中航飛機(jī)西安飛機(jī)分公司 白永紅 梁 可 周 盛 侯卓兵

MBD（Model Based Definition）技術(shù)是以三維數(shù)字化模型為核心的設(shè)計(jì)制造信息統(tǒng)一模式，它將三維設(shè)計(jì)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，使制造單位以三維數(shù)字化模型為依據(jù)，開展工藝和工裝設(shè)計(jì)，以及后續(xù)的制造、裝配、檢測、服務(wù)等工作，有效地解決了設(shè)計(jì)、制造、使用維護(hù)一體化的難題。

MBD技術(shù)能更好地表達(dá)設(shè)計(jì)思想，以MBD技術(shù)為基礎(chǔ)建立的設(shè)計(jì)制造關(guān)聯(lián)協(xié)同環(huán)境，能有效地解決全三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理、設(shè)計(jì)各專業(yè)并行、設(shè)計(jì)與制造并行協(xié)同、技術(shù)狀態(tài)管理等問題，實(shí)現(xiàn)了各職能專業(yè)人員在同一個(gè)未完成的產(chǎn)品模型上協(xié)同工作，使工藝、工裝和產(chǎn)品設(shè)計(jì)同時(shí)開展產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造工藝、裝配、工裝和使用維護(hù)等工作和協(xié)調(diào)，打破了設(shè)計(jì)制造的壁壘，從而在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段提前發(fā)現(xiàn)和解決問題，提高了產(chǎn)品的可制造性、可裝配性和可維護(hù)性，提高了飛機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量，縮短了飛機(jī)研制周期。

在目前幾個(gè)飛機(jī)型號(hào)的研制中，不同程度地應(yīng)用了MBD技術(shù)，但還有待于進(jìn)一步提高應(yīng)用的深度和廣度，克服目前存在的工作內(nèi)容定義不清晰、關(guān)聯(lián)度弱、對“并行”理解錯(cuò)誤等問題，其主要應(yīng)該解決的問題包括：一是MBD數(shù)模中同時(shí)包含了設(shè)計(jì)、工藝、制造、檢驗(yàn)等數(shù)據(jù)，模糊了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)所和制造廠之間的分工界限，這就要求必須樹立“大設(shè)計(jì)”的概念?！按笤O(shè)計(jì)”包含的內(nèi)容不僅是產(chǎn)品設(shè)計(jì)，同時(shí)還包含著工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)等概念。而由于國內(nèi)長期以來存在著設(shè)計(jì)所和制造廠分離的局面，導(dǎo)致了產(chǎn)品、工藝、工裝、生產(chǎn)和檢驗(yàn)等方面不能有效協(xié)同和融合。二是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)成熟度階段，數(shù)據(jù)更新非常頻繁，目前基于MBD的協(xié)同關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢沒有從設(shè)計(jì)端延伸到工藝/工裝設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

本文通過MBD技術(shù)、飛機(jī)設(shè)計(jì)制造協(xié)同技術(shù)以及關(guān)聯(lián)（大）設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用，探討解決現(xiàn)有飛機(jī)研制中暴露的設(shè)計(jì)與制造分離的問題，試圖在數(shù)字化設(shè)計(jì)制造的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與制造的協(xié)同與關(guān)聯(lián)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)成熟度成長的過程中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)與制造共同開展相應(yīng)的工作，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目標(biāo)：

（1）實(shí)現(xiàn)DFM，即面向制造的設(shè)計(jì)，減少制造技術(shù)等原因帶來的設(shè)計(jì)更改，提高設(shè)計(jì)的可制造性。

（2）實(shí)現(xiàn)工藝、工裝設(shè)計(jì)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)的協(xié)同與關(guān)聯(lián)。隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)成熟度的成長，工藝設(shè)計(jì)和工裝設(shè)計(jì)也在按照各自的成熟度成長，產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成的同時(shí)，工藝設(shè)計(jì)和工裝設(shè)計(jì)基本完成，工裝制造和零件生產(chǎn)的準(zhǔn)備也基本完成。

飛機(jī)研制中基于MBD的設(shè)計(jì)制造協(xié)同關(guān)聯(lián)技術(shù)途徑

1 基于MBD的設(shè)計(jì)制造協(xié)同關(guān)聯(lián)應(yīng)用目標(biāo)

飛機(jī)制造中，在統(tǒng)一的3D PPR（產(chǎn)品工藝資源）關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)模型（如圖1所示）的支撐下，定義和關(guān)聯(lián)基于3D數(shù)模的設(shè)計(jì)構(gòu)型（As-design）和制造構(gòu)型（As-Plan, As-Built），形成飛機(jī)研制（包括設(shè)計(jì)過程與制造過程）的單一數(shù)據(jù)源，設(shè)計(jì)、工藝和工裝能在一致的集成的數(shù)字化平臺(tái)中并行和協(xié)同，保證設(shè)計(jì)構(gòu)型和制造構(gòu)型的同步和一致。從3D PPR關(guān)聯(lián)模型中輸出一致的設(shè)計(jì)構(gòu)型（EBOM/3D Model）和制造構(gòu)型（MBOM、工藝路線、工裝需求、裝配指令等）數(shù)據(jù)集，最終達(dá)到縮短研制周期，提高研制質(zhì)量的目標(biāo)。

基于模型的3D工藝設(shè)計(jì)直接基于3D產(chǎn)品工程模型，定義、管理和驗(yàn)證從部裝到總裝完整的裝配工藝流程，建立和管理裝配單元，可視化地驗(yàn)證3D產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可裝配性，優(yōu)化模塊定義。在裝配工藝流程關(guān)聯(lián)環(huán)境和約束下驗(yàn)證和優(yōu)化工裝設(shè)計(jì)，提供穩(wěn)健的機(jī)制協(xié)調(diào)、管理和控制設(shè)計(jì)與制造之間的更改流程。

2 設(shè)計(jì)制造協(xié)同關(guān)聯(lián)平臺(tái)集成模型

設(shè)計(jì)制造協(xié)同關(guān)聯(lián)平臺(tái)集成框架模型的范圍主要是針對產(chǎn)品設(shè)計(jì)構(gòu)型、工藝構(gòu)型和生產(chǎn)構(gòu)型的定義，參見表1。

基于3D模型設(shè)計(jì)制造關(guān)聯(lián)平臺(tái)的集成框架（如圖2所示）包含主承制廠的基于3D模型的設(shè)計(jì)制造協(xié)同關(guān)聯(lián)平臺(tái)、主承制廠的PDM/ERP系統(tǒng)、分承制廠的PDM/ERP系統(tǒng)和主承制廠數(shù)字化裝配生產(chǎn)線4大部分。

MBD數(shù)據(jù)流在設(shè)計(jì)單位PDM系統(tǒng)和制造單位PDM系統(tǒng)進(jìn)行傳輸，制造單位PDM系統(tǒng)與上游設(shè)計(jì)單位定期進(jìn)行產(chǎn)品數(shù)據(jù)同步，保證制造單位及時(shí)獲得最新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)；與下游三維工藝系統(tǒng)緊密集成，實(shí)時(shí)開展產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)、三維裝配工藝仿真驗(yàn)證等；同時(shí)，在制造單位 PDM系統(tǒng)平臺(tái)上，開展基于MBD的工裝關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，開展與產(chǎn)品MBD模型關(guān)聯(lián)的工藝派生模型設(shè)計(jì)。

圖1 統(tǒng)一3D PPR關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)模型

表1 設(shè)計(jì)制造協(xié)同關(guān)聯(lián)平臺(tái)集成框架模型的范圍

制造廠基于3D模型的設(shè)計(jì)制造協(xié)同關(guān)聯(lián)平臺(tái)保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)在集成一致的平臺(tái)中開展工作。產(chǎn)品設(shè)計(jì)員利用3D設(shè)計(jì)平臺(tái)工具進(jìn)行設(shè)計(jì)構(gòu)型的全三維數(shù)字化定義，形成3D產(chǎn)品模型；工藝員根據(jù)3D產(chǎn)品模型在3D制造平臺(tái)中開展3D工藝設(shè)計(jì)、裝配流程定義等；工裝設(shè)計(jì)員開展3D工裝全三維數(shù)字化定義。其業(yè)務(wù)流程如圖3所示。

圖2 基于MBD的設(shè)計(jì)制造協(xié)同關(guān)聯(lián)平臺(tái)

產(chǎn)品、工藝、工裝協(xié)同關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)及流程控制

1 基于模型的產(chǎn)品、工藝、工裝協(xié)同關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)

PPR數(shù)據(jù)模型（如圖4所示）允許在PPR對象之間定義大量的關(guān)聯(lián)。這些關(guān)聯(lián)包含產(chǎn)品和產(chǎn)品的關(guān)聯(lián)，工藝與工藝的關(guān)聯(lián)，資源與資源的關(guān)聯(lián)，以及產(chǎn)品、工藝、資源之間的關(guān)聯(lián)。這些關(guān)聯(lián)關(guān)系定義了產(chǎn)品的工藝構(gòu)型，以及何時(shí)制造，在哪里制造，用什么制造等問題。

并行的3D研制方式要定義和管理任何兩個(gè)零件之間的幾何特征之間的關(guān)聯(lián)，幾何特征與工藝、檢驗(yàn)、資源的關(guān)聯(lián)。PPR數(shù)據(jù)模型以3D特征的方式捕捉設(shè)計(jì)和制造意圖。特征不僅包含物理（幾何）特征，也包含功能特征。例如，定義在特征中的智能信息可以代表幾何特征，增加相關(guān)的描述屬性和控制公式。另外，包括的智能信息也可能是刀具路徑、關(guān)鍵尺寸約束和刀具選擇規(guī)則等。

PPR數(shù)據(jù)模型背后的邏輯非常簡單：每個(gè)零件與至少一個(gè)制造流程和一個(gè)資源關(guān)聯(lián)。因此，PPR對象之間關(guān)系在任何時(shí)候都能獲取，這些關(guān)系在數(shù)據(jù)庫中被清晰地定義和管理，工程人員能夠直接看到一類對象對另一類對象的更改影響。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型描述產(chǎn)品組成以及產(chǎn)品與工藝、產(chǎn)品與工裝之間的關(guān)系等內(nèi)容（如圖5所示），如產(chǎn)品包括結(jié)構(gòu)件（梁、框、肋、桁條）、系統(tǒng)件（管路、電纜）等。全3D數(shù)字化定義方法要求將裝配連接的技術(shù)要求（配合要求、表面粗糙度，以及緊固件等）表達(dá)在ERM 零件里。產(chǎn)品通過層次、替換、裝配、引用等關(guān)系進(jìn)行產(chǎn)品之間的關(guān)聯(lián)。層次關(guān)系表示零部件的組成結(jié)構(gòu)，可以通過部件對象的屬性或關(guān)系對象來建立關(guān)聯(lián)。產(chǎn)品模型中包含工藝構(gòu)型的定義，通過工藝分離面劃分，定義裝配單元。

圖3 工藝、工裝設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)流程

圖4 PPR數(shù)據(jù)模型

產(chǎn)品工藝關(guān)聯(lián)的主要目的是確保所有的工程設(shè)計(jì)能夠在制造工藝?yán)镞M(jìn)行消耗或分配。PFPP（Process 1st Processes Product）關(guān)聯(lián)用于定義執(zhí)行一份裝配AO時(shí)所需要安裝的零組件，會(huì)觸發(fā)系統(tǒng)建立MBOM并輸出給制造業(yè)務(wù)系統(tǒng)。PPP（Process Processes Product）關(guān)聯(lián)用于引用已經(jīng)分配到某個(gè)工序的零件，表明為了完成裝配需要的其他指令。PRP（Process Removed Product）關(guān)聯(lián)用于定義一個(gè)零件需要從飛機(jī)臨時(shí)或永久地被拆卸下來。PCP（Process Creates Product）關(guān)聯(lián)用于識(shí)別零組件被建立是執(zhí)行工藝流程、或是裝配單元的輸出。

圖5 關(guān)聯(lián)模型

產(chǎn)品工藝和工裝間基于特征的PPR關(guān)聯(lián)，使基于知識(shí)的工程、關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)和面向生命周期的產(chǎn)品建模都在一個(gè)統(tǒng)一3D研制環(huán)境里。層次化的帶構(gòu)型的3D PPR 數(shù)據(jù)模型中包含3D產(chǎn)品數(shù)據(jù)、EBOM、裝配單元/MBOM、工藝路線、工裝需求、3D工裝模型和裝配指令等。這些信息能輸出到ERP系統(tǒng)，支撐基于數(shù)模進(jìn)行設(shè)計(jì)與制造協(xié)同的統(tǒng)一。3D PPR數(shù)據(jù)模型為產(chǎn)品研制提供了一個(gè)完整、實(shí)時(shí)、面向生命周期的框架模型，保證了設(shè)計(jì)制造之間數(shù)據(jù)的一致性和可追溯性。

2 產(chǎn)品、工藝、工裝設(shè)計(jì)流程控制

產(chǎn)品、工藝、工裝設(shè)計(jì)主要的業(yè)務(wù)模式如圖6所示。主要的業(yè)務(wù)模式如下：

（1）產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝/工裝設(shè)計(jì)的協(xié)同。

設(shè)計(jì)數(shù)模達(dá)到一定成熟度后，工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)開展工作，通過PMD同步機(jī)制，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型從設(shè)計(jì)單位PDM協(xié)同環(huán)境中同步到制造單位PDM協(xié)同環(huán)境中，工藝員和工裝設(shè)計(jì)員應(yīng)用各自的工具軟件進(jìn)行工藝規(guī)劃、工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)和相關(guān)驗(yàn)證工作。

（2）工裝部門內(nèi)部的協(xié)同設(shè)計(jì)。

在制造廠的PDM協(xié)同環(huán)境的支持下，工裝設(shè)計(jì)員引用飛機(jī)設(shè)計(jì)數(shù)?；蚬に嚁?shù)模開展工裝設(shè)計(jì)工作，包括生成工裝骨架模型、進(jìn)行工裝詳細(xì)設(shè)計(jì)等。利用上下文關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)支持，保證工裝數(shù)據(jù)與骨架模型（包含產(chǎn)品設(shè)計(jì)骨架模型和工裝骨架模型）進(jìn)行關(guān)聯(lián)。當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，工裝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)更新，保證了產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工裝設(shè)計(jì)的關(guān)聯(lián)和協(xié)同。

圖6 業(yè)務(wù)模式

圖7 成熟度階段工裝設(shè)計(jì)

圖8 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)放后工裝設(shè)計(jì)

圖9 工程更改后工裝設(shè)計(jì)更改

（3）基于成熟度的設(shè)計(jì)、工藝、工裝協(xié)同機(jī)制。

采用成熟度的機(jī)制，來制定設(shè)計(jì)、工藝、工裝相關(guān)的協(xié)同業(yè)務(wù)和工作內(nèi)容?；诔墒於鹊膮f(xié)同工作可參考如下場景：

·產(chǎn)品設(shè)計(jì)到某一成熟度時(shí)，工裝設(shè)計(jì)開始進(jìn)行（見圖7）；

·基于設(shè)計(jì)數(shù)?；蚬に嚁?shù)模，進(jìn)行工裝的詳細(xì)設(shè)計(jì)（見圖8）；

·上游數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，下游模型可以進(jìn)行更新（見圖9）。

結(jié)束語

在產(chǎn)品、工藝、工裝統(tǒng)一的3D MBD協(xié)同關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)環(huán)境中，IPT團(tuán)隊(duì)成員能夠進(jìn)行產(chǎn)品生命周期數(shù)據(jù)的完整定義，實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)的構(gòu)型控制管理。針對目前航空工業(yè)設(shè)計(jì)單位和制造單位分離的體制，以及飛機(jī)數(shù)字化研制平臺(tái)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)制造協(xié)同關(guān)聯(lián)平臺(tái)的構(gòu)建，可以保證在成熟度設(shè)計(jì)階段，制造單位有效、及時(shí)、準(zhǔn)確、完整地獲取產(chǎn)品設(shè)計(jì)成熟度模型，并基于此產(chǎn)品成熟度模型開展工裝、工藝的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)；上游產(chǎn)品設(shè)計(jì)在不斷迭代完善設(shè)計(jì)過程中，下游設(shè)計(jì)可以及時(shí)得到更新；下游設(shè)計(jì)可以及時(shí)了解到上游產(chǎn)品模型正式發(fā)放后的工程更改，并完成工程更改貫徹，從而保證飛機(jī)實(shí)物技術(shù)狀態(tài)得到有效控制。

設(shè)計(jì)制造協(xié)同關(guān)聯(lián)平臺(tái)是基于3D MBD PPR統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型而建立的。在關(guān)聯(lián)平臺(tái)中，以產(chǎn)品型號(hào)MBD模型為單一數(shù)據(jù)源，建立實(shí)時(shí)的3D PPR動(dòng)態(tài)數(shù)字樣機(jī)，將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、工裝數(shù)據(jù)及檢驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行基于模型的關(guān)聯(lián)，并且將MBD唯一數(shù)據(jù)源從產(chǎn)品設(shè)計(jì)開始貫穿于設(shè)計(jì)、制造、服務(wù)的全過程，真正做到基于產(chǎn)品單一數(shù)據(jù)源的產(chǎn)品全生命周期管理。