的推廣應(yīng)用。這就要求處于制造價值鏈中的企業(yè)加強(qiáng)溝通，協(xié)作開發(fā)，制定出完善的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并輔助開發(fā)完善的CAD三維功能軟件，同時開展設(shè)計制造外的協(xié)同研究，真正實現(xiàn)MBD技術(shù)在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用。

3.2分離設(shè)計與孤島制造矛盾

目前，國內(nèi)大型制造企業(yè)仍然呈現(xiàn)廠所分離狀態(tài)，即設(shè)計與制造分離，劃歸為不同部門管理。這樣造成的后果就是設(shè)計脫離實際加工，實際加工呈現(xiàn)孤島加工模式，最終導(dǎo)致設(shè)計與生產(chǎn)脫節(jié)，生產(chǎn)效率極其低下，也違背了MBD技術(shù)設(shè)計制造一體化的定義。為了改善上述狀況，這就要求加強(qiáng)處于產(chǎn)品設(shè)計制造鏈上的各部門共同組織協(xié)調(diào)，強(qiáng)化設(shè)計制造的聯(lián)系關(guān)系，確保數(shù)字化生產(chǎn)的順利進(jìn)行，確保大飛機(jī)研制工作的順利進(jìn)行。

3.3設(shè)備陳舊

MBD技術(shù)的實施需要先進(jìn)的制造工裝設(shè)備等給予支持，從而使數(shù)字化制造的自動化程度與之相匹配。然而縱觀國內(nèi)現(xiàn)狀，國有大型制造企業(yè)陳舊設(shè)備的保有量仍然十分巨大，更新?lián)Q代進(jìn)展緩慢，大部分加工工作仍然沿用手工操作，這樣導(dǎo)致的結(jié)果就是從一定程度上限制了MBD技術(shù)潛力的挖掘，阻礙了國內(nèi)機(jī)械制造自動化程度的發(fā)展。這方面就需要國家、社會各界給予大力支持，增加設(shè)備與資金投入，淘汰傳統(tǒng)落后設(shè)備，推廣使用先進(jìn)的數(shù)字化設(shè)備，提高新設(shè)備占有率。

3.4缺乏專業(yè)技術(shù)人員

MBD數(shù)字化技術(shù)是設(shè)計制造檢驗一體化的制造加工進(jìn)程，這就需要對應(yīng)的專業(yè)技術(shù)人員與之相匹配，要求這些人員必須具備一定的設(shè)計制造一體化的管理水平和技術(shù)水平。然而，由于我國設(shè)計制造的廠所分離時間較長，設(shè)計人員往往缺乏制造工藝的基本知識，工藝人員也常常缺乏基本的產(chǎn)品設(shè)計判斷與理念，這就給生產(chǎn)帶來極大地負(fù)面影響，不利于實際生產(chǎn)。為此，在實施大飛機(jī)重大專項、推進(jìn)MBD技術(shù)應(yīng)用方面上，要充分利用我國航空工業(yè)現(xiàn)有的基礎(chǔ)，充分調(diào)動科研人員的積極性，培養(yǎng)、吸收、凝聚一大批優(yōu)秀科技人才，特別是產(chǎn)學(xué)研帶頭人，鼓勵他們發(fā)奮圖強(qiáng)，攻克難關(guān)，為國家發(fā)展多做貢獻(xiàn)。

4結(jié)語

MBD是一種全新的、革命性的數(shù)字化定義技術(shù)，它改變了傳統(tǒng)的產(chǎn)品定義模式，實現(xiàn)了基于單一數(shù)據(jù)源的數(shù)字化設(shè)計制造過程，是航空飛機(jī)制造研制的基礎(chǔ)。深入推進(jìn)MBD技術(shù)的研究工作，打破傳統(tǒng)設(shè)計制造壁壘，建立統(tǒng)一的設(shè)計制造標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，推廣應(yīng)用先進(jìn)的MBD數(shù)字化技術(shù)，是促進(jìn)我國科技發(fā)展，帶動國民經(jīng)濟(jì)的重大戰(zhàn)略方針，必將推動我國航空飛機(jī)制造產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品升級。

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[責(zé)任編輯、校對：東艷]

Research on the Application of MBD Technology to

Aeronautical Digital Manufacturing

WUKe-xiang1,SHIXin2, 3

(1. Electromechanical Department, Chizhou Vocational & Technical College, Chizhou 247100, China;

2. Processing Department, AVIC Jiangxi Hongdu Aviation Industry Group Corporation Limited, Nanchang 330001, China;

3. CAD/CAM Research Center, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136, China)

Abstract：MBD (Model-Based Definition) digital technology has obtained further application in aeronautical manufacturing industry, which is of great significance for the digital production structure optimization of the aircraft. Through an overview on basic concepts of MBD technology, the application framework of the MBD technology system is expounded, and content of MBD technology in composite materials, sheet metal parts and machining parts is shown. The dilemma of MBD technology applications that our country faces is summarized, and the coping strategies are presented. Finally, the future development trend of MBD technology is prospected in hopes of deeply promoting the comprehensive application of digital technology in the manufacturing of our school by a full understanding of MBD.

Key words：MBD;aeronautical manufacturing;digital production;technology system;coping strategy