在梟龍飛機和ARJ21飛機機頭的制造過程中，中航工業(yè)成飛公司結合數(shù)字化制造技術的發(fā)展方向，傳統(tǒng)的以數(shù)字量為主、模擬量為輔的協(xié)調(diào)工作法開始被全數(shù)字量傳遞的協(xié)調(diào)工作法代替，并取得了一些階段性成果。但是，與國外發(fā)達航空企業(yè)相比，仍然存在很大的差距，主要表現(xiàn)在三維數(shù)模并沒有貫穿于整個飛機數(shù)字化制造過程中，基于MBD（Model-Based Design）技術的產(chǎn)品定義工作尚處于探索階段，以MBD為核心的數(shù)字化工藝設計和產(chǎn)品制造模式尚不成熟，MBD的設計、制造和管理規(guī)范還有待完善，三維數(shù)字化設計制造一體化集成應用體系尚未貫通。因此，為了縮短飛機研制周期，提高飛機研制質(zhì)量，有必要以三維數(shù)模為載體，借鑒國外發(fā)達航空制造企業(yè)MBD技術的成功應用經(jīng)驗，結合飛機數(shù)字化制造流程，開展適合于我國國情的飛機三維數(shù)字化設計制造技術應用研究。
MBD內(nèi)涵
美國機械工程師協(xié)會于1997年在波音公司的協(xié)助下開始了有關MBD標準的研究和制定工作，并于2003年使之成為美國國家標準。MBD的主導思想不只是簡單地將二維圖紙的信息反映到三維數(shù)據(jù)中，而是充分利用三維模型所具備的表現(xiàn)力，去探索便于用戶理解且更具效率的設計信息表達方式。它用集成的三維數(shù)模完整地表達了產(chǎn)品定義信息的方法，詳細規(guī)定了三維數(shù)模中產(chǎn)品尺寸、公差的標注規(guī)則和工藝信息的表達方法。MBD改變了傳統(tǒng)用三維數(shù)模描述幾何形狀信息的方法，而用二維工程圖紙來定義尺寸、公差和工藝信息的分步產(chǎn)品數(shù)字化定義方法。同時，MBD使三維數(shù)模作為生產(chǎn)制造過程中的唯一依據(jù)，改變了傳統(tǒng)以工程圖紙為主、以三維實體模型數(shù)模為輔的制造方法。
基于MBD的三維數(shù)模通過圖形和文字表達的方式，直接或間接地揭示了一個物料（BOM）項的物理和功能需求。MBD模型分為零件與裝配模型，零件模型由以簡單幾何元素構成的、用圖形方式表達的幾何信息和以文字表達的屬性、注釋等非幾何信息組成。屬性數(shù)據(jù)表達了產(chǎn)品的原材料規(guī)范、分析數(shù)據(jù)、測試需求等產(chǎn)品內(nèi)置信息；而注釋數(shù)據(jù)包含了產(chǎn)品尺寸與公差范圍、制造工藝和精度要求等生產(chǎn)必需的工藝約束信息。裝配模型則由一系列MBD零件模型組成的裝配零件列表加上以文字表達的屬性和注釋數(shù)據(jù)組成。
國外發(fā)達航空企業(yè)MBD技術的應用現(xiàn)狀
近10余年，隨著飛機制造技術的發(fā)展，以波音、洛·馬和空客公司為代表的飛機制造業(yè)在數(shù)字化技術應用領域取得了巨大的成功。波音公司在以波音787為代表的新型客機研制過程中，全面采用了MBD技術，將三維產(chǎn)品制造信息(Product Manufacturing Information，PMI)與三維設計信息共同定義到產(chǎn)品的三維數(shù)模型中，摒棄二維圖樣，直接使用三維標注模型作為制造依據(jù)，使工程技術人員從百年來的二維文化中解放出來，實現(xiàn)了產(chǎn)品設計（含工藝設計）、工裝設計、零件加工、部件裝配、零部件檢測檢驗的高度集成、協(xié)同和融合，建立了三維數(shù)字化設計制造一體化集成應用體系，開創(chuàng)了飛機數(shù)字化設計制造的嶄新模式，確保了波音787客機的研制周期和質(zhì)量。
基于MBD的數(shù)字化制造流程
飛機的研制必須經(jīng)歷產(chǎn)品設計、工藝設計、工裝設計、產(chǎn)品制造和檢驗檢測等5個主要環(huán)節(jié)，并在產(chǎn)品制造和檢驗檢測環(huán)節(jié)中，由三維設計數(shù)模分別派生出三維工藝數(shù)模和檢驗數(shù)模。
在工藝設計過程中，工藝部門依據(jù)設計部門按基線預發(fā)放的三維設計數(shù)模進行工藝分析，并向設計部門反饋工藝審查意見；依據(jù)設計部門正式發(fā)放的EBOM（產(chǎn)品設計結構）和三維設計數(shù)模，建立PBOM（產(chǎn)品工藝結構），制定裝配工藝協(xié)調(diào)方案，劃分工藝分離面，進行全機裝配工藝仿真，最終形成經(jīng)過裝配仿真驗證的MBOM（產(chǎn)品制造結構）頂層結構，發(fā)放到下游的工裝設計、專業(yè)制造和檢驗檢測等部門。
在工裝設計過程中，工裝設計制造部門依據(jù)產(chǎn)品制造部門提出的工裝訂貨單、三維工藝數(shù)模、產(chǎn)品制造工藝方案和設計部門的三維產(chǎn)品設計數(shù)模進行工裝設計；依據(jù)三維工裝設計數(shù)模進行TO的編制，裝配工裝的裝配仿真和工裝NC程序的編制，最終完成工裝的制造和自檢。
在產(chǎn)品制造過程中，產(chǎn)品制造部門依據(jù)設計部門正式發(fā)放的EBOM和三維設計數(shù)模、工藝部門的PBOM建立三維工藝數(shù)模，進行零件的材料屬性仿真和部件幾何仿真，編制AO（裝配大綱）和FO（制造大綱），編制NC程序，最終完成零件的加工、部件的裝配以及自檢。
在產(chǎn)品檢驗檢測過程中，檢驗檢測部門依據(jù)設計部門正式發(fā)放的EBOM、三維設計數(shù)模，三維工裝設計數(shù)模編制檢測計劃，計算測量數(shù)據(jù)，完成零部件和工裝的檢測。
圖1 基于MBD的數(shù)字化制造流程
基于MBD的三維數(shù)字化制造研究內(nèi)容
為了實現(xiàn)基于MBD的三維數(shù)字化制造流程的有效控制和管理，必須依據(jù)三維數(shù)字化制造流程，預先開展以下技術的攻關研究。
1.基于MBD的數(shù)字化定義技術
數(shù)字化產(chǎn)品定義（DPD）是實現(xiàn)數(shù)字化制造的基礎，它以數(shù)字量方式對產(chǎn)品進行準確描述。采用MBD技術后，數(shù)字化產(chǎn)品定義信息必須按MBD要求進行分類組織管理，完整準確地表達產(chǎn)品零部件本身的幾何屬性、工藝屬性、質(zhì)量檢測屬性以及管理屬性等信息，滿足制造過程各階段對數(shù)據(jù)的需求，保證飛機產(chǎn)品設計制造過程中的協(xié)調(diào)性。因此，應該在吸收、消化ISO/DIS 16792、ASMEY14.41的基礎上，結合國標《技術產(chǎn)品文件數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則》系列標準以及波音、空客三維模型和我國航空產(chǎn)品數(shù)字化設計制造技術的實際情況，開展基于MBD的設計建模技術、基于MBD的工藝建模技術、基于MBD的檢驗建模技術、基于MBD的并行設計流程管理技術、基于MBD的設計質(zhì)量控制技術的研究。
2.基于MBD的數(shù)字化工藝設計與仿真技術
MBD技術以三維數(shù)模作為唯一的制造依據(jù)，使飛機產(chǎn)品的工藝設計活動發(fā)生了根本變化。工藝設計與仿真將在三維數(shù)字化環(huán)境下，依據(jù)基于MBD技術的數(shù)字化工藝協(xié)調(diào)制造體系要求，以產(chǎn)品EBOM和三維數(shù)字樣機為基礎，以工藝數(shù)字化并行定義為核心，制定工藝總方案，建立三維工藝數(shù)字樣機，進行飛機數(shù)字化三維工藝設計、數(shù)字化工藝容差分配、仿真和優(yōu)化、數(shù)字化三維工藝仿真驗證。在工藝設計與仿真的不同階段，仿真的內(nèi)容也不同。在工藝審查階段，對零件、組件、部件組成的制造單元進行可制造性、可裝配性分析，檢查結構設計的合理性；在工藝規(guī)劃階段，通過裝配工藝仿真，確定零部件之間的裝配順序和運動路徑；在工裝設計階段，進行制造資源仿真，設計出合格的工裝資源；在工藝編制階段，通過建立起產(chǎn)品、工藝、資源數(shù)字化工藝數(shù)據(jù)模型（PPR），通過關鍵部件基于MBD的工藝容差分配計算和優(yōu)化，實現(xiàn)基于模型的工藝分離面劃分、裝配工位設計、裝配流程設計、三維工藝指令設計等。因此，必須預先開展基于MBD的數(shù)字化工藝設計技術、基于MBD的工藝容差分配技術和基于MBD的三維工藝仿真技術的研究。
3.基于MBD的工藝裝備設計制造集成技術
工藝裝備設計在三維數(shù)字化環(huán)境下，以產(chǎn)品數(shù)字樣機、工藝數(shù)字樣機為基礎，進行工藝技術裝備的設計和仿真，逐步形成面向現(xiàn)代航空制造的基于三維的飛機制造技術裝備工程體系，實現(xiàn)技術裝備數(shù)字化、自動化、柔性化。在工裝設計過程中，產(chǎn)品設計數(shù)模、工藝數(shù)模的版本變化將直接引起工裝數(shù)模的版本變化。因此，必須應用三維關聯(lián)技術和三維在線技術預先開展基于MBD工藝裝備設計與飛機產(chǎn)品、工藝設計及仿真的數(shù)字化協(xié)同技術、工藝裝備設計與產(chǎn)品設計、工藝設計的關聯(lián)更改技術、工藝裝備三維數(shù)字化設計制造一體化集成技術、基于三維數(shù)字化工藝裝備設計、制造等技術的研究工作。
4.基于MBD的數(shù)字化檢測與質(zhì)量控制技術
在基于MBD的產(chǎn)品數(shù)字樣機和工藝數(shù)字樣機的基礎上，開展三維工藝檢驗計劃的技術研究工作，探討三維數(shù)字圖形轉(zhuǎn)換為測量機等數(shù)字化設備能夠識別的數(shù)字信息的技術方法，并以基于MBD的三維設計數(shù)模、工藝數(shù)模和檢測方案為依據(jù)開發(fā)檢驗數(shù)據(jù)計算程序，建立基于MBD的三維檢驗數(shù)模，并與產(chǎn)品數(shù)字樣機和工藝數(shù)字樣機一起納入PDM系統(tǒng)進行管理。與此同時，在制造產(chǎn)品數(shù)據(jù)結構（MBOM）的基礎上，建立基于質(zhì)量產(chǎn)品結構（QBOM）的集成質(zhì)量管理系統(tǒng)。以PDM系統(tǒng)的檢測計劃、三維檢測模型為依據(jù)，通過集成質(zhì)量管理系統(tǒng)在生產(chǎn)現(xiàn)場采集飛機檢驗檢測數(shù)據(jù)，并建立檢驗檢測結果與QBOM的關聯(lián)關系，納入集成質(zhì)量管理系統(tǒng)進行有效的管理，在此基礎上形成單架次飛機的質(zhì)量檔案，最終完成單架次飛機質(zhì)量檔案的歸檔工作。因此，必須預先開展基于MBD的檢測信息定義技術、基于MBD的檢測過程設計技術、集成質(zhì)量管理技術、質(zhì)量檔案歸檔技術的研究。
5.基于輕量化模型的裝配過程可視化技術
在MBD制造模式下，裝配現(xiàn)場已擺脫傳統(tǒng)基于二維圖樣的模擬量傳遞體系，三維數(shù)模及三維工藝指令已經(jīng)完全替代了二維工程圖紙和紙質(zhì)工藝指令成為在生產(chǎn)現(xiàn)場指導工人工作的技術依據(jù)。為了確保裝配現(xiàn)場能夠及時獲取現(xiàn)行有效的三維數(shù)模、輕量化模型、三維裝配工藝指令，滿足飛機裝配過程管理與執(zhí)行控制的要求，需要解決三維數(shù)模輕量化的問題，并將基于MBD的設計模型、工藝模型、檢驗模型、三維工裝資源數(shù)據(jù)、輕量化模型、三維裝配工藝指令統(tǒng)一納入企業(yè)級PDM中進行管理，并建立與裝配現(xiàn)場作業(yè)計劃的關聯(lián)關系，實現(xiàn)三維可視化裝配技術在裝配制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的集成應用，實現(xiàn)真正的無紙化。因此，必須預先開展基于MBD的三維數(shù)模輕量化轉(zhuǎn)換技術、基于輕量化模型的三維裝配工藝過程設計工具開發(fā)技術、三維可視化裝配技術在裝配制造執(zhí)行系統(tǒng)的集成應用技術的研究。
6.基于MBD的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)集成技術
在MBD制造模式下，產(chǎn)品工藝數(shù)據(jù)、檢驗檢測數(shù)據(jù)的形式與類型發(fā)生了很大的變化。采用MBD技術后，設計部門不再向制造部門發(fā)放二維工程圖紙，減少了設計工作量，簡化了管理流程。工藝部門通過三維數(shù)字化工藝設計與仿真，依據(jù)基于MBD的三維產(chǎn)品設計數(shù)模建立三維工藝模型，生成零件加工、部件裝配動畫等多媒體工藝數(shù)據(jù)；檢驗部門通過三維數(shù)字化檢驗，依據(jù)基于MBD的三維產(chǎn)品設計數(shù)模、三維工藝模型，建立三維檢驗模型和檢驗計劃。與此同時，設計數(shù)模的版本變化將直接引發(fā)工藝數(shù)模、檢驗數(shù)模的版本變化。因此，需要以零部件為對象，建立產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)和檢驗數(shù)據(jù)與BOM結構樹的關聯(lián)關系，一起納入PDM系統(tǒng)進行管理，通過檢入與檢出，確保產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、檢驗數(shù)據(jù)版本信息的一致。鑒于目前中航工業(yè)設計與制造分離的現(xiàn)實情況，應預先開展廠所協(xié)同研制單一數(shù)據(jù)源管理技術、基于BOM的設計、制造、檢驗數(shù)據(jù)管理技術，以及工程更改管理技術和批架次構型管理技術的研究。
結束語
通過基于MBD的三維數(shù)字化定義、三維數(shù)字化工藝設計與仿真、三維數(shù)字化工藝裝備的設計與制造、基于輕量化模型的裝配過程可視化技術、三維數(shù)字化檢驗檢測技術以及基于MBD的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)集成技術的應用，能夠有效地縮短產(chǎn)品研制周期，改善生產(chǎn)現(xiàn)場工作環(huán)境，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，真正實現(xiàn)無二維圖紙、無紙質(zhì)工作指令的三維數(shù)字化集成制造。MBD技術的深入應用必將推動我國飛機制造業(yè)的迅猛發(fā)展。
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