基于MBD技術(shù)的設(shè)計制造并行協(xié)同新模式探索與實踐

（中航工業(yè)西安飛機分公司，西安 710089）

數(shù)字化制造技術(shù)在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，飛機的研發(fā)、制造方式也在發(fā)生很大的變化。新飛機工程全面應(yīng)用MBD技術(shù)，采用多廠所異地協(xié)同的研制模式，為航空產(chǎn)業(yè)的跨越發(fā)展提供了難得的機遇。

基于MBD 的數(shù)字化研制技術(shù)體系

MBD（Model-Based Definition）技術(shù)即基于模型的定義，該技術(shù)將三維設(shè)計信息、三維制造信息和產(chǎn)品管理信息共同定義到產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型中[1-3]，實現(xiàn)面向制造的設(shè)計。

基于MBD 的數(shù)字化研制技術(shù)體系如圖1所示。在基于MBD 的數(shù)字化研制技術(shù)體系中，采用數(shù)字化三維實體模型完整地表達產(chǎn)品的全部信息,故MBD模型是產(chǎn)品制造過程中各環(huán)節(jié)需要執(zhí)行的唯一標準。因而建立基于MBD的數(shù)字化定義標準和數(shù)字化協(xié)調(diào)標準是該體系的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建產(chǎn)品三維數(shù)字化設(shè)計模型和三維數(shù)字化工藝模型，基于MBD的產(chǎn)品設(shè)計和工藝設(shè)計是該體系的關(guān)鍵?；贛BD的制造技術(shù)、基于MBD的裝配技術(shù)、基于MBD的檢測技術(shù)是MBD技術(shù)應(yīng)用的核心。

飛機研制中MBD應(yīng)用優(yōu)勢

MBD技術(shù)使用以三維數(shù)字化模型為核心的設(shè)計制造信息傳遞模式，故MBD模型是產(chǎn)品制造過程中唯一的依據(jù)，零件加工、組部件裝配、測量和檢驗等工作以此為基礎(chǔ)展開。因此MBD技術(shù)能更準確、更直接地反映設(shè)計者的設(shè)計意圖，同時打破了設(shè)計、制造壁壘，其設(shè)計、制造特征能夠方便地被其他人員所理解[4]?；贛BD的數(shù)字化技術(shù)將成為新一代飛機研制的主流，這將促進數(shù)字化技術(shù)在飛機研制中的應(yīng)用，為航空制造企業(yè)帶來管理上和效率上的飛躍。應(yīng)用優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）提高設(shè)計制造效率，縮短研制周期。傳統(tǒng)的產(chǎn)品研發(fā)模式是設(shè)計部門繪制二維工程圖紙，將產(chǎn)品設(shè)計意圖通過圖紙和技術(shù)文件的形式傳遞給工藝部門，工藝部門依據(jù)設(shè)計圖紙和技術(shù)文件表達的信息編制工藝規(guī)程，并通過工藝文件等資料將工藝信息傳遞給工裝設(shè)計部門，工裝設(shè)計部門依據(jù)工藝要求設(shè)計工裝，并把工裝設(shè)計信息通過圖紙傳遞給制造部門。基于MBD的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用以后，工藝、工裝、制造和檢驗等專業(yè)技術(shù)人員提前介入設(shè)計階段，在同一個產(chǎn)品模型上協(xié)同工作，并實現(xiàn)有效的溝通[5]，為提高設(shè)計質(zhì)量、縮短研制周期提供了組織保證。

（2）全面推動我國航空數(shù)字化設(shè)計技術(shù)跨越式發(fā)展。MBD是一種超越二維工程圖實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)字化定義的新方法，將傳統(tǒng)的二維設(shè)計轉(zhuǎn)化為全三維設(shè)計，設(shè)計意圖直觀表現(xiàn)，可直接應(yīng)用于后續(xù)的仿真與分析，簡化分析建模，減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，保證設(shè)計數(shù)據(jù)唯一性，提高制造效率和產(chǎn)品質(zhì)量，是飛機數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)[6]?；贛BD的三維數(shù)字化協(xié)調(diào)建模、三維工藝仿真設(shè)計、三維虛擬裝配等技術(shù)將成為飛機研制的新方式，在降低研制成本、提高研制速度方面發(fā)揮更大的優(yōu)勢[7]。

（3）提高信息傳遞的準確性及可讀性。產(chǎn)品設(shè)計需要反復(fù)修改，不斷優(yōu)化，所以產(chǎn)品版本會伴隨設(shè)計過程的進行而發(fā)生動態(tài)變化。基于MBD的數(shù)字化產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)管理、數(shù)據(jù)管理體系能實現(xiàn)對動態(tài)數(shù)據(jù)的有效管理，能提高信息傳遞的準確性，同時也大大提高了信息傳遞的效率，使使用者能夠更加直觀、準確地獲取生產(chǎn)檢驗的信息[8]。

（4）為飛機設(shè)計、制造過程的流程設(shè)計奠定基礎(chǔ)。正是MBD技術(shù)具有強大的數(shù)據(jù)規(guī)劃能力，使得基于MBD技術(shù)的飛機研制更加方便利用信息化手段實施流程管理，基于流程開展飛機研制工作，使得飛機研制過程規(guī)范、可控。

圖1 基于MBD的數(shù)字化研制技術(shù)體系Fig.1 Digital development technology system based on MBD

基于MBD的數(shù)字化技術(shù)在大飛機研制中的應(yīng)用與實施

大飛機的研制應(yīng)用并行工程，采用的是各單位協(xié)同合作的設(shè)計制造方式。大飛機項目研制時間緊、技術(shù)攻關(guān)任務(wù)艱巨 ，為保證該項目的順利完成，在設(shè)計和制造過程中，要求建立全面的數(shù)字化設(shè)計和制造體系，并強調(diào)MBD技術(shù)的在設(shè)計、制造過程中的實際應(yīng)用[9-10]。

1 主要關(guān)鍵技術(shù)

（1）基于MBD的數(shù)字化異地協(xié)同設(shè)計技術(shù)。協(xié)同設(shè)計是一種高質(zhì)量、高效率的產(chǎn)品設(shè)計方法，處在不同地域的同一個項目組里的設(shè)計、制造人員在統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)平臺上,分別承擔各自的設(shè)計任務(wù),并行交互地開展設(shè)計工作,共同完成設(shè)計目標。統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同平臺的建立是開展數(shù)字化異地協(xié)同設(shè)計的基礎(chǔ)。

（2）基于MBD的數(shù)字化工藝設(shè)計技術(shù)。基于MBD數(shù)字化工藝設(shè)計技術(shù)是MBD技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。飛機零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝特殊，由三維工藝數(shù)模和詳細的工藝方案生成工序數(shù)模是目前工藝設(shè)計的難點。

（3）基于MBD的數(shù)字化產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)管理、數(shù)據(jù)管理技術(shù)。產(chǎn)品設(shè)計需要反復(fù)修改，不斷優(yōu)化，所以產(chǎn)品版本會伴隨設(shè)計過程的進行而發(fā)生動態(tài)變化。基于MBD的數(shù)字化產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)管理、數(shù)據(jù)管理體系要能實現(xiàn)對動態(tài)數(shù)據(jù)的有效管理。

（4）三維模型屬性與二維圖簽自動關(guān)聯(lián)生成技術(shù)。傳統(tǒng)的產(chǎn)品研發(fā)模式是設(shè)計部門繪制二維工程圖紙，將產(chǎn)品設(shè)計意圖通過圖紙和技術(shù)文件的形式傳遞給工藝部門，工藝部門依據(jù)設(shè)計圖紙和技術(shù)文件表達的信息編制工藝規(guī)程，并通過工藝文件等資料將工藝信息傳遞給工裝設(shè)計部門，工裝設(shè)計部門依據(jù)工藝要求設(shè)計工裝，并把工裝設(shè)計信息通過圖紙傳遞給制造部門?；贛BD的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用以后，審簽過程由二維圖紙的審查轉(zhuǎn)變?yōu)榛谀Ｐ偷娜S數(shù)模的審查，因而需要開展三維模型屬性與二維圖簽自動關(guān)聯(lián)生成技術(shù)的研究。

2 技術(shù)攻關(guān)應(yīng)用實踐

2.1 軟硬件環(huán)境建設(shè)

按照MBD技術(shù)要求對設(shè)計提出工藝、檢驗三維標注信息需求，進行三維標注的數(shù)模工藝、檢驗、信息補充定義，開展設(shè)計制造協(xié)同并行工作。

2.2 總體規(guī)劃

進行制度規(guī)范建設(shè)文件、人員培訓(xùn)、產(chǎn)品檢測驗收方案總體規(guī)劃。具體包含以下工作： （1）分析MBD技術(shù)條件下工藝技術(shù)管理總體框架及管理要求，明確工藝系統(tǒng)技術(shù)管理規(guī)范項目； （2）分析裝配指令（AO）與制造指令（FO）的編制及管理要求，研究設(shè)計模型信息提取方法；（3）分析產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)管理、構(gòu)型管理要求； （4）分析數(shù)模及技術(shù)文件的接收、發(fā)放等數(shù)據(jù)管理要求；（5）研究三維模型屬性定義技術(shù)、屬性提取技術(shù)、對象定位技術(shù)以及二維圖紙打印布局技術(shù)； （6）明確產(chǎn)品檢查驗收、過程控制管理制度及相關(guān)體系文件； （7）組織對工藝、檢驗、生產(chǎn)等相關(guān)人員進行MBD 技術(shù)培訓(xùn)。

2.3 應(yīng)用實施

MBD 技術(shù)在大飛機研制中的應(yīng)用，具體包含以下內(nèi)容：（1）軟、硬件環(huán)境建設(shè)實施完成，配套到位； （2）完成協(xié)同平臺建設(shè)、CAPP系統(tǒng)開發(fā)，如圖2所示； （3）選取典型部件完成協(xié)同平臺系統(tǒng)運行測試； （4）完成制造數(shù)據(jù)管理、檢驗計劃編制、CAPP系統(tǒng)運行測試； （5）完成大飛機典型部件制造、裝配完整流程； （6）完成管理規(guī)范體系文件編制及在飛機研制中的應(yīng)用，并形成制造、檢驗技術(shù)體系和數(shù)據(jù)管理、標準規(guī)范體系（圖3）。

圖2 設(shè)計制造之間的產(chǎn)品設(shè)計協(xié)同F(xiàn)ig.2 Product design collaboration of design & manufacturing

圖3 機械產(chǎn)品三維數(shù)字化設(shè)計與管理標準體系框架Fig.3 Framework of 3D digital design and management standard system for mechanical products

飛機設(shè)計、制造協(xié)同現(xiàn)狀及分析

近幾年，MBD技術(shù)的應(yīng)用使得飛機研制串行的工作模式向設(shè)計、制造協(xié)同并行的工作模式轉(zhuǎn)變，便利了多廠所聯(lián)合研制模式的推進，大大縮短了飛機研制周期。技術(shù)上，設(shè)計階段實施了成熟度管理理念，工藝基于成熟度提前開展了相關(guān)工藝準備工作，采購訂單提前下達、工裝制造提前進行；管理上，采用一所多廠聯(lián)合研制，基本實現(xiàn)了主制造商管控、多家供應(yīng)商集優(yōu)勢技術(shù)、設(shè)施及設(shè)備資源參與研制的協(xié)同模式。

目前正在生產(chǎn)的飛機雖然采用了設(shè)計、制造一體化協(xié)同的研制模式，但仍然存在很大不足，主要體現(xiàn)在以下兩個方面。

（1）設(shè)計、制造并行的深度不夠。雖然工藝參與到了設(shè)計環(huán)節(jié)中，但由于設(shè)計、制造沒有形成有機的整體，缺少統(tǒng)一的調(diào)度、協(xié)調(diào)，所以設(shè)計、制造的工作相對獨立，且工藝參與的過程中，零件制造單位和裝配單位缺乏統(tǒng)一協(xié)調(diào)，因此設(shè)計并未實現(xiàn)真正意義上面向制造的設(shè)計。工藝準備仍在設(shè)計正式發(fā)圖后反復(fù)修改，存在的較大采購風(fēng)險、工裝制造投入風(fēng)險等增加研制成本、阻礙飛機研制的不利因素。

（2）一所多廠的聯(lián)合并行程度不夠。盡管在新機研制中進行了主制造商、機體制造商的工作分工，只是實現(xiàn)了項目的集中管控，但在技術(shù)層面上仍然是相對獨立的，并未達到技術(shù)的集中管控，因此在技術(shù)要求、質(zhì)量控制、成本控制等方面并未達到真正的統(tǒng)一、協(xié)調(diào)控制。

以上問題的存在影響了設(shè)計、制造一體化協(xié)同的深度和廣度，究其原因是各自的工作相對獨立，沒有制定合理的流程進行流程驅(qū)動，缺乏有機的團隊組織進行統(tǒng)一管控協(xié)調(diào)及決策執(zhí)行。

基于流程驅(qū)動的設(shè)計、制造一體化模式

借鑒波音、空客的先進設(shè)計、制造協(xié)同的理念，推行適用于飛機新機研制的新模式。近兩年來，中航飛機西安飛機分公司與中航飛機研發(fā)中心傾力打造了設(shè)計、制造一體化平臺，在飛機研制中建立了一套集中管控的管理體系，將新機研制的設(shè)計、制造一體化模式推向了深處。

（1）搭建設(shè)計、制造一體化平臺，深度推進設(shè)計、制造并行。為深度推進設(shè)計、制造并行，中航飛機研發(fā)中心與西安飛機分公司聯(lián)合搭建了設(shè)計、制造一體化平臺，平臺構(gòu)建按飛機設(shè)計成熟度分別實施，既能滿足設(shè)計成熟度階段的嚴格并行，又能保障設(shè)計發(fā)圖后的審簽數(shù)據(jù)有效傳遞。平臺業(yè)務(wù)構(gòu)架如圖4所示。

圖4 設(shè)計、制造一體化平臺業(yè)務(wù)構(gòu)架Fig.4 Design and manufacturing integration platform business architecture

設(shè)計、制造共用設(shè)計協(xié)同平臺及VPM系統(tǒng)，可實時開展設(shè)計、制造并行工作。并行協(xié)同工作階段嚴格按照設(shè)計成熟度對設(shè)計轉(zhuǎn)段的設(shè)計數(shù)模進行工藝評審，確保設(shè)計滿足制造開展相關(guān)工作的要求。

在設(shè)計成熟度階段，制造即可在VPM系統(tǒng)中完成相關(guān)工藝工作（如初步工藝路線的劃分、工藝數(shù)據(jù)設(shè)計、工裝數(shù)據(jù)設(shè)計），也可在工藝DELMIA系統(tǒng)中并行開展工藝準備工作，其中VPM系統(tǒng)數(shù)據(jù)可實時向DELMIA系統(tǒng)中推送，工藝在DELMIA系統(tǒng)中實時修改工藝設(shè)計工作。

在設(shè)計發(fā)放審簽數(shù)模后，工藝在DELMIA系統(tǒng)中只需對相關(guān)工藝工作進行校核、確認，達到設(shè)計發(fā)圖時工藝準備工作也基本結(jié)束的目的，大大減少了工藝準備時間，極大縮短了飛機研制的準備周期。

（2）貫徹模塊化思想，實現(xiàn)單一數(shù)據(jù)管理。飛機零件數(shù)量多，連接關(guān)系復(fù)雜，飛機數(shù)據(jù)基本是EBOM、PBOM、MBOM的管理模式。數(shù)據(jù)傳遞環(huán)節(jié)多，這不利于數(shù)據(jù)傳遞的及時性、準確性、完整性，也給制造數(shù)據(jù)和設(shè)計數(shù)據(jù)的符合性校核帶來了很大的難度。貫徹模塊化思想后，設(shè)計數(shù)據(jù)完全參照飛機的實際裝配占位、裝配流程進行劃分，制造環(huán)節(jié)避免了工藝組合件的產(chǎn)生。對設(shè)計系統(tǒng)改進后，工藝路線分工人員直接在設(shè)計EBOM上進行零組件及部件的制造分工劃分，從而取消了PBOM。

另外由于設(shè)計模塊和飛機的實際裝配流程高度吻合，工藝只需基于設(shè)計EBOM進行相關(guān)的工藝設(shè)計工作，基本不對設(shè)計EBOM數(shù)據(jù)進行調(diào)整，減少了工藝對設(shè)計數(shù)據(jù)的組合。取消了PBOM、工藝組合件，達到了制造數(shù)據(jù)與設(shè)計數(shù)據(jù)的統(tǒng)一，也就達到了單一數(shù)據(jù)源管理的目的。

表1 IPT人員組成及職責(zé)分工

（3）搭建強有力的研發(fā)組織團隊，明確責(zé)任。某飛機作為一項全新設(shè)計的飛機型號，實行高度并行的產(chǎn)品研發(fā)及多機體供應(yīng)商生產(chǎn)模式，通過信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及數(shù)字化技術(shù)，采取基于MBD的產(chǎn)品設(shè)計、制造方法，采用以數(shù)字量為主的數(shù)字化協(xié)調(diào)、制造與管理技術(shù)，以實現(xiàn)低成本、大批量全球銷售的目的。為確保飛機研發(fā)工作的高質(zhì)量、高效率，保證整個型號的技術(shù)協(xié)調(diào)管控能力，保障產(chǎn)品聯(lián)合定義和現(xiàn)場研制工作的順利開展，項目成立設(shè)計、制造IPT工作團隊，全面負責(zé)飛機研發(fā)過程中的設(shè)計、制造技術(shù)工作。其組織架構(gòu)圖及分工如圖5所示，人員組成及職責(zé)分工如表1所示。

另外，西飛公司作為主制造商，IPT中又按部件設(shè)立了主任師、主管師，其中主任師全權(quán)負責(zé)該部件的技術(shù)、質(zhì)量等相關(guān)工作，主管師輔助具體執(zhí)行，既能保障并行協(xié)同工作進度，又能保障協(xié)同工作質(zhì)量。

結(jié)束語

隨著MBD技術(shù)在實際生產(chǎn)中的深入應(yīng)用，MBD技術(shù)環(huán)境下的三維數(shù)字化制造技術(shù)管理體系基本建立，飛機數(shù)字化設(shè)計、制造應(yīng)用的一體化模式基本實現(xiàn)。隨著數(shù)據(jù)平臺技術(shù)、PDM 技術(shù)、數(shù)據(jù)成熟度定義技術(shù)、協(xié)同設(shè)計技術(shù)、模擬和仿真技術(shù)、業(yè)務(wù)流程再造（BPR）、全面質(zhì)量管理（TQC）、供應(yīng)鏈管理（SCM）、學(xué)習(xí)型組織、精益生產(chǎn)、敏捷制造等先進技術(shù)和管理理念的成熟應(yīng)用，設(shè)計制造并行協(xié)同的研制新模式必將促進飛機研制能力的大幅提升。

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