面向船舶制造的MBD技術(shù)應(yīng)用分析

王 康，郭瑞振，杜福洲

(北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191)

0 引 言

船舶制造是典型的大型裝備制造行業(yè)，代表一個(gè)國(guó)家的綜合經(jīng)濟(jì)實(shí)力和技術(shù)實(shí)力。隨著我國(guó)船舶制造業(yè)數(shù)字化技術(shù)的迅速發(fā)展，以二維圖紙為主的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)制造模式已無(wú)法適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的要求，以三維建模為基礎(chǔ)的數(shù)字化技術(shù)成為船舶制造發(fā)展的重要方向?；谀Ｐ投x(Model Based Definition，MBD)技術(shù)是將產(chǎn)品的所有相關(guān)工藝描述、屬性、管理等信息都附著在產(chǎn)品三維模型中的先進(jìn)數(shù)字化定義方法。

MBD技術(shù)概念的提出及相應(yīng)規(guī)范的建立已經(jīng)面世多年，起源于波音公司，并在國(guó)外眾多企業(yè)中得到應(yīng)用。2003年，美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)起草第一份標(biāo)準(zhǔn)ASME Y14.41-2003；2006年，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)ISO 16792-2006；2009年，中國(guó)制定《技術(shù)產(chǎn)品文件數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則：GB/T 24734—2009》11項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。MBD規(guī)范起源于航空制造業(yè)，在船舶制造業(yè)中應(yīng)用MBD技術(shù)，需要考慮船舶制造的特點(diǎn)，開(kāi)展MBD技術(shù)應(yīng)用研究。劉雪梅[1]認(rèn)為我國(guó)造船工業(yè)正在進(jìn)入設(shè)計(jì)制造一體化階段，殼舾分離及舾裝的單元化和功能模塊化是當(dāng)代造船技術(shù)的發(fā)展方向；孫少文等[2]對(duì)上海外高橋造船有限公司產(chǎn)品現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研，利用MBD技術(shù)對(duì)產(chǎn)品傳統(tǒng)工藝進(jìn)行改進(jìn)，并指出MBD技術(shù)能夠通過(guò)數(shù)據(jù)集成模型使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造更加精確；周剛[3]搭建基于MBD的船用柴油機(jī)關(guān)鍵件集成式工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)集成式的結(jié)構(gòu)化工藝路線設(shè)計(jì)與工序模型的快速匹配生成及工藝資源的優(yōu)化匹配等；羅金等[4]針對(duì)船舶隔艙分段進(jìn)行工藝流程設(shè)計(jì)和優(yōu)化，進(jìn)而完成三維工藝文檔的設(shè)計(jì)，有效提升船舶的建造效率和質(zhì)量。

1 基于MBD的船舶三維數(shù)據(jù)集應(yīng)用框架研究

將設(shè)計(jì)、工藝、檢測(cè)等信息定義在三維模型中，可實(shí)現(xiàn)以三維模型為唯一數(shù)據(jù)源的船舶產(chǎn)品全生命周期管理?；贛BD的船舶三維數(shù)據(jù)集應(yīng)用框架如圖1所示。

圖1 基于MBD的船舶三維數(shù)據(jù)集應(yīng)用框架

該應(yīng)用框架包含數(shù)據(jù)集定義層、制造需求表達(dá)層和制造業(yè)務(wù)邏輯層。數(shù)據(jù)集定義層是基礎(chǔ)，建立完整的數(shù)據(jù)集模型，覆蓋設(shè)計(jì)、工藝、制造等數(shù)據(jù)，并能充分表達(dá)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)需求，包括設(shè)計(jì)定義數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、安裝裝配信息、施工信息、質(zhì)量檢測(cè)信息等，為產(chǎn)品生命周期內(nèi)的各個(gè)環(huán)節(jié)提供完善的指導(dǎo)。制造需求表達(dá)層將制造各環(huán)節(jié)中的各類數(shù)據(jù)傳遞給下游，使之有效利用這些信息。制造業(yè)務(wù)邏輯層結(jié)合具體的數(shù)據(jù)集傳遞與存取技術(shù)路線，基于方便、快捷、準(zhǔn)確的原則給應(yīng)用框架的使用者設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)流程方案，并以交互界面的形式展現(xiàn)出來(lái)。通過(guò)該應(yīng)用框架可將船舶制造中的各類數(shù)據(jù)整合成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)集，并基于各項(xiàng)技術(shù)與業(yè)務(wù)操作流程，使得數(shù)據(jù)的流動(dòng)更為順暢，減少三維數(shù)據(jù)源與二維數(shù)據(jù)源并存導(dǎo)致的各類問(wèn)題，提高船舶制造的效率。

2 數(shù)據(jù)集定義

MBD數(shù)據(jù)集是完整定義產(chǎn)品的數(shù)據(jù)集合，集成幾何信息及原來(lái)見(jiàn)于傳統(tǒng)圖樣上的公差、標(biāo)識(shí)注解和文本類的非幾何信息，并以規(guī)范形式將上述信息定義在三維模型中。以船舶制造中最為重要的船體和舾裝為例，提出數(shù)字化定義的規(guī)范形式，將二維圖紙與三維模型中的信息以一定原則進(jìn)行細(xì)化，構(gòu)建船舶分專業(yè)MBD數(shù)據(jù)集。

2.1 船體部件MBD數(shù)據(jù)集定義

船體部件包括鈑金件和型材等，其中鈑金件MBD要求由軋壓成型、液壓成型、蠕變成型的鈑金零件定義要求。對(duì)零部件的焊接要求可用如下兩種方法之一進(jìn)行定義。

(1) 通過(guò)焊接連接的產(chǎn)品零部件幾何模型必須是產(chǎn)品的精確模型而不包含焊接所增加的材料；應(yīng)使用零部件注釋或者特征說(shuō)明注釋加標(biāo)識(shí)注解的方式來(lái)描述焊接工藝的要求；在注釋的材料說(shuō)明中必須指定焊接材料。

(2) 在零部件中說(shuō)明焊接要求，通過(guò)焊接后零部件來(lái)定義焊接的要求，用以說(shuō)明若干焊接中間狀態(tài)零部件的焊接連接規(guī)則。

如表1所示，船體部件數(shù)據(jù)集分為3組，分別為設(shè)計(jì)模型、工藝信息和組立定義信息，采用尺寸公差標(biāo)注、標(biāo)識(shí)注解、工藝注釋、標(biāo)準(zhǔn)信息注釋等形式進(jìn)行表達(dá)。

2.2 舾裝部件MBD數(shù)據(jù)集定義

舾裝是泛指在各個(gè)生產(chǎn)階段的安裝工程，涵蓋設(shè)備、管系、通風(fēng)、電氣、鐵舾、內(nèi)舾等各個(gè)方面?，F(xiàn)代船舶舾裝部件生產(chǎn)以模塊化、單元化的方式進(jìn)行，因此，舾裝部件的MBD數(shù)據(jù)集除了包含基本的設(shè)計(jì)信息，還應(yīng)當(dāng)包含模塊信息和安裝信息等，如表2所示。

當(dāng)前，舾裝部件模塊化生產(chǎn)工藝獲得廣泛的應(yīng)用。大型船舶的舾裝部件根據(jù)專業(yè)劃分不同，分為不同的邏輯模塊與空間模塊。在設(shè)計(jì)階段，需要將這些不同的模塊進(jìn)行劃分，并定義舾裝模塊單元作業(yè)流程[5]，如圖2所示。

表1 船體部件MBD數(shù)據(jù)集

表2 舾裝部件MBD數(shù)據(jù)集

圖2 舾裝模塊化作業(yè)流程

3 需求表達(dá)與數(shù)據(jù)管理

在實(shí)際應(yīng)用中，需要運(yùn)用第2節(jié)中的定義規(guī)則，對(duì)三維設(shè)計(jì)模型進(jìn)行標(biāo)注，并定義數(shù)據(jù)集關(guān)聯(lián)與傳遞規(guī)則，方便下游的制造、檢測(cè)人員使用。以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)結(jié)點(diǎn)為核心，基于二次開(kāi)發(fā)技術(shù)設(shè)計(jì)高效的船舶MBD數(shù)據(jù)集關(guān)聯(lián)與傳遞規(guī)則，提高數(shù)據(jù)集流動(dòng)的效率和準(zhǔn)確性。

3.1 數(shù)據(jù)集層級(jí)關(guān)系定義

數(shù)據(jù)集層級(jí)關(guān)系定義如圖3所示。在三維建模軟件中利用產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)對(duì)船舶零件分專業(yè)進(jìn)行管理，以船舶型號(hào)為根結(jié)點(diǎn)，以船舶專業(yè)細(xì)分為二級(jí)結(jié)點(diǎn)，以具體的零件為三級(jí)結(jié)點(diǎn)，并將各級(jí)結(jié)點(diǎn)信息根據(jù)其父子關(guān)系分別存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。每個(gè)具體的零件包含一批制造需求信息表，具體來(lái)說(shuō)分為4類：制造工藝規(guī)劃表，給出零件生產(chǎn)與制造工藝的具體操作細(xì)節(jié)與參數(shù)；制造過(guò)程規(guī)劃表，對(duì)零件的具體生產(chǎn)制造過(guò)程提供指導(dǎo)；組件裝配規(guī)劃表，給出零件的裝配位置與配合間隙信息；質(zhì)量檢測(cè)規(guī)劃表，給出具體零件的質(zhì)量控制信息。

圖3 船舶數(shù)據(jù)集組織層級(jí)關(guān)系樹(shù)

3.2 制造需求數(shù)據(jù)集存儲(chǔ)關(guān)系定義

圖4為數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)關(guān)系實(shí)體-聯(lián)系圖(Entity-Relationship Diagram,E-R圖)。完整的船舶模型包括船體部件、舾裝部件和其他部件，以“船舶”為一級(jí)結(jié)點(diǎn)對(duì)整船三維模型進(jìn)行有效管理。每船有p數(shù)量的船體部件、q數(shù)量的舾裝部件和m數(shù)量的其他部件，每類部件下有其對(duì)應(yīng)的屬性信息，分別對(duì)應(yīng)一張獨(dú)立的數(shù)字化定義表格，可對(duì)整船的信息進(jìn)行管理。每類部件的屬性可根據(jù)制造過(guò)程需求、制造工藝需求、組建裝配需求和質(zhì)量檢測(cè)需求進(jìn)行組織，以應(yīng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)。

圖4 船舶數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)關(guān)系E-R圖

3.3 制造需求表達(dá)中的數(shù)據(jù)傳遞

在表達(dá)制造需求時(shí)，需要建立各種規(guī)劃表，提供制造中各階段所需要的信息。為了有效提取這些信息，結(jié)合Pro/E軟件的二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，研制輔助規(guī)劃制訂人員實(shí)現(xiàn)提高數(shù)據(jù)傳遞效率的算法。圖5為閥體某部件MBD三維標(biāo)注模型，該模型標(biāo)注安裝孔孔距、安裝孔外徑和管口尺寸信息。圖中通過(guò)點(diǎn)擊選中管口尺寸，彈框輸出尺寸的標(biāo)稱值、公差值等信息。這種基于交互的操作方式相對(duì)于人工識(shí)別并手動(dòng)輸入值的方式，效率大為提高，且不容易出錯(cuò)。

圖5 閥體某部件MBD三維標(biāo)注模型

4 應(yīng)用驗(yàn)證

以船舶制造質(zhì)量檢測(cè)環(huán)節(jié)為例，展示船舶MBD三維數(shù)據(jù)集應(yīng)用框架的有效性：首先，根據(jù)質(zhì)量檢測(cè)需求對(duì)模型進(jìn)行標(biāo)注；然后，建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)，對(duì)零件分層級(jí)進(jìn)行管理，并制訂質(zhì)量檢測(cè)規(guī)劃表；最后，逐項(xiàng)對(duì)標(biāo)注檢測(cè)項(xiàng)進(jìn)行檢測(cè)，并給出檢測(cè)結(jié)論。

4.1 基于MBD的閥體零件標(biāo)注

如圖6所示，基于閥體零件質(zhì)量檢測(cè)需求對(duì)零件關(guān)鍵尺寸及幾何公差進(jìn)行標(biāo)注，并給出檢驗(yàn)項(xiàng)目名、檢測(cè)方式及技術(shù)要求等，為質(zhì)量檢測(cè)規(guī)劃的制訂提供詳細(xì)而完整的信息。

圖6 閥體零件標(biāo)注示例

4.2 制訂檢驗(yàn)規(guī)劃模塊

利用船舶數(shù)據(jù)集制訂檢驗(yàn)規(guī)劃的軟件系統(tǒng)模塊如圖7所示。界面正中以列表的形式展示所有的檢驗(yàn)項(xiàng)目，并區(qū)分當(dāng)前檢驗(yàn)項(xiàng)目的狀態(tài)。界面左邊給出產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)的形態(tài)，以3層結(jié)構(gòu)形式對(duì)零件進(jìn)行組織。界面右邊給出檢驗(yàn)規(guī)劃明細(xì)。

4.3 檢驗(yàn)規(guī)劃執(zhí)行與結(jié)果

圖8為檢驗(yàn)規(guī)劃執(zhí)行與結(jié)果展示界面?！皺z測(cè)”對(duì)話框展示本體尺寸的檢測(cè)結(jié)果，并顯示判讀結(jié)論為“符合”。另外，在“執(zhí)行檢驗(yàn)規(guī)劃”對(duì)話框中，采用與“制訂檢驗(yàn)規(guī)劃”對(duì)話框一體化的設(shè)計(jì)思路，更方便使用。

5 結(jié) 論

面向船舶制造進(jìn)行MBD技術(shù)的應(yīng)用分析，以船體和舾裝為例，對(duì)數(shù)據(jù)集的定義、傳遞、關(guān)聯(lián)等進(jìn)行分析，并進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證。MBD技術(shù)對(duì)所有制造信息進(jìn)行整合，有利于信息的使用與管理，進(jìn)而提升船舶制造的效率；同時(shí)，通過(guò)對(duì)制造信息的關(guān)聯(lián)分析，可對(duì)制造過(guò)程進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化。在智能制造背景下，人工智能技術(shù)的發(fā)展，為數(shù)據(jù)解析、關(guān)聯(lián)和表達(dá)提供新的思路。如何將MBD技術(shù)與人工智能技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)而提高船舶制造的自動(dòng)化、智能化、高效化程度，將是可期的發(fā)展方向。

圖7 制訂檢驗(yàn)規(guī)劃

圖8 檢驗(yàn)規(guī)劃執(zhí)行界面