田 菊 張曉靜

（1.中航工業(yè)一飛院，陜西 西安 710089；2.中航工業(yè)西飛，陜西 西安 710089）

隨著信息技術(shù)的飛快發(fā)展，飛機(jī)研制進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代。進(jìn)入21世紀(jì)的波音公司在數(shù)字化技術(shù)領(lǐng)域又跨上了一個(gè)新臺(tái)階。其設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的787夢(mèng)幻飛機(jī)首次采用了準(zhǔn)確、直觀、經(jīng)過定義的三維模型作為傳遞設(shè)計(jì)思想和生產(chǎn)依據(jù)的全數(shù)字化表達(dá)手段，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)全三維設(shè)計(jì)制造一體化的研制，為飛機(jī)數(shù)字化研制開啟了一個(gè)新的紀(jì)元。

我國(guó)航空工業(yè)也遇到了前所未有的發(fā)展機(jī)遇，尤其是近幾年國(guó)家的重視為航空工業(yè)的快速發(fā)展提供了一個(gè)良好的平臺(tái)。近年來，航空各主機(jī)廠所紛紛采用先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)，以提升航空行業(yè)的快速設(shè)計(jì)、精益制造及設(shè)計(jì)制造協(xié)同研制的整體能力和水平是。本文以基于模型的定義（Model Based Definition，MBD）技術(shù)為牽引，提出國(guó)內(nèi)飛機(jī)研制MBD設(shè)計(jì)制造體系架構(gòu)，并探索需構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)體系框架與主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，為飛機(jī)研制實(shí)現(xiàn)全三維設(shè)計(jì)制造一體化提供參考。

1 基于模型定義的飛機(jī)設(shè)計(jì)制造體系架構(gòu)

MBD技術(shù)是指在產(chǎn)品的數(shù)字化定義中，通過在三維模型上定義尺寸標(biāo)注、公差要求、加工制造要求、檢驗(yàn)要求等非幾何信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品信息的清晰、完整、唯一的描述，以滿足下游數(shù)字化制造和檢驗(yàn)直接使用的需求。它與原有數(shù)字化設(shè)計(jì)模式最大的區(qū)別是真正實(shí)現(xiàn)了三維模型為唯一數(shù)據(jù)源，所有加工制造檢驗(yàn)信息均在三維模型上體現(xiàn)，下游制造部門直接以三維模型為依據(jù)進(jìn)行產(chǎn)品加工制造與檢驗(yàn)。MBD技術(shù)不僅要求設(shè)計(jì)部門所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品模型更加直觀、清晰，信息表達(dá)更加準(zhǔn)確、完整，而且對(duì)生產(chǎn)制造與檢驗(yàn)提出了更高的要求，即要求制造部門要直接從產(chǎn)品模型上獲取生產(chǎn)制造信息，并以模型為依據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，因此，要求產(chǎn)品制造更加自動(dòng)化、檢驗(yàn)更加精準(zhǔn)化。

目前，國(guó)內(nèi)飛機(jī)研制普遍采用MBD技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品研制。由于MBD技術(shù)完全擺脫了二維圖紙的模式，完全以三維模型為核心，而且所有產(chǎn)品數(shù)據(jù)均在信息化系統(tǒng)中進(jìn)行管理，因此，飛機(jī)研制的技術(shù)體系發(fā)生了根本的變化。在飛機(jī)MBD設(shè)計(jì)制造技術(shù)體系中，不僅要全面實(shí)現(xiàn)全三維產(chǎn)品數(shù)字化定義，而且要求設(shè)計(jì)制造更加緊密協(xié)同，在設(shè)計(jì)階段盡量全面準(zhǔn)確地表達(dá)制造加工信息，并將所定義的產(chǎn)品信息要準(zhǔn)確完整地傳遞到下游制造中。下游制造系統(tǒng)要以此三維模型為依據(jù)進(jìn)行工藝規(guī)劃、工裝設(shè)計(jì)，開展零部件的生產(chǎn)制造，以及進(jìn)行檢驗(yàn)計(jì)劃的編制等。因此，在目前航空業(yè)設(shè)計(jì)與制造分離的情況，建立以MBD模型為核心，多廠所并行協(xié)同研制平臺(tái)為架構(gòu)的飛機(jī)設(shè)計(jì)制造體系，是實(shí)現(xiàn)全三維設(shè)計(jì)制造一體化有效方法?；谀Ｐ投x的飛機(jī)設(shè)計(jì)制造體系架構(gòu)如圖1所示。圖1中，MBD模型是唯一數(shù)據(jù)源，貫穿飛機(jī)設(shè)計(jì)、制造與檢驗(yàn)全過程。設(shè)計(jì)部門以模型定義產(chǎn)生全三維數(shù)字化產(chǎn)品模型，并以此模型為依據(jù)開展關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)、進(jìn)行產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理和技術(shù)狀態(tài)控制，制造部門以此模型為依據(jù)進(jìn)行工藝規(guī)劃、工裝設(shè)計(jì)、裝配仿真、以及生產(chǎn)制造和產(chǎn)品檢驗(yàn)，并行協(xié)同平臺(tái)是設(shè)計(jì)制造數(shù)據(jù)傳遞及溝通交流的途徑，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向交流，有效滿足設(shè)計(jì)制造并行協(xié)同研制的要求。

圖1 基于模型定義的飛機(jī)設(shè)計(jì)制造體系架構(gòu)示意圖

2 基于模型定義的標(biāo)準(zhǔn)體系框架與主要內(nèi)容

飛機(jī)研制是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其復(fù)雜性要求在管理上具有綜合性和嚴(yán)密性，所有技術(shù)環(huán)節(jié)和管理環(huán)節(jié)都必須通過程序、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)來控制。采用MBD技術(shù)的飛機(jī)設(shè)計(jì)制造一體化研制也不例外，同樣需要完整、協(xié)調(diào)、配套的標(biāo)準(zhǔn)體系，以支持飛機(jī)研制MBD技術(shù)的有效應(yīng)用和規(guī)范開展。飛機(jī)MBD設(shè)計(jì)制造一體化工程研制的標(biāo)準(zhǔn)體系建立目標(biāo)應(yīng)緊緊圍繞飛機(jī)MBD設(shè)計(jì)制造體系架構(gòu)進(jìn)行建立，其核心標(biāo)準(zhǔn)是基于模型定義標(biāo)準(zhǔn)，具體包含MBD數(shù)據(jù)集定義、建模標(biāo)準(zhǔn)、三維標(biāo)注等，同時(shí)，還包括以MBD數(shù)模為核心的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、以及技術(shù)狀態(tài)控制與管理等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，MBD工藝管理規(guī)范含PBOM/MBOM和AO/FO的編制，MBD產(chǎn)品制造與檢驗(yàn)規(guī)范，如檢驗(yàn)計(jì)劃的編制等制造標(biāo)準(zhǔn)，以及設(shè)計(jì)與制造之間MBD產(chǎn)品信息的提取與使用要求、并行協(xié)同研制等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。標(biāo)準(zhǔn)體系框架如圖2所示。

圖2 基于模型定義的標(biāo)準(zhǔn)體系框架

2.1 基于模型定義標(biāo)準(zhǔn)

MBD技術(shù)的核心是對(duì)集成了尺寸標(biāo)注、公差要求、加工制造要求、檢驗(yàn)要求等信息的三維模型進(jìn)行正確而完整的定義和表達(dá)。與包含圖樣的數(shù)字化定義方法不同，MBD模型包含了所有的幾何信息和非幾何信息，而且所有的信息是通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的方法進(jìn)行組織與管理的。因此，基于模型定義的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)首先明確MBD模型信息分類與組織要求，針對(duì)零件模型與裝配模型應(yīng)分別給出應(yīng)包含的信息內(nèi)容與組織方式。其次應(yīng)規(guī)定各類信息，如尺寸與公差、表面粗糙度、以及材料等信息的標(biāo)注要求，尤其應(yīng)給出通用附注等非幾何信息的規(guī)范化表達(dá)方法。除此之外，還應(yīng)規(guī)定MBD模型屬性（含設(shè)計(jì)屬性與管理屬性）的定義與標(biāo)注要求。另外，由于MBD模型為唯一數(shù)據(jù)源，所有設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)信息均完整地表達(dá)在MBD模型中，信息量巨大，尤其是生產(chǎn)加工技術(shù)要求等非幾何信息的表達(dá)，不僅標(biāo)注工作量大，而且易出錯(cuò)。因此，為保證信息的完整、準(zhǔn)確、且減輕設(shè)計(jì)人員的工作量，在基于模型定義的標(biāo)準(zhǔn)建立的同時(shí)，還應(yīng)建立信息完整準(zhǔn)確的非幾何信息數(shù)據(jù)庫(kù)，開發(fā)多個(gè)方便快捷的標(biāo)注模版和調(diào)用工具，并將標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求嵌入到相應(yīng)的支持工具中，這樣既能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確與規(guī)范，提高設(shè)計(jì)效率，又有利于下游制造用戶的直接提取與使用。

2.2 數(shù)據(jù)管理與狀態(tài)控制標(biāo)準(zhǔn)

在MBD技術(shù)應(yīng)用中，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理對(duì)象發(fā)生了變化，MBD模型是產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的核心，且是唯一數(shù)據(jù)源，因此，要求產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)獲取MBD模型上與產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理有關(guān)的信息，并按MBD模型的狀態(tài)進(jìn)行有效性管理。MBD模型狀態(tài)通過版本定義進(jìn)行標(biāo)識(shí)，并記錄和跟蹤產(chǎn)品數(shù)據(jù)的更改過程。為發(fā)揮產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)對(duì)模

型狀態(tài)的記錄與管理優(yōu)勢(shì)，最大限度地對(duì)MBD模型的各個(gè)狀態(tài)進(jìn)行管理，以便于后續(xù)改型或系列產(chǎn)品的發(fā)展，在版本管理上可采用并行版本管理方法，即適用于不同架次的MBD模型多版本有效。因此，在版本定義中應(yīng)明確MBD模型版本的變化，尤其針對(duì)不同類型的更改應(yīng)給出版本變化的規(guī)則，以便于產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的實(shí)施。同時(shí)，由于并行版本的實(shí)施，以MBD模型為核心的產(chǎn)品數(shù)據(jù)不僅數(shù)據(jù)量大，而且管理極其復(fù)雜。為簡(jiǎn)化有效性管理，方便技術(shù)狀態(tài)的控制，有必要對(duì)飛機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模塊化劃分，實(shí)施扁平化模塊管理，并應(yīng)規(guī)定模塊劃分原則、模塊的組成、以及模塊版本控制與有效性管理等具體要求，從而確保產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的狀態(tài)清晰、準(zhǔn)確，并具有可追溯性。

2.3 MBD工藝管理規(guī)范

產(chǎn)品定義方法的改變使工藝輸入、輸出的形式和工藝工作的方法都發(fā)生了革命性的變化。其中，最大的變化是工藝、工人、檢驗(yàn)看不到工程二維圖紙，需要從三維模型中提取所需的全部信息用于工藝文件編制、生產(chǎn)和檢驗(yàn)，因此，工藝管理規(guī)范也必須進(jìn)行相應(yīng)改變。首先應(yīng)建立協(xié)同設(shè)計(jì)制造工作規(guī)范，規(guī)定工藝審查、工藝與設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)的流程、方法和要求；其次，應(yīng)建立產(chǎn)品數(shù)據(jù)接收、傳遞和使用管理規(guī)范，規(guī)定設(shè)計(jì)信息的讀取方法、3DVIA Composer、3DVI player的操作要求、數(shù)據(jù)使用方法和存儲(chǔ)要求等以保證相關(guān)人員能夠獲得準(zhǔn)確、完整的設(shè)計(jì)信息；最后，還應(yīng)制定三維制造和裝配指令（FO/AO）編制管理規(guī)范，規(guī)定三維環(huán)境下AO/FO的編制要求、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸出格式及審批流程等，保證工人能夠正確、全面理解制造指令，生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品；同時(shí)，應(yīng)制定PBOM/MBOM管理規(guī)范，規(guī)定PBOM/MBOM的構(gòu)建方法、內(nèi)容、格式和發(fā)放要求等，以規(guī)范制造數(shù)據(jù)集的管理，確保其完整、有效、可追溯，并與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)一致。

2.4 MBD制造與檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

MBD技術(shù)的應(yīng)用，使得制造體系發(fā)生了變革。一方面，給實(shí)施數(shù)字化制造和檢驗(yàn)帶來了極大的方便，工藝人員和檢驗(yàn)技術(shù)人員可以利用信息化手段直接從設(shè)計(jì)數(shù)模上提取制造、檢驗(yàn)依據(jù)，可以很方便地進(jìn)行工藝仿真、數(shù)控加工和數(shù)控檢測(cè)，大大減少了工藝、工人、檢驗(yàn)的工作量和出錯(cuò)的概率，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。另一方面，對(duì)采用普通加工和檢測(cè)手段的產(chǎn)品，由于無二維圖樣，又無法直接使用數(shù)模，給工藝文件和檢驗(yàn)文件的編制提出了更高的要求，不能再通過圖樣引用等方法來描述制造檢驗(yàn)要求，所以，有必要根據(jù)MBD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)制定新的制造、檢驗(yàn)文件編制及管理規(guī)范，尤其對(duì)MBD模型信息的提取與使用上要做出明確規(guī)定，以確保制造數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)唯一。同時(shí)，通過建立檢驗(yàn)技術(shù)體系，編制檢驗(yàn)規(guī)程等，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)制造和檢驗(yàn)依據(jù)分離，以避免僅依據(jù)制造計(jì)劃進(jìn)行生產(chǎn)和檢驗(yàn)造成的質(zhì)量問題，預(yù)防差錯(cuò)，從而強(qiáng)化產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量的控制。

2.5 并行協(xié)同研制管理

在MBD設(shè)計(jì)制造一體化研制中，并行協(xié)同研制更顯突出與重要。要在設(shè)計(jì)制造全線推行基于MBD的全三維設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)，除了要構(gòu)建并行協(xié)同研制平臺(tái)，以確保并行協(xié)同研制工作的開展，更重要的是要在管理模式上積極采用IPT組織，以加快研制進(jìn)程，而且還應(yīng)從技術(shù)層面上主動(dòng)探索新的途徑和方法。在并行協(xié)同設(shè)計(jì)方面可通過采用關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)，制定關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)規(guī)范，以實(shí)現(xiàn)上下游設(shè)計(jì)的并行與協(xié)調(diào)更改；在并行協(xié)同設(shè)計(jì)制造方面，通過定義MBD模型成熟度，建立模型成熟度控制機(jī)制，以實(shí)施設(shè)計(jì)與制造的并行。并行協(xié)同研制相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的建立，為有效實(shí)施并行協(xié)同研制，縮短產(chǎn)品研制周期提供技術(shù)保障。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前，MBD技術(shù)已在航空各主機(jī)廠所得到了初步應(yīng)用與驗(yàn)證，也已基本建立起完整配套的標(biāo)準(zhǔn)體系。但隨著應(yīng)用的不斷深入，實(shí)施MBD技術(shù)已不只是一項(xiàng)全新技術(shù)的應(yīng)用問題，它的實(shí)施還需要從管理方法和管理模式上進(jìn)一步創(chuàng)新，尤其是針對(duì)飛機(jī)這樣復(fù)雜的產(chǎn)品要從頂層規(guī)劃其組織模式、管理方法，還應(yīng)考慮生產(chǎn)制造的分工與管理等，所以，應(yīng)加強(qiáng)MBD技術(shù)應(yīng)用的管理標(biāo)準(zhǔn)的研究與制定。只有建立起完整配套技術(shù)和管理標(biāo)準(zhǔn)體系，才能更好地發(fā)揮MBD技術(shù)的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。

[1] 朱宏斌.型號(hào)工程標(biāo)準(zhǔn)化[M].北京：航空工業(yè)出版社，2004.

[2] 范玉青.大型飛機(jī)數(shù)字化制造工程[M].北京：航空工業(yè)出版社，2011.