黨衛(wèi)兵，徐增光，鄭丹力，李宇平，樊　浩

(1. 上海機電工程研究所，上海，201109; 2. 上海航天精密機械研究所，上海，201600)

0　引　言

隨著數(shù)字化設計與制造技術在航空航天等國防行業(yè)的廣泛應用，特別是三維CAD(Computer Aided Design，計算機輔助設計)技術的日益普及，以及CAM(Computer Aided Manufacturing，計算機輔助制造)技術的日趨成熟，航天無人飛行器產(chǎn)品研制模式正在發(fā)生根本性變化，傳統(tǒng)的以二維圖紙為核心的研制模式已經(jīng)不能滿足快速發(fā)展的型號產(chǎn)品研制要求[1]。以國內某航天無人飛行器產(chǎn)品的設計制造一體化協(xié)同研制為例，產(chǎn)品研制模式可分解為：設計單位以二維圖為依據(jù)進行產(chǎn)品設計，并通過在二維圖上標注的尺寸和技術要求來傳遞工藝和制造信息；設計師通過電話、Email、線下溝通等方式與工藝人員進行技術協(xié)商；設計數(shù)據(jù)受控后，由檔案管理人員將該圖紙打印輸出后發(fā)送至下游制造廠，制造廠接收到圖紙后，在回執(zhí)單中簽字確認，并根據(jù)該圖紙進行工藝編制、工藝仿真、產(chǎn)品制造和檢驗工作。

該二維圖紙的產(chǎn)品研制模式存在以下主要問題：

1) 設計端下發(fā)的是二維圖紙，其對應的三維模型沒有下發(fā)給制造廠，導致模型無法被工藝和制造重復利用，大幅增加了全生命周期內型號產(chǎn)品研制的工作量，也不利于數(shù)字化制造技術的應用推進。

2) 設計與工藝的溝通以及設計數(shù)據(jù)向制造廠的下發(fā)效率低下，嚴重影響了航天型號產(chǎn)品的研制周期。

3) 隨著航天型號產(chǎn)品復雜性的提高，基于二維圖紙的模糊協(xié)同導致了大量的產(chǎn)品制造與裝配問題，頻繁返工的代價幾乎無法接受。

1　基于MBD的設計制造一體化模型

為了協(xié)調設計和制造之間的矛盾，設計人員在產(chǎn)品的設計過程中應充分考慮制造和裝配的要素，將三維設計信息和三維制造信息共同定義到產(chǎn)品的三維模型中。同時，設計與制造之間、各系統(tǒng)上下游之間也要做到數(shù)據(jù)的傳遞鏈路打通，真正實現(xiàn)設計制造的集成化、一體化。圖1為本文構建的基于MBD的航天設計制造一體化模型。其實現(xiàn)關鍵在于基于MBD(Model Based Definition,基于模型的定義)的產(chǎn)品建模、BOM(Bill of Mate rial，物料清單)構建與管理、設計制造一體化研制流程、基礎資源庫、數(shù)據(jù)傳遞、標準規(guī)范體系等內容。

圖1　基于MBD的航天設計制造一體化模型Fig.1　Design and manufacturing integration model based on MBD

1.1　基于MBD的產(chǎn)品建模

MBD的核心思想是用一個集成的三維實體模型來完整地表達產(chǎn)品定義信息，實現(xiàn)面向制造的設計。MBD使三維實體模型成為生產(chǎn)制造過程中的唯一依據(jù)，改變了傳統(tǒng)以二維工程圖為主，而以三維實體模型為輔的制造方法[2-4]。1997年，美國機械工程師協(xié)會在波音公司的協(xié)助下發(fā)起了三維標注技術及其標準化的研究，并最早于2003年形成了美國國家標準“ASME Y14.41-2003 Digital product definition data practices”[5]。2006年，ISO組織借鑒ASME Y14.41制定了ISO標準草案“ISO 16792-2006 Technical product documentation-Digital product definition data practices”[6]，為歐洲以及亞洲等國家的用戶提供支持。2009年，我國SAC/TC146全國技術產(chǎn)品文件標準化技術委員會以ISO 16792為藍本，制定了GB/T 24734.1～24734.11-2009《技術產(chǎn)品文件數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則》[7]。

航天型號產(chǎn)品基于MBD的產(chǎn)品建模關鍵是：設計的三維模型必須正確、完整并且可被工藝和制造復用。為此，三維模型需包含兩方面內容：模型幾何信息和標注信息。模型幾何信息主要包括產(chǎn)品的點、線、面等信息；標注信息除了要求三維尺寸標注信息外，還應包括工藝描述信息、加工制造信息、檢驗信息以及其他管理信息等。三維建模和三維標注需確保上游設計單位和下游制造單位之間的意見統(tǒng)一，才能為設計制造一體化的開展和實現(xiàn)提供堅實基礎。

1.2　BOM構建與管理

作為設計制造一體化中產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的核心，BOM的管理至關重要。在工程設計階段其表現(xiàn)為EBOM(Engineering Bill of Material，工程物料清單)，主要反映產(chǎn)品的設計結構和物料項的設計屬性。在工藝設計階段其表現(xiàn)為PBOM(Process Bill of Mate rial，工藝物料清單)，主要反映工藝路線、工序信息等內容。本文構建的某航天型號產(chǎn)品BOM結構如圖2所示。

圖2　航天產(chǎn)品BOMFig. 2　BOM for aerospace products

EBOM的每個節(jié)點均關聯(lián)了不同的設計文件，包括：三維模型、工程圖、技術文件、接口文件、各類表格等，它們共同描述了整個產(chǎn)品的完整信息。EBOM受控后通過PDM(Product Data Management，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理)系統(tǒng)向下游制造單位進行數(shù)據(jù)的下發(fā)，下游制造單位根據(jù)該EBOM開展PBOM的重構工作，無需憑空搭建PBOM，大大提高了工作效率。

1.3　設計制造一體化研制流程

基于MBD的設計制造一體化，即產(chǎn)品研制過程中利用MBD技術將產(chǎn)品生命周期內的所有信息(包括設計、工藝、制造、檢測、管理等信息)定義于三維模型上，實現(xiàn)基于三維模型的產(chǎn)品設計、工藝設計、工裝設計、生產(chǎn)制造、三維檢測等。通過PDM系統(tǒng)實現(xiàn)以BOM為核心的數(shù)字化信息在航天型號研制各環(huán)節(jié)的傳遞與應用。圖3為某航天無人飛行器設計制造一體化研制流程圖。

1) 設計師充分考慮工藝、制造等方面的要求后，進行MBD產(chǎn)品建模。其中三維標注包含了制造工藝和精度要求等生產(chǎn)必需的工藝約束信息，模型參數(shù)則表達了產(chǎn)品的編碼、材料、質量、類型、是否成套等信息。

圖3　研制流程Fig. 3　Development process

2) 模型構建完成后進行模型規(guī)范性檢查、干涉檢查以及工藝性檢查，對不符合要求的零件，不允許其檢入至PDM系統(tǒng)中。在正式送審之前，設計師可將該模型通過PDM系統(tǒng)下發(fā)至制造廠，由工藝人員對其進行工藝預審，發(fā)現(xiàn)問題可通過PDM系統(tǒng)及時向上游設計單位進行反饋處理。工藝預審完成后，設計師啟動正式流程，將模型進行送審，各審簽環(huán)節(jié)進行三維可視化審查。

3) 受控的三維模型通過PDM系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)下發(fā)。制造廠接收到數(shù)據(jù)后進行EBOM向PBOM的重構，定義PBOM工藝分工路線和分工過程，并開展基于MBD的三維工藝設計和工裝設計，再基于工藝設計進行專業(yè)工藝仿真與裝配仿真。

4) ERP(Enterprise Resources Planning，企業(yè)資源計劃)系統(tǒng)從PDM系統(tǒng)中獲取相關數(shù)據(jù)信息后完成生產(chǎn)計劃的管理，整個產(chǎn)品交由MES(Manufacturing Execution System,制造執(zhí)行系統(tǒng))完成產(chǎn)品的無紙化制造。

5) 測量軟件直接讀取含三維標注的MBD模型，驅動三坐標測量儀進行測量，并進行測量結果評價，避免了中間的二維圖紙轉換，大大加快檢測速度和準確度。

1.4　基礎資源庫

航天型號產(chǎn)品研制過程中，設計與制造雙方都會使用到基礎資源庫，如：標準件庫、材料庫、元器件庫等。傳統(tǒng)模式下，資源庫各自獨立構建在每個企業(yè)中，沒有統(tǒng)一的標準和規(guī)范，導致數(shù)據(jù)模型傳遞到下游后，不能夠被正確的識別和利用，容易產(chǎn)生低層次產(chǎn)品質量問題。為此，本文提出了如圖4所示的基礎資源庫體系框架，設計和制造單位均統(tǒng)一使用該基礎資源庫進行型號產(chǎn)品研制。

圖4　基礎資源庫體系框架Fig. 4　Framework of basic resource base model

該基礎資源庫的主要內容包括：

1) 統(tǒng)一的編碼體系。建立適應于設計與制造協(xié)同研制的統(tǒng)一編碼體系，有助于實現(xiàn)對航天基礎資源的統(tǒng)一管理，減少編碼的重復建設，提高數(shù)據(jù)管理效率。

2) 面向CAD/CAE工具的編碼化實體庫。如：EDA設計的符號庫、PCB封裝庫、仿真庫以及結構設計使用的三維標準件模型庫等。

3) 基礎資源相關的標準規(guī)范、器件手冊、廠家資料等非結構化文檔。

1.5　數(shù)據(jù)傳遞

傳統(tǒng)的手工紙質文件的發(fā)放，已經(jīng)不能滿足數(shù)字化時代設計與制造間的協(xié)同研制需求。作為設計制造一體化的關鍵環(huán)節(jié)，必須保證電子數(shù)據(jù)從設計單位向制造廠的準確、實時傳遞。

數(shù)據(jù)傳遞需遵循以下基本原則：1)確保數(shù)據(jù)的兼容性：上下游PDM系統(tǒng)中進行傳遞的數(shù)據(jù)對象的類型和屬性要保持一致或者進行正確的類型和屬性映射；2)確保數(shù)據(jù)包格式的統(tǒng)一：系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)包的形式在設計與制造之間進行數(shù)據(jù)傳遞，數(shù)據(jù)包中應包括對象的實體數(shù)據(jù)、對象的屬性信息、關聯(lián)信息以及數(shù)據(jù)包的描述信息等；3)統(tǒng)一的產(chǎn)品結構導出/導入原則；4)數(shù)據(jù)版本的映射及對應規(guī)則。

1.6　標準規(guī)范體系

為了保證產(chǎn)品研制過程中設計與制造之間、各系統(tǒng)上下游之間的協(xié)調統(tǒng)一，使產(chǎn)品的數(shù)字化研制有效、有序、規(guī)范地進行，必須要建立一套適應企業(yè)自身的數(shù)字化協(xié)同研制標準體系，以有效指導產(chǎn)品的設計制造一體化研制。

本文構建了基于MBD的設計制造一體化標準規(guī)范體系，如圖5所示，內容涵蓋了設計制造一體化管理標準、設計標準、協(xié)同標準、制造標準等方面的標準規(guī)范要求。

圖5　標準規(guī)范體系Fig. 5　Standards and regulations system

2　應用實例

以航天某無人飛行器艙外電纜罩為例，設計單位基于MBD技術完成了電纜罩的全三維標注和建模，如圖6所示。

圖6　三維標注模型Fig. 6　3D annotation model

對其進行模型檢查并將異常問題進行修正后檢入PDM系統(tǒng)，形成的EBOM結構如圖7所示。

圖7　EBOMFig. 7　Engineering bill of material

制造廠收到EBOM和三維模型后，在工藝環(huán)節(jié)進行PBOM重構，并基于PBOM和三維模型開展三維結構化工藝設計，構建工序模型，編制數(shù)控程序，進行工藝仿真，如圖8所示。在計劃環(huán)節(jié)，以PBOM驅動生產(chǎn)計劃、備料、領料管理。在車間生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)人員在線查看可視化工藝和設計模型，調取數(shù)控程序發(fā)送至數(shù)控設備進行加工生產(chǎn)。

圖8　工藝仿真Fig. 8　Process simulation

在產(chǎn)品檢驗環(huán)節(jié)，車間檢驗人員在生產(chǎn)現(xiàn)場通過測量軟件，基于MBD模型直接驅動三坐標測量儀完成實物檢測。

3　結束語

基于MBD的設計制造一體化技術，將三維模型作為生產(chǎn)制造過程中的唯一數(shù)據(jù)源，改變了以工程圖紙為主、三維模型為輔的傳統(tǒng)研制方法，是轉變航天型號產(chǎn)品研制體系的技術基礎。該技術大幅提高了設計制造協(xié)同工作效率，可以使產(chǎn)品生產(chǎn)制造各環(huán)節(jié)的人員更加準確和直觀地理解設計意圖，降低因理解偏差而導致出錯的可能性，大大縮短了產(chǎn)品的研制周期，有效降低了企業(yè)成本，提高了資源利用率。