張 帥

(中國電科網(wǎng)絡(luò)通信研究院，河北 石家莊 050200)

1 MBD技術(shù)概述

基于模型的定義(Model Based Definition，MBD)技術(shù)有時(shí)也被稱為數(shù)字化產(chǎn)品定義技術(shù)，是一種面向計(jì)算機(jī)應(yīng)用的產(chǎn)品數(shù)字化定義技術(shù)，核心思想是用一個(gè)集成的三維實(shí)體模型完整地表達(dá)產(chǎn)品定義信息，實(shí)現(xiàn)面向制造的設(shè)計(jì)。

MBD技術(shù)充分利用三維模型直觀、可視化和準(zhǔn)確表達(dá)的特點(diǎn)，將產(chǎn)品全生命周期過程中所需的幾何信息和非幾何信息以注釋或?qū)傩缘姆绞礁郊拥饺S模型中，使三維模型成為生產(chǎn)制造過程中的唯一依據(jù)，為設(shè)計(jì)人員擺脫繁重瑣碎的二維制圖工作提供了可能[1-2]。

基于模型的系統(tǒng)工程(Model Based Systems Engineering，MBSE)技術(shù)是一種形式化的建模方法學(xué)，以模型驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)工程解決復(fù)雜產(chǎn)品和系統(tǒng)工程研發(fā)面臨的問題。以通用系統(tǒng)模型為橋梁和框架，實(shí)現(xiàn)跨領(lǐng)域模型的可追蹤、可驗(yàn)證及全生命周期動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，驅(qū)動(dòng)從概念設(shè)計(jì)、工程研制、運(yùn)行維護(hù)全生命周期的工程過程和活動(dòng)。MBSE是MBD更高層次的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了機(jī)電軟一體化，由“物理樣機(jī)”發(fā)展為“數(shù)字樣機(jī)”，目前是國內(nèi)外競相發(fā)展的領(lǐng)域，且在航天、航空、高鐵、電科等重要型號研制中有廣泛的應(yīng)用。

2 MBD技術(shù)發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

2.1 MBD技術(shù)發(fā)展歷程

進(jìn)入工業(yè)化時(shí)代以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和三維CAD技術(shù)的成熟與普及，產(chǎn)品定義技術(shù)經(jīng)歷了“二維設(shè)計(jì)、二維出圖”“三維設(shè)計(jì)、二維出圖”(見圖1)和MBD全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)3個(gè)階段。2003年，美國形成了美國國家標(biāo)準(zhǔn)《數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)實(shí)施規(guī)程》(ASMEY14.41—2003)。2006年，ISO制定了標(biāo)準(zhǔn)草案《技術(shù)產(chǎn)品文件 數(shù)字產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則》(ISO16792)。2009年，我國制定了《技術(shù)產(chǎn)品文件數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則》(GB/T24734.11—2009)系列標(biāo)準(zhǔn)。全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)模式得到了國內(nèi)外研發(fā)制造企業(yè)的認(rèn)可，并得到大力的推廣應(yīng)用。

圖1 三維設(shè)計(jì)、二維出圖存在的重復(fù)工作

2.2 國內(nèi)外MBD技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)成為提升研制效率的重要手段。國外發(fā)達(dá)國家在航空航天產(chǎn)品領(lǐng)域都已實(shí)現(xiàn)了MBD技術(shù)對傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的改造，如美國空軍JSF戰(zhàn)斗機(jī)和空客A380的研制都是成功的范例，空客A380通過數(shù)字化研制實(shí)現(xiàn)整架客機(jī)減重1 000 kg。2004年的波音787項(xiàng)目大規(guī)模采用了MBD技術(shù)，使得研發(fā)周期縮短了40%，工程返工減少了50%，帶來了巨大的利益。目前國外先進(jìn)企業(yè)紛紛開展以MBSE、數(shù)字樣機(jī)、智能制造為核心的新技術(shù)、新方法的應(yīng)用[3-5]。雷神公司2010年建設(shè)“數(shù)字化企業(yè)”，推進(jìn)MBSE設(shè)計(jì)模式變革，提出“模型就是設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)就是產(chǎn)生模型”的新理念。空客、波音、洛克希德馬丁公司推廣應(yīng)用MBSE，構(gòu)建“全程”“全員”“實(shí)時(shí)”的數(shù)字樣機(jī)，并開展工業(yè)大數(shù)據(jù)的挖掘，實(shí)現(xiàn)性能更加卓越、質(zhì)量更加可靠的飛機(jī)研發(fā)模式。

基于MBD的數(shù)字化研制模式在國內(nèi)航空制造業(yè)率先開展并發(fā)展迅猛。2011年以某型戰(zhàn)斗機(jī)為試點(diǎn)的全三維設(shè)計(jì)產(chǎn)品首飛成功，業(yè)界開始探索三維模型在工藝、制造、檢驗(yàn)階段的擴(kuò)展應(yīng)用。自2011年起，航空航天企業(yè)如火如荼地開展了“三維模型下車間”的研制模式，大幅提高了型號研制效率。目前航空、航天、電子、船舶、兵器、中車等集團(tuán)均開展了基于MBD的探索應(yīng)用，在飛機(jī)、衛(wèi)星、導(dǎo)彈、高鐵等重要型號研制中全面推行MBD全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)工作。先進(jìn)企業(yè)已實(shí)現(xiàn)基于三維模型的設(shè)計(jì)、工藝、制造、檢驗(yàn)及保障運(yùn)維的全生命周期的貫通及數(shù)據(jù)管理，并開展了MBSE與數(shù)字孿生的研究，在物理樣機(jī)→數(shù)字化樣機(jī)方面開展探索應(yīng)用。

2.3 國內(nèi)科研院所MBD技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

目前國內(nèi)科研院所大多仍處于“三維設(shè)計(jì)、二維出圖”階段，迫切需要發(fā)展到MBD全三維階段。設(shè)計(jì)階段基本已實(shí)現(xiàn)Pro/E等全三維設(shè)計(jì)軟件，但工藝、制造、檢驗(yàn)等階段以二維信息為主，基于MBD的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)應(yīng)用還處于起步階段，還未實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、工藝、制造、檢驗(yàn)之間的協(xié)同，產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)、制造效率相對較低，基于三維模型的加工制造、裝配等設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的傳遞和應(yīng)用遠(yuǎn)未達(dá)到應(yīng)有效果。由于缺少外購器件三維模型，整部件級仍以二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)為準(zhǔn)，設(shè)計(jì)更改及返工率較高，產(chǎn)品可制造性差，在設(shè)計(jì)、工藝、制造等環(huán)節(jié)產(chǎn)生大量勞動(dòng)浪費(fèi)，嚴(yán)重降低了研制效率和創(chuàng)新性。

3 MBD數(shù)字化研制的必要性與優(yōu)勢

采用基于MBD的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)研制模式的創(chuàng)新，也是建立強(qiáng)大產(chǎn)品研制能力的有效途徑。在數(shù)據(jù)源一致、流程優(yōu)化、模型瀏覽、模型利用等方面可大量減少人力和重復(fù)勞動(dòng)。

基于MBD的數(shù)字化研制模式已成為企業(yè)轉(zhuǎn)型的發(fā)展趨勢。三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)在設(shè)計(jì)、工藝、仿真、制造及檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)全過程的模型數(shù)字化結(jié)構(gòu)化流轉(zhuǎn)，從用戶需求到產(chǎn)品交付，實(shí)現(xiàn)基于模型的產(chǎn)品全生命周期“端到端”數(shù)字化價(jià)值鏈的優(yōu)化，提升了產(chǎn)品的研制效率[6]。

三維數(shù)字化研制不只是單純的三維模型化，而是三維模型化后帶來的一系列的研制模式變化，也是實(shí)現(xiàn)“物理樣機(jī)”到“數(shù)字樣機(jī)”突破的必經(jīng)之路。航空航天等先進(jìn)企業(yè)自2011年開始發(fā)展基于MBD的研制模式，生產(chǎn)效率大幅提高，目前已開始發(fā)展基于MBSE的機(jī)電軟一體化系統(tǒng)級的研制模式，且已取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，在很多航空航天項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品由設(shè)計(jì)方案階段到正樣階段的突破，大幅提高了產(chǎn)品的研制效率和創(chuàng)新性。

發(fā)展基于MBD的數(shù)字化研制模式對現(xiàn)有科研生產(chǎn)具有重要意義：

(1)設(shè)計(jì)師不再輸出二維圖紙。三維建模后，材料、尺寸、注釋和要求可以在模型中直接標(biāo)注。產(chǎn)品生產(chǎn)中全三維流轉(zhuǎn)，不再輸出圖紙，減少不必要的人力和大量重復(fù)勞動(dòng)。

(2)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)源統(tǒng)一。三維建模軟件可推動(dòng)建立統(tǒng)一的產(chǎn)品模型、通用件模型、外購器件模型的數(shù)據(jù)庫，便于設(shè)計(jì)師選用與知識共享，降低設(shè)計(jì)師的工作量和產(chǎn)品的返工率。

(3)提高了產(chǎn)品的創(chuàng)新性。一般產(chǎn)品換代升級有70%延續(xù)原設(shè)計(jì)，產(chǎn)品全部三維化便于更好地設(shè)計(jì)創(chuàng)新性的產(chǎn)品，更好地開展電磁仿真、熱仿真、三維裝配仿真等，從“串行研發(fā)”到“并行研發(fā)”的研發(fā)模式轉(zhuǎn)變，提升科研創(chuàng)新能力。

(4)建立基于三維的產(chǎn)品維保體系。建立交互式電子手冊和訓(xùn)練維護(hù)平臺，滿足用戶需求，實(shí)現(xiàn)電子裝備的數(shù)字化、智能化維修。

4 MBD技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用

電子裝備制造業(yè)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)型升級要打破傳統(tǒng)的思想，從以生產(chǎn)和市場為中心轉(zhuǎn)到以客戶為中心，產(chǎn)品設(shè)計(jì)增強(qiáng)用戶體驗(yàn)，更加智能化，制造過程全部數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)定制化生產(chǎn)、眾包設(shè)計(jì)、協(xié)同制造等研產(chǎn)并行的新的研制模式創(chuàng)新。

4.1 產(chǎn)品研發(fā)

產(chǎn)品數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)階段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、接線設(shè)計(jì)等全部模型化，實(shí)現(xiàn)從“物理樣機(jī)”到“數(shù)字樣機(jī)”的轉(zhuǎn)變和從“串行研發(fā)”到“并行研發(fā)”的轉(zhuǎn)變。

(1)基于PRO/e等三維建模軟件及版本一致性。建模標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)環(huán)境、外購器件模型庫、模型公差選取及流程簽署等一致。

(2)三維建模軟件集成三維標(biāo)注工具和裝配性干涉檢查工具?；谌S模型完整定義產(chǎn)品，不再輸出二維圖紙。避免目前基于二維圖紙常見的裝配干涉的問題，尤其適用于星載機(jī)載等空間狹小且復(fù)雜的產(chǎn)品。

(3)基于模型進(jìn)行產(chǎn)品DFM可制造性分析仿真協(xié)同設(shè)計(jì)。解決二維文檔圖紙中可裝配性差的問題。線纜均三維模型化，接線表自動(dòng)導(dǎo)出，自動(dòng)檢查線纜與外購器件的匹配性。

4.2 工藝設(shè)計(jì)

產(chǎn)品工藝基于三維模型設(shè)計(jì)，由二維文檔化發(fā)展為三維結(jié)構(gòu)化。利用三維模型特征提取技術(shù)通過模型內(nèi)容匹配高效利用已有工藝設(shè)計(jì)結(jié)果，提升工藝設(shè)計(jì)效率。

(1)基于三維模型的更改比對。結(jié)構(gòu)零部件數(shù)控編程可實(shí)現(xiàn)已編程的模型與最新模型比對，提高程序的復(fù)用性，解決數(shù)控編程錯(cuò)誤的問題。

(2)基于三維模型的工藝設(shè)計(jì)。工藝設(shè)計(jì)工序、工步、刀具、程序等均結(jié)構(gòu)化，工步要求參數(shù)化，生成三維工藝文件。三維工藝文件數(shù)據(jù)提取挖掘，構(gòu)建工藝知識管理平臺，實(shí)現(xiàn)工藝知識推送。

(3)基于三維模型的工藝仿真。針對復(fù)雜彈載、星載、吊艙、機(jī)載等產(chǎn)品空間結(jié)構(gòu)狹小的問題，以項(xiàng)目為試點(diǎn)，應(yīng)用三維裝配、三維布線仿真，還可拓展進(jìn)行電子整機(jī)電磁仿真、熱仿真等深入應(yīng)用。

4.3 生產(chǎn)制造方面

開展MES系統(tǒng)、生產(chǎn)計(jì)劃管理系統(tǒng)、物資采購系統(tǒng)等深度集成，實(shí)現(xiàn)具有“全程無紙化、自動(dòng)化”特征的新型制造模式。構(gòu)建精細(xì)化、系統(tǒng)化的數(shù)字化生產(chǎn)組織與管理，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)制造向數(shù)字化高端制造的轉(zhuǎn)變。

(1)搭建全三維的設(shè)計(jì)/工藝/制造一體化研發(fā)環(huán)境。基于模型的尺寸標(biāo)注、技術(shù)要求、三維工藝要求等數(shù)字化流轉(zhuǎn)，模型、程序等與生產(chǎn)任務(wù)關(guān)聯(lián)，在現(xiàn)場瀏覽展示三維模型、三維工藝和三維作業(yè)指導(dǎo)書，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)無縫銜接。

(2)發(fā)展基于三維模型的檢驗(yàn)定義技術(shù)?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)，應(yīng)用多目檢測、自動(dòng)數(shù)讀測量儀器等三維檢測技術(shù)，實(shí)測數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)工藝數(shù)據(jù)自動(dòng)識別匹配，檢驗(yàn)結(jié)果自動(dòng)判別。建立基于模型的問題反饋渠道，產(chǎn)品試制完成現(xiàn)場制造數(shù)據(jù)反饋至設(shè)計(jì)階段，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)/工藝/制造的水平。

(3)計(jì)劃執(zhí)行全過程管控。完善外協(xié)生產(chǎn)管理系統(tǒng)，并與生產(chǎn)計(jì)劃管理系統(tǒng)通過內(nèi)外網(wǎng)單向網(wǎng)閘進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)外生產(chǎn)制造全過程管控。外協(xié)生產(chǎn)管理系統(tǒng)具備生產(chǎn)進(jìn)度管理、生產(chǎn)質(zhì)量管理、問題反饋管理模塊功能，查詢統(tǒng)計(jì)外協(xié)廠家任務(wù)執(zhí)行情況、產(chǎn)品質(zhì)量情況及研制圖紙更改需求。生產(chǎn)計(jì)劃管理系統(tǒng)生產(chǎn)任務(wù)排產(chǎn)數(shù)據(jù)可推送到外協(xié)生產(chǎn)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)歸集整理，滿足科研項(xiàng)目的需求。

(4)建設(shè)自動(dòng)分揀、場內(nèi)配送等智能物流系統(tǒng)。物料出入庫掃碼存取全覆蓋，數(shù)量核對智能檢查，減少人工數(shù)數(shù)易出錯(cuò)的問題。物料AGV小車自動(dòng)配送，收取自動(dòng)記錄，減少人工交接工作的問題。

5 結(jié)語

研制模式是企業(yè)的地基，只有地基穩(wěn)固可靠，才能建設(shè)成參天大廈。中國航空工業(yè)快速發(fā)展受益于全過程數(shù)字化研制，才會(huì)有大國重器列裝。回望以前的歷程，20年前很多單位還沒有局域網(wǎng)，而現(xiàn)在5G即將普及。同樣，現(xiàn)在我們難以想象20年之后的樣子，所以要擁抱改革創(chuàng)新，融入新時(shí)代。

三維數(shù)字化研制已成為世界一流企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的必經(jīng)之路。緊跟時(shí)代發(fā)展節(jié)奏，逐級發(fā)展基于模型的定義(MBD)→基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)→基于模型的企業(yè)(MBE)。以“全數(shù)字、全互聯(lián)、全智能”為愿景，全面升級產(chǎn)品研發(fā)、企業(yè)管理等運(yùn)營要素，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的戰(zhàn)略目標(biāo)。相信國內(nèi)科研院所通過幾年建設(shè)，將實(shí)現(xiàn)基于模型驅(qū)動(dòng)的智能研發(fā)、工業(yè)大數(shù)據(jù)下的智能生產(chǎn)，上下穿透、全息感知，實(shí)現(xiàn)對企業(yè)運(yùn)營的全面深入管控，形成“智慧院所”新模式(見圖2)。

圖2 未來智能制造發(fā)展模式