基于MBD的航天設(shè)計(jì)制造一體化研究與應(yīng)用

黨衛(wèi)兵，徐增光，鄭丹力，李宇平，樊　浩

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

0　引　言

隨著數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)在航空航天等國防行業(yè)的廣泛應(yīng)用，特別是三維CAD(Computer Aided Design，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))技術(shù)的日益普及，以及CAM(Computer Aided Manufacturing，計(jì)算機(jī)輔助制造)技術(shù)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(hào)產(chǎn)品研制要求[1]。以國內(nèi)某航天無人飛行器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造一體化協(xié)同研制為例，產(chǎn)品研制模式可分解為：設(shè)計(jì)單位以二維圖為依據(jù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并通過在二維圖上標(biāo)注的尺寸和技術(shù)要求來傳遞工藝和制造信息；設(shè)計(jì)師通過電話、Email、線下溝通等方式與工藝人員進(jìn)行技術(shù)協(xié)商；設(shè)計(jì)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(rèn)，并根據(jù)該圖紙進(jìn)行工藝編制、工藝仿真、產(chǎn)品制造和檢驗(yàn)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(shè)計(jì)端下發(fā)的是二維圖紙，其對(duì)應(yīng)的三維模型沒有下發(fā)給制造廠，導(dǎo)致模型無法被工藝和制造重復(fù)利用，大幅增加了全生命周期內(nèi)型號(hào)產(chǎn)品研制的工作量，也不利于數(shù)字化制造技術(shù)的應(yīng)用推進(jìn)。

2) 設(shè)計(jì)與工藝的溝通以及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)向制造廠的下發(fā)效率低下，嚴(yán)重影響了航天型號(hào)產(chǎn)品的研制周期。

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

1　基于MBD的設(shè)計(jì)制造一體化模型

為了協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)和制造之間的矛盾，設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分考慮制造和裝配的要素，將三維設(shè)計(jì)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(shí)，設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造的集成化、一體化。圖1為本文構(gòu)建的基于MBD的航天設(shè)計(jì)制造一體化模型。其實(shí)現(xiàn)關(guān)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(gòu)建與管理、設(shè)計(jì)制造一體化研制流程、基礎(chǔ)資源庫、數(shù)據(jù)傳遞、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系等內(nèi)容。

圖1　基于MBD的航天設(shè)計(jì)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(gè)集成的三維實(shí)體模型來完整地表達(dá)產(chǎn)品定義信息，實(shí)現(xiàn)面向制造的設(shè)計(jì)。MBD使三維實(shí)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(shí)體模型為輔的制造方法[2-4]。1997年，美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)在波音公司的協(xié)助下發(fā)起了三維標(biāo)注技術(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)化的研究，并最早于2003年形成了美國國家標(biāo)準(zhǔn)“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(biāo)準(zhǔn)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(shù)產(chǎn)品文件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)以ISO 16792為藍(lán)本，制定了GB/T 24734.1～24734.11-2009《技術(shù)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(hào)產(chǎn)品基于MBD的產(chǎn)品建模關(guān)鍵是：設(shè)計(jì)的三維模型必須正確、完整并且可被工藝和制造復(fù)用。為此，三維模型需包含兩方面內(nèi)容：模型幾何信息和標(biāo)注信息。模型幾何信息主要包括產(chǎn)品的點(diǎn)、線、面等信息；標(biāo)注信息除了要求三維尺寸標(biāo)注信息外，還應(yīng)包括工藝描述信息、加工制造信息、檢驗(yàn)信息以及其他管理信息等。三維建模和三維標(biāo)注需確保上游設(shè)計(jì)單位和下游制造單位之間的意見統(tǒng)一，才能為設(shè)計(jì)制造一體化的開展和實(shí)現(xiàn)提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1.2　BOM構(gòu)建與管理

作為設(shè)計(jì)制造一體化中產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的核心，BOM的管理至關(guān)重要。在工程設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和物料項(xiàng)的設(shè)計(jì)屬性。在工藝設(shè)計(jì)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(nèi)容。本文構(gòu)建的某航天型號(hào)產(chǎn)品BOM結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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

EBOM的每個(gè)節(jié)點(diǎn)均關(guān)聯(lián)了不同的設(shè)計(jì)文件，包括：三維模型、工程圖、技術(shù)文件、接口文件、各類表格等，它們共同描述了整個(gè)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(jìn)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(gòu)工作，無需憑空搭建PBOM，大大提高了工作效率。

1.3　設(shè)計(jì)制造一體化研制流程

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

1) 設(shè)計(jì)師充分考慮工藝、制造等方面的要求后，進(jìn)行MBD產(chǎn)品建模。其中三維標(biāo)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(dá)了產(chǎn)品的編碼、材料、質(zhì)量、類型、是否成套等信息。

圖3　研制流程Fig. 3　Development process

2) 模型構(gòu)建完成后進(jìn)行模型規(guī)范性檢查、干涉檢查以及工藝性檢查，對(duì)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(shè)計(jì)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(duì)其進(jìn)行工藝預(yù)審，發(fā)現(xiàn)問題可通過PDM系統(tǒng)及時(shí)向上游設(shè)計(jì)單位進(jìn)行反饋處理。工藝預(yù)審?fù)瓿珊?，設(shè)計(jì)師啟動(dòng)正式流程，將模型進(jìn)行送審，各審簽環(huán)節(jié)進(jìn)行三維可視化審查。

3) 受控的三維模型通過PDM系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)下發(fā)。制造廠接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行EBOM向PBOM的重構(gòu)，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(shè)計(jì)和工裝設(shè)計(jì)，再基于工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行專業(yè)工藝仿真與裝配仿真。

4) ERP(Enterprise Resources Planning，企業(yè)資源計(jì)劃)系統(tǒng)從PDM系統(tǒng)中獲取相關(guān)數(shù)據(jù)信息后完成生產(chǎn)計(jì)劃的管理，整個(gè)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(cè)量軟件直接讀取含三維標(biāo)注的MBD模型，驅(qū)動(dòng)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，并進(jìn)行測(cè)量結(jié)果評(píng)價(jià)，避免了中間的二維圖紙轉(zhuǎn)換，大大加快檢測(cè)速度和準(zhǔn)確度。

1.4　基礎(chǔ)資源庫

航天型號(hào)產(chǎn)品研制過程中，設(shè)計(jì)與制造雙方都會(huì)使用到基礎(chǔ)資源庫，如：標(biāo)準(zhǔn)件庫、材料庫、元器件庫等。傳統(tǒng)模式下，資源庫各自獨(dú)立構(gòu)建在每個(gè)企業(yè)中，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，導(dǎo)致數(shù)據(jù)模型傳遞到下游后，不能夠被正確的識(shí)別和利用，容易產(chǎn)生低層次產(chǎn)品質(zhì)量問題。為此，本文提出了如圖4所示的基礎(chǔ)資源庫體系框架，設(shè)計(jì)和制造單位均統(tǒng)一使用該基礎(chǔ)資源庫進(jìn)行型號(hào)產(chǎn)品研制。

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

該基礎(chǔ)資源庫的主要內(nèi)容包括：

1) 統(tǒng)一的編碼體系。建立適應(yīng)于設(shè)計(jì)與制造協(xié)同研制的統(tǒng)一編碼體系，有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)航天基礎(chǔ)資源的統(tǒng)一管理，減少編碼的重復(fù)建設(shè)，提高數(shù)據(jù)管理效率。

2) 面向CAD/CAE工具的編碼化實(shí)體庫。如：EDA設(shè)計(jì)的符號(hào)庫、PCB封裝庫、仿真庫以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用的三維標(biāo)準(zhǔn)件模型庫等。

3) 基礎(chǔ)資源相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、器件手冊(cè)、廠家資料等非結(jié)構(gòu)化文檔。

1.5　數(shù)據(jù)傳遞

傳統(tǒng)的手工紙質(zhì)文件的發(fā)放，已經(jīng)不能滿足數(shù)字化時(shí)代設(shè)計(jì)與制造間的協(xié)同研制需求。作為設(shè)計(jì)制造一體化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，必須保證電子數(shù)據(jù)從設(shè)計(jì)單位向制造廠的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)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(jìn)行傳遞的數(shù)據(jù)對(duì)象的類型和屬性要保持一致或者進(jìn)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(shè)計(jì)與制造之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，數(shù)據(jù)包中應(yīng)包括對(duì)象的實(shí)體數(shù)據(jù)、對(duì)象的屬性信息、關(guān)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(jié)構(gòu)導(dǎo)出/導(dǎo)入原則；4)數(shù)據(jù)版本的映射及對(duì)應(yīng)規(guī)則。

1.6　標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系

為了保證產(chǎn)品研制過程中設(shè)計(jì)與制造之間、各系統(tǒng)上下游之間的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，使產(chǎn)品的數(shù)字化研制有效、有序、規(guī)范地進(jìn)行，必須要建立一套適應(yīng)企業(yè)自身的數(shù)字化協(xié)同研制標(biāo)準(zhǔn)體系，以有效指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造一體化研制。

本文構(gòu)建了基于MBD的設(shè)計(jì)制造一體化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，如圖5所示，內(nèi)容涵蓋了設(shè)計(jì)制造一體化管理標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)同標(biāo)準(zhǔn)、制造標(biāo)準(zhǔn)等方面的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

圖5　標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系Fig. 5　Standards and regulations system

2　應(yīng)用實(shí)例

以航天某無人飛行器艙外電纜罩為例，設(shè)計(jì)單位基于MBD技術(shù)完成了電纜罩的全三維標(biāo)注和建模，如圖6所示。

圖6　三維標(biāo)注模型Fig. 6　3D annotation model

對(duì)其進(jìn)行模型檢查并將異常問題進(jìn)行修正后檢入PDM系統(tǒng)，形成的EBOM結(jié)構(gòu)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(jìn)行PBOM重構(gòu)，并基于PBOM和三維模型開展三維結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)，構(gòu)建工序模型，編制數(shù)控程序，進(jìn)行工藝仿真，如圖8所示。在計(jì)劃環(huán)節(jié)，以PBOM驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)計(jì)劃、備料、領(lǐng)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(shè)計(jì)模型，調(diào)取數(shù)控程序發(fā)送至數(shù)控設(shè)備進(jìn)行加工生產(chǎn)。

圖8　工藝仿真Fig. 8　Process simulation

在產(chǎn)品檢驗(yàn)環(huán)節(jié)，車間檢驗(yàn)人員在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)通過測(cè)量軟件，基于MBD模型直接驅(qū)動(dòng)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x完成實(shí)物檢測(cè)。

3　結(jié)束語

基于MBD的設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)，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(zhuǎn)變航天型號(hào)產(chǎn)品研制體系的技術(shù)基礎(chǔ)。該技術(shù)大幅提高了設(shè)計(jì)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(zhǔn)確和直觀地理解設(shè)計(jì)意圖，降低因理解偏差而導(dǎo)致出錯(cuò)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。