梁鑫光 周佳臏 翁海紅 倪勇軍 黃婉如

（1上海航天設備制造總廠有限公司，上海，200245；2上海航天技術研究院，上海，200245）

航天產(chǎn)品一直在追求極致的輕量化與極端環(huán)境下的運行可靠性，也因而具備了結構復雜、精度高的產(chǎn)品特點。隨著研制節(jié)奏的加快，在航天產(chǎn)品的結構設計、工藝設計與測量驗收等各環(huán)節(jié)，如何快速的處理與傳遞精度表達信息是提高航天高精度產(chǎn)品研制效率的關鍵所在。

基于模型的定義 （Model Based Definition，MBD）技術的發(fā)展，為實現(xiàn)數(shù)字環(huán)境下的虛擬驗證提供了可能，如何使MBD承載的工程數(shù)據(jù)在“設計—工藝—測量—裝配—實驗—交付”等全流程自動傳遞，提高測量測試數(shù)據(jù)質量與采集效率，從而實現(xiàn)高精度機構產(chǎn)品的快速研制。本文將從MBD產(chǎn)品研制數(shù)據(jù)驅動自動化的角度，展望PMI（Product Manufacturing Information，產(chǎn)品制造信息）數(shù)據(jù)標準對機構產(chǎn)品MBD研制的價值與意義。

1 MBD數(shù)字化制造下的業(yè)務場景

1.1 工程設計載體的演變過程

在工業(yè)革命之前，工程工作被定義為產(chǎn)品的物理模型復制。例如，一個制造槍管的工人會確保槍管的尺寸，通過使用卡尺將測量值從一個傳遞到另一個，從而與模型槍管相對應。這個方法強化了工人制造特定產(chǎn)品類型的概念，而不是制造更大的通用組件產(chǎn)品。在此后近200年的時間里，產(chǎn)品數(shù)據(jù)的表達方式并沒有發(fā)生本質的變化。19世紀工程制圖的發(fā)明，釋放了有形實物對復制的限制，從而使得產(chǎn)品生產(chǎn)效率翻了6倍。使用CAD（C omputer Aided Design，計算機輔助設計）工具進行制圖，釋放了基于紙張管理對設計文件變更迭代的限制，使得生產(chǎn)效率再次獲得了巨大的提升。同時，CAD模型也帶來了新的機遇，從CAD制圖直接驅動制造與檢測設備分解與執(zhí)行后續(xù)過程成為可能，產(chǎn)品定義能力的演變?nèi)鐖D1所示。

圖1 產(chǎn)品定義能力的演變

然而，為了適應復雜多變與各式各樣的工程場景需求，CAD/CAM（Computer Aided Manufacturing，計算機輔助制造）工具大量涌現(xiàn)，并且針對不同的場景形成了不同的數(shù)據(jù)格式。相比于紙質環(huán)境下，設計圖紙可以便捷的被任何人用鉛筆進行批注，某一特定格式的CAD模型只能通過相應的特定軟件來識別與批注，而一個無法通過CAD工具進行注釋的CAD模型對于沒有相應特定軟件的場景來說完全沒有應用價值。對于一個需要在不同的CAD與CAM軟件之間分享設計方案的組織來說，承載設計方案的模型必須具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式。

1.2 MBD幾何精度公差設計與驗證流程

高精度航天產(chǎn)品的研制過程中，會反復出現(xiàn)基于模型的產(chǎn)品幾何精度實現(xiàn)能力、空間運動能力、力熱載荷與抗輻照能力的“假設—評估—驗證—優(yōu)化”的迭代過程。以幾何精度實現(xiàn)能力設計為例，其研制流程可大致分為5個環(huán)節(jié)，需要至少10個基于模型的數(shù)據(jù)傳輸活動，如圖2所示。

圖2 產(chǎn)品幾何精度要求在研制流程中的傳遞

1.2.1 研制流程5個環(huán)節(jié)

5個環(huán)節(jié)聚焦于如何用模型表達研制成果，按順序分別包括以下環(huán)節(jié)。

a）結構設計與尺寸公差設計。

根據(jù)產(chǎn)品功能需求，結合以往經(jīng)驗、公差仿真結果以及工藝性審查結果，進行設計。

b）公差仿真。

理解各結構特征關系與精度等級，檢驗各結構特征幾何精度與尺寸精度之間的協(xié)調(diào)性。

c）工藝設計。

設計工藝性審查與三維工藝編制，理解各結構特征關系與精度等級，檢驗各結構特征幾何精度與尺寸精度之間的協(xié)調(diào)性，反饋公差可實現(xiàn)程度；轉化工藝基準，修補工藝特征，拆解工序工步，傳遞精度控制辦法，根據(jù)結構特征+基準+公差類型+精度等級，匹配加工過程工具、量具與設備等資源信息，編制三維工藝規(guī)程與測量規(guī)劃。

d）零件加工與裝配。

根據(jù)三維模型的工序視圖與工藝規(guī)程、調(diào)用相關數(shù)控程序，完成相關作業(yè)。

e）測量確認。

產(chǎn)品功能與制造過程評估，按測量視圖與測量規(guī)程、調(diào)用相關測量程序，完成產(chǎn)品功能測量評價與制造過程能力評價。

1.2.2 基于模型的數(shù)據(jù)傳輸活動

10個數(shù)據(jù)傳輸活動如圖2所示，聚焦于如何讓各環(huán)節(jié)研制成果共享，包括：

①在三維模型上進行公差信息的標注與確認，由環(huán)節(jié)a）向環(huán)節(jié)b）輸出公差標注信息；

②在三維模型上進行公差信息的修改，由環(huán)節(jié)b）向環(huán)節(jié)a）反饋公差可實現(xiàn)程度（逆向傳遞活動）；

③在三維模型上進行公差信息的受控，由環(huán)節(jié)b）向環(huán)節(jié)c）傳遞發(fā)布的公差數(shù)據(jù)；

④在三維模型上進行實際生產(chǎn)過程能力數(shù)據(jù)的確認，由環(huán)節(jié)c）向環(huán)節(jié)a）反饋生產(chǎn)過程能力信息與優(yōu)化建議（逆向傳遞活動）；

⑤在三維模型上將公差類別、等級同三維工藝模型的工序視圖進行關聯(lián)，生成數(shù)控設備加工程序，由環(huán)節(jié)c）向環(huán)節(jié)d）傳遞；在三維模型上進行測量數(shù)據(jù)分類并生成數(shù)字化測量機的測量程序，由環(huán)節(jié)c）向環(huán)節(jié)e）傳遞基于模型的測量任務與測量程序；

⑥在三維模型上查閱作業(yè)控制要求，按視圖指示由環(huán)節(jié)d）向環(huán)節(jié)c）反饋過程測量結果（逆向傳遞活動）；

⑦在三維模型上查閱作業(yè)控制要求，按視圖指示由環(huán)節(jié)d）向環(huán)節(jié)e）傳遞過程測量結果；

⑧在三維模型中，按視圖指示采集測量結果，由環(huán)節(jié)e）向環(huán)節(jié)d）反饋加工與裝配執(zhí)行情況（逆向傳遞活動）；

⑨在三維模型中，按視圖指示采集測量結果，由環(huán)節(jié)e）向環(huán)節(jié)c）反饋制造過程能力數(shù)據(jù)完善工藝設計方案（逆向傳遞活動）；

⑩在三維模型中，按視圖指示采集測量結果，由環(huán)節(jié)e）向環(huán)節(jié)a）反饋產(chǎn)品功能測試數(shù)據(jù)完善產(chǎn)品設計經(jīng)驗。

2 標準體系對MBD研制流程的支撐情況

尺寸與公差標準起源于80多年以前，最早體現(xiàn)為各種國家標準或公司標準，用來管理工程制圖與文檔記錄。這些標準的出現(xiàn)，為設計者與制造者提供了更好的溝通工具，用以明確何種制造誤差可以接受而不會影響產(chǎn)品的功能。隨著時間的推移，這些標準也在演化并逐漸被全世界所認可。在早期的幾十年，標準的演化主要來自于工程上的最佳實踐，而缺少科學系統(tǒng)的對待。直到上世紀80年代，計算機輔助設計與制造系統(tǒng)的出現(xiàn)，迫使人們開始用更加數(shù)學的形式來重新檢驗這些標準。也是從那時開始，出現(xiàn)了用科學的準則來解釋過去的最佳實踐，指導未來的改進。

美 國 的 波 音 （Boeing）、歐 洲 的 空 客（Airbus）、洛克希德馬丁(Lockheed Martin)、通用 電 氣 （GE）、羅 羅 （Rolls-Royce）、BBA（BMW、Mercedes-Benz、Audi）， 西 門 子（Siemens PLM）、通用汽車 （GM）、卡特比勒（Caterpillar）等國外一流公司，伴隨著數(shù)字化和信息化改造，在幾何質量方面開始了面向數(shù)字化與系統(tǒng)化的工程實踐。與此同時，這些公司也成為了運用科學方法開發(fā)MBD標準的主要力量，形成了3個代表性的ISO委員會團體組織。這三個團體的開發(fā)工作有一定的依存關系，在標準體系的發(fā)布上也出現(xiàn)了一定的順延。

首先，ISO TC 213和ASME Y14.5標準化團體發(fā)布標準Geometrical Product Specifications（簡 稱GPS） 以 及Geometric Dimensioning and Tolerancing（簡稱GD&T），明確如何在2D和3D環(huán)境中進行標注。這是一個由150多個標準組成的技術體系，基于數(shù)字化、面向信息化及智能化，涵蓋了從幾何精度設計與驗證、設計過程管理、產(chǎn)品制造過程控制、產(chǎn)品質量檢驗、產(chǎn)品符合性評定與驗證等整個過程。

其中，PMI標準是支撐這一系列標準體系的基礎，如圖3所示。PMI是在CAD/CAM環(huán)境中用于表達幾何尺寸公差、表面紋理形貌、精加工要求、技術條件、材料要求、焊接特性等技術要求的信息集合。最新版的GPS標準進一步強化了基于模型的幾何公差表達方法，大有取代線性公差的趨勢。其技術特點有：①基于計量數(shù)學，給出了涉及到設計、工藝、檢測和控制的幾何定義規(guī)范方法；②給出了基于產(chǎn)品功能和過程控制的幾何質量規(guī)范與控制方法；③用數(shù)字化方法給出了幾何誤差/偏差定義、評價和符合性評定的方法；④用數(shù)字化方法給出了產(chǎn)品幾何精度和幾何質量的設計和驗證方法；⑤用數(shù)字化方法給出了幾何技術規(guī)范的傳遞方法和風險控制方法。

圖3 PMI表達標準是智能制造系統(tǒng)的使能器

我國國家標準對上述標準體系也進行了相應的轉化工作，對ISO最新標準轉化的覆蓋率已近70%，在一定程度上直接對接了國際最先進的標準。

其次，ISO TC 10標準化團體在GPS標準和GD&T標準基礎上，進一步定義如何在人機交互的情況下準確表達人的設計意圖，確?？勺x性。如圖4所示，包括如何在模型放大、縮小、移動、旋轉過程中，即使在數(shù)據(jù)復雜的情況下仍能保證PMI信息的可讀性；還包括在模型的輕量化過程中，如何確保PMI信息的準確傳遞。這對于由人主導、人機交互、多人協(xié)同的智能制造場景尤為重要，對于中小規(guī)模企業(yè)接入智能制造系統(tǒng)來說更是必不可少的先決條件。形成標準ISO Technical Product Documentation，簡稱TPD，即技術產(chǎn)品文件。這同樣是一個由150多個標準組成的技術體系，技術上同樣基于數(shù)字化、面向信息化及智能化，內(nèi)容上涵蓋2D工程圖樣、3D標注、基于模型的定義、技術文件（數(shù)字化、信息化）管理等。

圖4 ISO 16792三維模型標注示例

再次，ISO TC 184/SC 4標準化團隊會再根據(jù)PMI信息定義和表達的標準，開發(fā)并發(fā)布以ISO 10303為代表的指導機器之間進行PMI信息交互的標準。目前，該組織最新發(fā)布的ISO STEP AP 242為這種工業(yè)應用帶來了比之前的AP 203和AP 214更多的應用價值。比如，3D PMI可以將PMI數(shù)據(jù)轉換至多種應用軟件，自動地傳遞數(shù)據(jù)與信息。這使得CAM工藝設計人員可以直接調(diào)用PMI信息進行切削特征、基準、公差、表面紋理等要求，進而根據(jù)預設的規(guī)則自動選擇切削夾具、刀具、冷卻液、切深、進給率等工藝信息，而不需要由人另行填寫，在提高效率的同時避免了人為錯誤的發(fā)生；三坐標測量系統(tǒng)也可以直接調(diào)用類似的信息來自動的執(zhí)行測量和質量控制計劃。進而將這些測量過程安排進加工過程，以開展在機測量與實時反饋控制，也可以被安排在加工后，進行離線測量來確認技術要求的滿足情況。而基于ISO STEP AP 242標準對3D PMI信息進行表達，是實現(xiàn)這些自動化應用的先決條件。

3 國內(nèi)外MBD標準體系工程應用現(xiàn)狀

3.1 MBD標準體系的推廣

在相關PMI標準的基礎上，空客、波音、洛克希德馬丁、通用電氣、羅羅發(fā)動機、西門子、寶馬、奔馳、奧迪、通用汽車、卡特比勒等各大公司均針對各自的產(chǎn)品特點，分解了產(chǎn)品功能與PMI信息（尤其是公差）之間的映射關系，并制定了面向產(chǎn)品的企業(yè)級標準體系，進一步明確了產(chǎn)品在產(chǎn)品功能、零部件結合部接口、工裝定位裝夾接口、測量驗收采樣點等具體的技術規(guī)范，統(tǒng)一了供應鏈上下游對產(chǎn)品質量的觀測點與控制點。另一方面，以Siemens PLM為代表的各大工業(yè)軟件也以上述ISO標準為基礎，提供了基于ISO標準的軟件功能體系，以便于各大公司根據(jù)自身特點進行二次開發(fā)與集成應用。形成了以PLM系統(tǒng)為平臺打通一切基于ISO PMI標準的研發(fā)活動，以CAD設計軟件為工具進行基于ISO GPS（或GD&T）標準的結構特征公差標注， 以 CAT（Computer Aided Tolerance Design）幾何容差分配與公差仿真軟件為工具進行基于ISO GPS（或GD&T）的幾何公差仿真驗證，以CAI（Computer Aided Inspection）檢測軟件為工具進行基于ISO GPS（或GD&T）標準的測量規(guī)劃與測量數(shù)據(jù)采集，以及以CAQ（Computer Aided Quality Analysis）質量分析軟件為工具進行基于ISO GPS（或GD&T）標準的質量過程能力分析與可靠性分析。

ISO GPS不僅給出了先進的幾何精度設計與控制理念、思路和方法，更通過準確描述產(chǎn)品功能與公差體系的映射關系，提供了可實際操作應用的先進工具。當復雜的研制活動，攜帶著面向產(chǎn)品功能的公差標注標準，在基于ISO PMI標準體系的工業(yè)軟件平臺上實現(xiàn)跨供應鏈網(wǎng)絡進行流動的時候，研制產(chǎn)品的功能穩(wěn)定性與制造經(jīng)濟性得到了快速的迭代，收斂于全局最優(yōu)。

3.2 MBD在企業(yè)內(nèi)的應用研究

在實際應用中，各工業(yè)軟件響應ISO標準均存在著一定的滯后，標準化的3D PMI數(shù)據(jù)并不能在所有軟件中實現(xiàn)無損交互。從單一企業(yè)視角來看，通常企業(yè)會選擇一家數(shù)字化工程研制領域產(chǎn)品鏈盡量廣的軟件公司，部署同一軟件平臺下的PDM、CAD、CAM系統(tǒng)來支持產(chǎn)品的研制活動。由于同一軟件平臺擁有相同的數(shù)據(jù)格式與接口，CAD系統(tǒng)中創(chuàng)建的PMI信息可以在不同的功能模塊中實現(xiàn)繼承，基于PMI信息實現(xiàn)進行面向特征的CAM加工規(guī)劃，基于PMI信息實現(xiàn)幾何公差仿真與可制造性分析，基于PMI信息實現(xiàn)CAI測量仿真軌跡規(guī)劃，關聯(lián)PMI信息實現(xiàn)加工質量可視化顯示與超差分析等。

從產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的視角來看，基于模型的PMI不僅降低了進行2D制圖的需求，還可以使下游應用直接獲取這些信息以實現(xiàn)任務的自動化完成。比如基于幾何特征的PMI進行刀具選擇、工藝規(guī)劃與數(shù)控加工程序的編制，進行公差仿真與三坐標測量程序的編制。通過在企業(yè)范圍內(nèi)對3D PMI的價值產(chǎn)生廣泛的理解與認同，數(shù)據(jù)在整個研制流程中的傳遞效率大幅提升，企業(yè)研制效率與研制質量得到了保障。

然而，由于同一軟件平臺下所擁有的產(chǎn)品模塊有限，當需要接入第三方軟件時，第三方軟件與平臺的接口至關重要。大多數(shù)第三方軟件均采用了在平臺軟件端開發(fā)應用插件與用戶界面的方式，在用戶使用時接管PMI創(chuàng)建與管理功能，以實現(xiàn)在該軟件導入3D模型時，實現(xiàn)PMI信息的繼承。顯然，這種集成方式只適合那些只需接入一個第三方軟件的使用場景。對于需要同時接入多個第三方軟件的情況，這種通過占有PMI創(chuàng)建權的集成方式便無所適從。圖5為不同數(shù)據(jù)格式與統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式在數(shù)字交互中的對比。

圖5 不同數(shù)據(jù)格式（左）與統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式（右）在數(shù)據(jù)交互中的對比

3.3 MBD在供應鏈上的應用研究

MBD在供應鏈間的應用，必然會遇到模型在不同軟件間進行數(shù)據(jù)交互的問題，PMI數(shù)據(jù)的通用性和自動轉換能力成為了MBD跨供應鏈應用的關鍵因素。2017年5月，普度大學、洛克希德馬丁和羅-羅發(fā)動機公司聯(lián)合ITI數(shù)據(jù)公司共同開發(fā)了一個真實完整的MBD產(chǎn)品全生命周期案例。項目組基于NAS3500、MIL-STD-31000A和ASME Y14.41等工業(yè)標準，基于語義的PMI信息與技術屬性數(shù)據(jù)，使用當時最新版的三維CAD建模軟件（NX11、CatiaV5R26）、數(shù)據(jù)轉換與有效性驗證軟件（ITI DEXcenter和CADIQ、Anark 3D PDF）、數(shù)據(jù)與應用軟件（Zeiss三坐標幾何測量軟件、增材制造軟件3MF reader），針對基于平板電腦的可視化產(chǎn)品技術數(shù)據(jù)包（TPD），測試了多種中間格式的模型（STEP AP 242、3D PDF、JT）在供應鏈間無損傳遞的可行性，并形成了經(jīng)驗教訓與最佳實踐，對實現(xiàn)數(shù)據(jù)價值所需要的前提條件進行了總結：①設計要求的創(chuàng)建必須可以支持業(yè)務需求與數(shù)據(jù)使用價值；②數(shù)據(jù)質量至關重要，數(shù)據(jù)可信，強調(diào)數(shù)據(jù)重用性、提升的效率；③文化的改變，理解產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)的使用，推薦通過培訓與管理命令來支持PMI信息的創(chuàng)建；④數(shù)據(jù)必須是經(jīng)驗證有效的。

每個CAD軟件在功能實現(xiàn)上都有所不同，實現(xiàn)某一建模或PMI標注目標的方式也不唯一。在供應鏈場景下，組織需要聚焦如何使用這些CAD工具軟件以使得下游用戶可以直接使用這些數(shù)據(jù)。一個至關重要條件是將不同格式的模型轉換成輕量化的中間格式，以使得3D模型可以真正代替2D圖紙在下游各環(huán)節(jié)真正發(fā)揮價值。為此，模型必須至少承載以下內(nèi)容：①標題、歷史版本信息以及其它合法的信息；②按特征或元素進行管理的GD&T幾何與尺寸公差；③面向使用目的而分層呈現(xiàn)的標注與注釋信息；④保存好的視圖或組合視圖以呈現(xiàn)恰當?shù)臉俗⑿畔ⅰ?/p>

項目組模擬了從原廠商到供應商之間的數(shù)據(jù)傳遞，測試了不同軟件之間的機器可讀性。雖然其表現(xiàn)并不完美，比如部分PMI數(shù)據(jù)丟失了顯示方向與視窗大小等信息，輸入的PMI信息是圖形化的，缺少了語義信息等等，制約了制造端直接應用PMI信息。但其制約因素非常清晰，即MBD的質量、對標準的遵守程度仍然是主要制約因素。隨著STEP AP 242的語義表達標準越來越完善與成熟，基于語義的PMI表達也會越來越完善。

4 航天幾何量研制MBD應用現(xiàn)狀與展望

4.1 現(xiàn)狀

近年來，航天各廠所陸續(xù)推行了“三維模型下廠”工作，但大部分處于三維模型下的二維標注水平。相對于國際一流宇航公司，對MBD應用的探索處于起步階段。具體表現(xiàn)如下。

a）在進行幾何公差設計中，對面向功能的ISO GPS（或GD&T）幾何公差標注標準較為陌生，基于模型的PMI數(shù)據(jù)不具備科學表達的基礎。

b）在基于模型的PMI信息標注中，對面向支持多場景協(xié)同的ISO TPD產(chǎn)品技術數(shù)據(jù)包標注標準尚未采納，基于模型的PMI數(shù)據(jù)不便于分場景傳遞。

c）在軟件選型、二次開發(fā)等工作中，對面向數(shù)據(jù)自動交互與處理的ISO PDRE產(chǎn)品數(shù)據(jù)表達與交換標準尚未涉及，下游軟件產(chǎn)品的數(shù)據(jù)交互性尚未考慮。

由于未采用先進的幾何特性標注標準，模型工程信息的表述在精確程度、完備程度方面存在缺陷，無法承載各研制環(huán)節(jié)的工程意圖，并未完全發(fā)揮三維模型的優(yōu)勢。

4.2 展望

展望未來，迫切需要在以下幾個方面展開工作。

a）研究面向設計功能與制造能力的航天產(chǎn)品GPS幾何公差標注方法，從產(chǎn)品裝配要實現(xiàn)的幾何功能要求和制造過程能力出發(fā)，基于GPS標準，對零件產(chǎn)品幾何誤差的允許程度進行分解。

b）研究面向制造場景的PMI信息分包方法，基于TPD標準，從產(chǎn)品下游研制環(huán)節(jié)對PMI信息的需求出發(fā)，按場景對PMI信息進行打包。

c）研究面向數(shù)據(jù)跨組織自動交互的PMI數(shù)據(jù)表達方法，基于PDRE標準，從CAM加工自動編程與CAI測量自動編程的需求出發(fā)，對PMI數(shù)據(jù)在不同軟件中的交互接口進行開發(fā)。

d）研究基于MBSE的數(shù)字化研制流程，實現(xiàn)基于模型的PMI信息在研制流程中的自動化交互。

MBD是解決航天產(chǎn)品快速研制的重要基礎技術，PMI數(shù)據(jù)在研制流程的自動化交互是其典型特征；同時，MBD也是一項非常龐大的系統(tǒng)工程，國際上對MBD的實踐與總結已有近40年的歷史，并形成了較為成熟的國際標準體系，可供借鑒?？梢灶A見，在引進吸收相關國際標準的基礎上，MBD技術的應用將會為建設國際一流宇航企業(yè)提供有效的技術支撐。