李梅

摘 要：設(shè)計與制造的割裂是影響和制約飛機設(shè)計和生產(chǎn)效率的一大難題，基于MBD的設(shè)計制造一體化技術(shù)為解決這一難題提供了可行的方法?；谕w的組織構(gòu)架，作者從系統(tǒng)工程的角度，提出流程控制、工程數(shù)據(jù)和企業(yè)協(xié)同三層的劃分，目的是探討建立起一套可行的設(shè)計制造一體化模式，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計“飛機產(chǎn)品研制的設(shè)計制造一體化平臺”。

關(guān)鍵詞：航空制造 MBD 制造仿真 一體化

中圖分類號：V221 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）02（a）-0015-04

當(dāng)前，我國飛機研制的組織模式相當(dāng)程度還是“一個設(shè)計所，一個主機廠，幾個配套廠”的廠所分離格局形式。結(jié)果必然導(dǎo)致了制造部門拿到設(shè)計數(shù)據(jù)相對滯后，難以做到設(shè)計制造并行開展，從而不能有效地發(fā)揮信息技術(shù)的作用，縮短項目研制周期。另一方面，發(fā)生工程更改時，由于更改信息不能及時傳遞到制造端，帶來大量的制造返工工作量，進而項目周期、成本不斷上升。從系統(tǒng)的角度看，設(shè)計與制造的分離，是上下游數(shù)據(jù)流傳遞被人為的割裂，在實際生產(chǎn)管理中，缺乏上下游交流協(xié)調(diào)的有效手段。

近年來興起的MBD技術(shù)，已經(jīng)在波音787、空客A380等先進客機的研制生產(chǎn)過程中得到了廣泛應(yīng)用，打通了設(shè)計和制造之間的隔閡，取得了良好的效果。我國在從波音公司轉(zhuǎn)包生產(chǎn)的過程中也逐漸認(rèn)識到了MBD技術(shù)的巨大意義和廣闊前景，開始在中國航空工業(yè)中大力推行。

MBD（Model Based Definition）技術(shù)，即基于模型的定義，有時也被稱作數(shù)字化產(chǎn)品定義技術(shù)，是一種面向計算機應(yīng)用的產(chǎn)品數(shù)字化定義技術(shù)，其核心思想是用一個集成的三維實體模型來完整的表達產(chǎn)品定義信息，實現(xiàn)面向制造的設(shè)計。

MBD技術(shù)充分利用三維模型直觀、可視化和準(zhǔn)確表達的特點，將產(chǎn)品全壽命周期過程中所需要的幾何信息和非幾何信息，以注釋的方式附加在三維模型中，從而使三維模型成為生產(chǎn)制造過程中的唯一的可靠的依據(jù)。在進入到工業(yè)化時代以來，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和三維CAD技術(shù)的成熟，產(chǎn)品定義技術(shù)也隨之有了跨越式的發(fā)展，從二維圖紙到三維模型，大致可以分為3個階段。

一是設(shè)計和圖紙均為二維環(huán)境。這是從18世紀(jì)末畫法幾何被提出后，到20世紀(jì)末計算機三維繪圖技術(shù)成熟前，設(shè)計人員基本上唯一的手段。在這中間經(jīng)歷了從圖板手工繪圖到計算機繪圖變更，但本質(zhì)上仍未脫離二維設(shè)計的局限。

二是設(shè)計為三維環(huán)境，圖紙仍為二維圖紙。這一階段是伴隨著計算機軟硬件的發(fā)展，三維建模技術(shù)有了提高，CATIA、UG、SolidWorks等三維開發(fā)環(huán)境取代AutoCAD成為主流的設(shè)計手段。但是在出圖階段，仍然需要依靠計算機軟件完成投影、標(biāo)注，以傳統(tǒng)的二維圖紙的方式交付工廠生產(chǎn)，大部分情況下還需要附帶復(fù)雜的說明文檔。

三是基于MBD的全三維數(shù)字化設(shè)計生產(chǎn)。1997年，國際自動機工程師學(xué)會（SAE）就在波音的協(xié)助下開展了三維標(biāo)注技術(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)化的研究。其目的就是在三維模型中包含完整的制造所需信息，實現(xiàn)模型、標(biāo)注、屬性三者的整合。典型的波音公司在2004年的波音787項目中大規(guī)模采用了這一技術(shù)，使得研發(fā)周期縮短40%，工程返工減少了50%，取得了巨大的效益[1]。

1 MBD產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理

目前國內(nèi)飛機設(shè)計制造已趨向全面采用MBD技術(shù)進行產(chǎn)品設(shè)計，三維數(shù)模將成為設(shè)計與制造的唯一依據(jù)，同時推行設(shè)計工藝并行工作模式協(xié)同研制以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的串行工作模式，解決原有的工藝準(zhǔn)備周期較長、設(shè)計的溝通效率低下等問題。傳統(tǒng)基于二維圖紙的工藝設(shè)計方法無法從MBD設(shè)計數(shù)模中獲取制造信息來加速工藝設(shè)計效率，且也缺乏工藝驗證的手段，同時工藝可視化展示也能很大程度的提升車間現(xiàn)場人員的工作效率。

按照MBD技術(shù)基于主模型的數(shù)字化定義[2]，是一個用集成的三維實體模型來完整表達產(chǎn)品定義信息的方法。將三維產(chǎn)品設(shè)計信息與制造信息共同定義到產(chǎn)品的三維數(shù)據(jù)模型中，這就是主模型。主模型是設(shè)計模型、屬性信息和標(biāo)注等信息的集合。在設(shè)計模型中包含了產(chǎn)品的模型幾何和設(shè)計中所使用的輔助幾何；三維標(biāo)注信息包含了無需手工或外部處理就直接在三維模型上可見的尺寸、公差、注釋、表面粗糙度、焊接標(biāo)注、文本和符號等內(nèi)容；產(chǎn)品的屬性包含的是文件屬性和模型的對象屬性，比如：象模型特征所需的不可見的尺寸、公差、注釋、文本和符號等，但這些信息可通過查詢得到。采用MBD技術(shù)，在產(chǎn)品的整個生命周期中，摒棄二維圖樣，使工程技術(shù)人員從三維模型轉(zhuǎn)二維圖紙的繁重工作中解放出來，直接使用主模型作為制造依據(jù)，真正實現(xiàn)模具設(shè)計與制造過程的協(xié)同和并行，也是整個制造業(yè)的發(fā)展趨勢。

2 設(shè)計制造一體化模式

在設(shè)計制造一體化過程中，涉及到的就是EBOM和MBOM的協(xié)同。EBOM一般稱作零件明細(xì)表，以產(chǎn)品設(shè)計結(jié)構(gòu)樹的形式表達。主要反映整個產(chǎn)品的設(shè)計結(jié)構(gòu)，以此來對整個產(chǎn)品的生命周期進行進度規(guī)劃和任務(wù)安排。MBOM一般被稱作生產(chǎn)物料清單，是一種描述裝配結(jié)構(gòu)化的零件表。在MBOM中包含了所有的子裝配件的數(shù)量、裝配件之間的關(guān)系說明。

EBOM與MBOM協(xié)同，就意味著要建立EBOM與MBOM之間的聯(lián)系。當(dāng)前國內(nèi)外針對EBOM映射MBOM的問題做了大量的研究，各自有不同的解決辦法[3]。例如：在工藝設(shè)計時，采用生成工藝文件與動態(tài)更新EBOM樹同步進行的方法?；蛘呤菑难b配工藝路線出發(fā)生成裝配BOM，再經(jīng)過修改得到MBOM。也可以基于工藝流程構(gòu)造BOM原型，以EBOM和工藝流程結(jié)構(gòu)樹為基礎(chǔ)生成MBOM。

基于通飛華南公司當(dāng)前正處于實施中的“制造驗證系統(tǒng)項目”，提出以下三層架構(gòu)的設(shè)計制造一體化系統(tǒng)框架（如圖1）思路，這個框架包含了流程控制層、工程數(shù)據(jù)層和企業(yè)協(xié)同層。該系統(tǒng)框架僅僅是在思考如何根據(jù)通飛公司的實際情況，推進設(shè)計制造一體化的思路之一。

其中，流程控制層包含了企業(yè)的流程控制管理制度，可以分為：（1）產(chǎn)品設(shè)計控制流程；（2）工藝設(shè)計控制流程；（3）構(gòu)型控制流程；（4）發(fā)放控制流程。在前兩個過程中，均包含了相應(yīng)的審簽流程和更改流程，為設(shè)計和制造提供了制度保障。在構(gòu)型控制中，又可分為設(shè)計的構(gòu)型控制流程和制造的構(gòu)型控制流程，分別對應(yīng)這兩個流程的EBOM和MBOM也分別建立各自的發(fā)放流程。以上四類流程均由流程管理系統(tǒng)統(tǒng)一進行管理。

第二層的工程數(shù)據(jù)層是業(yè)務(wù)的核心層。包含了VPM系統(tǒng)和DELMIA系統(tǒng)，在VPM系統(tǒng)中實現(xiàn)產(chǎn)品以及其工裝和工藝的數(shù)模設(shè)計，包括產(chǎn)品之間的關(guān)聯(lián)、工裝之間的關(guān)聯(lián)以及工藝數(shù)模之間的關(guān)聯(lián)，由VPM系統(tǒng)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)在DELMIA環(huán)境中實現(xiàn)工藝規(guī)劃與設(shè)計仿真以及虛擬裝配等。在這一層中，所有的流程要受到流程控制系統(tǒng)的管控，同時，對流程控制的效果做出反饋，以提升流程控制的效率。

最下層為企業(yè)協(xié)同層，借助于Windchill系統(tǒng)，承擔(dān)供應(yīng)商管理、項目管理功能，實現(xiàn)部門間、單位間的協(xié)同工作。這一部分的數(shù)據(jù)同工程數(shù)據(jù)層也存在交互，主要體現(xiàn)在信息上的交互例如需求的輸入與反饋以及物料上的交互，如原材料的輸入及產(chǎn)品的輸出。

通過三層之間的協(xié)同作用，打通設(shè)計與制造之間的隔閡，從系統(tǒng)上建立了設(shè)計制造一體化的模式。

3 設(shè)計制造一體化平臺的初步實現(xiàn)與應(yīng)用

根據(jù)前期型號研制過程中遇到的瓶頸問題，通飛華南公司啟動了“制造驗證系統(tǒng)”項目，用于支撐型號工藝準(zhǔn)備及工藝設(shè)計階段的主要業(yè)務(wù)。并且研究基于三層架構(gòu)體系，建立一種設(shè)計制造一體化平臺。通過平臺建設(shè)，搭建制造驗證系統(tǒng)，通過相關(guān)仿真手段，事前驗證飛機制造過程中的工藝、工裝設(shè)計的合理性，消除潛在的錯誤，提高飛機制造質(zhì)量。

3.1 平臺功能定義

系統(tǒng)基于MBD設(shè)計數(shù)模開展三維工藝規(guī)劃和設(shè)計工作，涵蓋MBOM重構(gòu)和工藝規(guī)劃、仿真、編制以及三維工作指令輸出，通過結(jié)構(gòu)化的形式表達產(chǎn)品—工藝—資源數(shù)據(jù)之間緊密的邏輯關(guān)聯(lián)關(guān)系。另外，在工藝設(shè)計過程中驗證部件/總裝工藝的合理性，并制定三維工藝設(shè)計與仿真相關(guān)工作流程與規(guī)范，滿足航空產(chǎn)品研制任務(wù)需求。構(gòu)建平臺的主要工作包含了兩個方面。

3.1.1 搭建三維裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)

根據(jù)指定型號產(chǎn)品工藝特點和實際業(yè)務(wù)需求，搭建三維裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)，實現(xiàn)產(chǎn)品-工藝設(shè)計的并行及基于MBD模型的三維工藝規(guī)劃和驗證，滿足型號產(chǎn)品的工藝研制需求。

3.1.2 關(guān)鍵部件裝配仿真結(jié)果渲染和發(fā)布

在關(guān)鍵部件裝配仿真成果基礎(chǔ)上，運用3D via studio軟件對其進行場景美化和渲染，使其展示效果更能貼合現(xiàn)場實際，并進行相關(guān)人機交互開發(fā)，滿足宣傳及展示需求。

3.2 平臺功能設(shè)計

3.2.1 產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)獲取

將通過定制支持導(dǎo)入符合企業(yè)數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能（或與VPM集成功能），實現(xiàn)制造驗證系統(tǒng)中EBOM數(shù)據(jù)的接收，將EBOM產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、三維模型等信息傳遞到制造驗證系統(tǒng)中。實現(xiàn)內(nèi)容包括以下幾個方面。

（1）EBOM數(shù)據(jù)接收：在制造端，通過數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能接收設(shè)計數(shù)據(jù)，并重現(xiàn)EBOM。主要傳遞的信息如下。

①產(chǎn)品結(jié)構(gòu)（EBOM）。

②產(chǎn)品屬性。

③三維模型。

（2）EBOM數(shù)據(jù)更新：當(dāng)設(shè)計數(shù)據(jù)更新后，可通過數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能（或與VPM集成功能）支持更新制造驗證系統(tǒng)中的EBOM及其三維模型。

3.2.2 MBOM重構(gòu)

在制造驗證系統(tǒng)中，基于產(chǎn)品的EBOM信息，可根據(jù)三維產(chǎn)品模型在三維數(shù)字化環(huán)境下進行總裝站位規(guī)劃以及全機、部件、組件工藝分離面的劃分。在全機工藝分離面劃分優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對各工藝部件裝配流程進行設(shè)計，逐級形成各級裝配單元，構(gòu)建MBOM。在MBOM構(gòu)建過程中，需提供三維可視化手段進行消耗式零組件分配，并進行分配校驗。另外MBOM劃分結(jié)果也需要結(jié)合仿真模塊進行驗證，以確保劃分的質(zhì)量。實現(xiàn)內(nèi)容包括以下幾個方面。

（1）MBOM結(jié)構(gòu)構(gòu)建：三維可視化環(huán)境下進行MBOM結(jié)構(gòu)的搭建。

（2）消耗式零組件分配：基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹或者三維模型將零組件消耗到MBOM結(jié)構(gòu)下。

（3）MBOM校驗：分配完成后，將EBOM和MBOM進行對比校驗。

（4）MBOM劃分仿真驗證：MBOM劃分完成后，直接啟動裝配仿真驗證模塊進行劃分驗證。

3.2.3 工藝規(guī)劃及驗證

在MBOM的AO節(jié)點上，運用圖形化工具進行工藝流程圖的設(shè)計，定義AO與AO之間，以及AO內(nèi)部工序之間的工藝順序，并結(jié)合仿真模塊進行裝配順序、裝配干涉的仿真驗證。在相關(guān)關(guān)鍵驗證場景中，結(jié)合虛擬人體模型，進行人機任務(wù)仿真，驗證操作人員的可達性、可操作性。實現(xiàn)內(nèi)容包括以下幾個方面。

（1）工藝流程設(shè)計。

①工藝流程定義：以流程圖的形式進行總體工藝規(guī)劃，形成工藝結(jié)構(gòu)樹。

②產(chǎn)品、資源數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)：將產(chǎn)品、資源對象與工藝數(shù)據(jù)建立關(guān)聯(lián)，以支持后續(xù)的更改貫徹、BOM統(tǒng)計等。

③輕量化模型瀏覽：基于工藝結(jié)構(gòu)樹，瀏覽其相關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品、資源數(shù)據(jù)的輕量化模型。

（2）零組件劃分。

①三維可視化環(huán)境下將零組件分配到對應(yīng)AO或工序配套中。

②對零組件劃分結(jié)果進行校驗。

（3）三維AO編制及輸出。

①基于三維輕量化模型進行AO詳細(xì)內(nèi)容編制及仿真驗證。

②支持三維動畫及三維視圖。

③支持預(yù)覽與發(fā)布三維AO。

④三維AO編制支持常用工序模板和技術(shù)文件引用列表（動態(tài)更新）。

（4）裝配仿真驗證。

對裝配方案進行仿真，驗證裝配順序合理性，消除裝配干涉。

（5）人機仿真驗證。

①定制虛擬人體模型并加載到虛擬仿真場景中。

②結(jié)合仿真任務(wù)，進行人體可達性、可操作性仿真驗證。

3.2.4 工藝數(shù)據(jù)管理

需要根據(jù)公司工藝管理要求，對三維裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)創(chuàng)建的工藝數(shù)據(jù)進行有效管理，確保數(shù)據(jù)狀態(tài)可控、可追溯。實現(xiàn)內(nèi)容包括以下幾個方面。

（1）有效性設(shè)定：主要承擔(dān)系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)的有效性管理功能。

①通過獲取產(chǎn)品數(shù)據(jù)的有效性信息并記錄在系統(tǒng)內(nèi)。

②支持篩選出特定架次的數(shù)據(jù)。

（2）更改貫徹：執(zhí)行工程更改或工藝優(yōu)化業(yè)務(wù)場景。

①更改數(shù)據(jù)獲取：以數(shù)據(jù)包的形式導(dǎo)入更改的數(shù)據(jù)到制造驗證系統(tǒng)中，更新設(shè)計數(shù)據(jù)。

②更改執(zhí)行：將當(dāng)前AO中設(shè)計數(shù)據(jù)更新為最新版。

（3）工藝數(shù)據(jù)管理：對工藝數(shù)據(jù)的版本、狀態(tài)進行管理，并支持對工藝數(shù)據(jù)進行審批。

①版本管理：管理工藝數(shù)據(jù)的版本；

②流程審批：對工藝數(shù)據(jù)進行審批；

③權(quán)限管理：管理人員權(quán)限；

④用戶管理：管理系統(tǒng)賬戶信息。

3.2.5 關(guān)鍵部件裝配仿真結(jié)果渲染和發(fā)布實施

基于關(guān)鍵部件裝配仿真成果，借助于仿真渲染與發(fā)布模塊，對仿真后的裝配過程數(shù)據(jù)進行渲染與發(fā)布。實現(xiàn)內(nèi)容包括以下幾個方面。

（1）仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)入：用于導(dǎo)入與識別裝配仿真中包含有仿真過程的三維輕量化數(shù)據(jù)。

（2）渲染：用于對仿真數(shù)據(jù)添加光源、材質(zhì)的添加和美化處理。

（3）渲染數(shù)據(jù)發(fā)布：用于對渲染的結(jié)果進行發(fā)布。

3.3 基于DELMIA的一體化平臺設(shè)想

DELMIA（Digital Enterprise Lean Manufacturing Interactive Application）是一款數(shù)字化企業(yè)的互動制造應(yīng)用軟件?？梢韵螂S需應(yīng)變（on-demand）和準(zhǔn)時生產(chǎn)（just-in-time）的制造流程提供完整的數(shù)字解決方案。它能夠精簡制造流程，提供大量的增值特性。是實現(xiàn)制造仿真，將設(shè)計與制造緊密結(jié)合的有力工具。

DPM Assembly，作為DELMIA系統(tǒng)中一個獨特的軟件模塊，充分利用“數(shù)字樣機”的三維數(shù)據(jù)，實現(xiàn)在三維基礎(chǔ)上的3D工藝規(guī)劃，并對零件的加工過程、產(chǎn)品的裝配過程、生產(chǎn)的規(guī)劃進行3D模擬并驗證。促進工藝應(yīng)用水平的提高以及優(yōu)秀的工藝經(jīng)驗繼承，實現(xiàn)真正的設(shè)計與工藝并行工程；提高設(shè)計能力，處理ECO的能力。

圖2描述了基于DELMIA的平臺架構(gòu)，VPM系統(tǒng)生成的EBOM和三維模型作為輸入，其輸出為工藝文件和MBOM，為ERP及MES等生產(chǎn)管控系統(tǒng)提供輸入。

下面對基于DELMIA的一體化平臺設(shè)想及各系統(tǒng)間數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)進行說明。

（1）VPM系統(tǒng)通過觸發(fā)機制或定時將設(shè)計數(shù)據(jù)同步到DELMIA系統(tǒng)中開展工藝設(shè)計工作。

（2）在DELMIA系統(tǒng)中，基于EBOM進行工藝組合件和工藝分工的設(shè)計，可視化構(gòu)建PBOM和MBOM，按需進行仿真驗證。

（3）在經(jīng)過驗證后的MBOM的某個工藝結(jié)構(gòu)上的AO節(jié)點，直接啟動三維工藝編制工具進行三維工藝的詳細(xì)編制。首先進行工序、工步內(nèi)容創(chuàng)建，然后從AO配套中將零組件劃分到對應(yīng)工序/工步。當(dāng)某道工序需要仿真驗證時，直接從該工序節(jié)點啟動DELMIA DPM軟件，相關(guān)聯(lián)零組件自動載入到仿真環(huán)境中。經(jīng)過仿真驗證后的工藝結(jié)果也會同步到三維工藝編制工具中。

（4）在AO詳細(xì)編制過程中，可以直接從工藝知識庫和制造資源庫中獲取典型工藝、標(biāo)準(zhǔn)工序名稱、制造資源等來加速AO編制效率和質(zhì)量。

（5）如果某道工序比較復(fù)雜，只有文字或圖片描述難以全部描述完整工藝信息，可以直接從三維工藝編制工具中啟動Composer軟件來進行三維視圖或動畫的制作；制作的三維內(nèi)容可以通過分配，實現(xiàn)與工序/工步的關(guān)聯(lián)展示。如果該道工序已經(jīng)用DELMIA DPM軟件進行過仿真驗證，可以直接通過開發(fā)的DELMIA To Composer軟件接口，將DELMIA仿真過程自動轉(zhuǎn)換為Composer軟件的三維視圖，工藝員可以直接利用來加速三維部分的制作效率。

（6）最后將編制好的三維AO打包檢入到工藝數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中進行流程審簽和發(fā)布。結(jié)合工藝數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)與MES系統(tǒng)的集成，就可以將三維工藝設(shè)計結(jié)果推送到車間現(xiàn)場指導(dǎo)生產(chǎn)；結(jié)合工藝數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)與ERP系統(tǒng)的集成，可以將完整MBOM集成進ERP系統(tǒng)來組織生產(chǎn)采購和配送等。

綜上，最終實現(xiàn)以DELMIA為中心的設(shè)計制造一體化過程。

4 結(jié)語

本文結(jié)合通飛在型號研制生產(chǎn)過程中，介紹了建立一套設(shè)計制造一體化研制平臺的思考和探索。希望通過本平臺，構(gòu)建統(tǒng)一的基于MBD的設(shè)計環(huán)境，解決工藝工裝設(shè)計與產(chǎn)品設(shè)計環(huán)境分離的問題，支持工藝、工裝提前介入；構(gòu)建基于MBD的三維工藝設(shè)計環(huán)境，涵蓋裝配工藝、產(chǎn)品交付規(guī)范和裝配檢驗規(guī)程。在此基礎(chǔ)上，未來通飛可基于成熟階段展開飛機的設(shè)計制造協(xié)同研制工作，將涵蓋了真正意義上的全生命周期產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)放后移。這將有力支撐未來型號研制業(yè)務(wù)的優(yōu)化和轉(zhuǎn)型。

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