本文作者：余志強，陳嵩，孫煒，王鴻慶

隨著數字化設計與制造技術在航空制造業的廣泛應用，特別是三維CAD技術的日益普及，飛機研制模式正在發生根本性變化，傳統的以數字量為主、模擬量為輔的協調工作法開始被全數字量傳遞的協調工作法代替，三維數模已經取代二維圖紙， 成為新機研制的唯一制造依據。

在梟龍飛機和ARJ21飛機機頭的制造過程中，中航工業成飛公司結合數字化制造技術的發展方向，傳統的以數字量為主、模擬量為輔的協調工作法開始被全數字量傳遞的協調工作法代替，并取得了一些階段性成果。

但是，與國外發達航空企業相比，仍然存在很大的差距，主要表現在三維數模并沒有貫穿于整個飛機數字化制造過程中，基于MBD（Model-Based Design）技術的產品定義工作尚處于探索階段，以MBD為核心的數字化工藝設計和產品制造模式尚不成熟，MBD的設計、制造和管理規范還有待完善，三維數字化設計制造一體化集成應用體系尚未貫通。

因此，為了縮短飛機研制周期，提高飛機研制質量，有必要以三維數模為載體，借鑒國外發達航空制造企業MBD技術的成功應用經驗，結合飛機數字化制造流程，開展適合于我國國情的飛機三維數字化設計制造技術應用研究。

MBD內涵

美國機械工程師協會于1997年在波音公司的協助下開始了有關MBD標準的研究和制定工作，并于2003年使之成為美國國家標準。MBD的主導思想不只是簡單地將二維圖紙的信息反映到三維數據中，而是充分利用三維模型所具備的表現力，去探索便于用戶理解且更具效率的設計信息表達方式。它用集成的三維數模完整地表達了產品定義信息的方法，詳細規定了三維數模中產品尺寸、公差的標注規則和工藝信息的表達方法。MBD改變了傳統用三維數模描述幾何形狀信息的方法，而用二維工程圖紙來定義尺寸、公差和工藝信息的分步產品數字化定義方法。同時，MBD使三維數模作為生產制造過程中的唯一依據，改變了傳統以工程圖紙為主、以三維實體模型數模為輔的制造方法。

基于MBD的三維數模通過圖形和文字表達的方式，直接或間接地揭示了一個物料（BOM）項的物理和功能需求。MBD模型分為零件與裝配模型，零件模型由以簡單幾何元素構成的、用圖形方式表達的幾何信息和以文字表達的屬性、注釋等非幾何信息組成。屬性數據表達了產品的原材料規范、分析數據、測試需求等產品內置信息；而注釋數據包含了產品尺寸與公差范圍、制造工藝和精度要求等生產必需的工藝約束信息。裝配模型則由一系列MBD零件模型組成的裝配零件列表加上以文字表達的屬性和注釋數據組成。

國外發達航空企業MBD技術的應用現狀

近10余年，隨著飛機制造技術的發展，以波音、洛·馬和空客公司為代表的飛機制造業在數字化技術應用領域取得了巨大的成功。波音公司在以波音787為代表的新型客機研制過程中，全面采用了MBD技術，將三維產品制造信息(Product Manufacturing Information，PMI)與三維設計信息共同定義到產品的三維數模型中，摒棄二維圖樣，直接使用三維標注模型作為制造依據，使工程技術人員從百年來的二維文化中解放出來，實現了產品設計（含工藝設計）、工裝設計、零件加工、部件裝配、零部件檢測檢驗的高度集成、協同和融合，建立了三維數字化設計制造一體化集成應用體系，開創了飛機數字化設計制造的嶄新模式，確保了波音787客機的研制周期和質量。

基于MBD的數字化制造流程

飛機的研制必須經歷產品設計、工藝設計、工裝設計、產品制造和檢驗檢測等5個主要環節，并在產品制造和檢驗檢測環節中，由三維設計數模分別派生出三維工藝數模和檢驗數模。

?在工藝設計過程中，工藝部門依據設計部門按基線預發放的三維設計數模進行工藝分析，并向設計部門反饋工藝審查意見；依據設計部門正式發放的EBOM（產品設計結構）和三維設計數模，建立PBOM（產品工藝結構），制定裝配工藝協調方案，劃分工藝分離面，進行全機裝配工藝仿真，最終形成經過裝配仿真驗證的MBOM（產品制造結構）頂層結構，發放到下游的工裝設計、專業制造和檢驗檢測等部門。

?在工裝設計過程中，工裝設計制造部門依據產品制造部門提出的工裝訂貨單、三維工藝數模、產品制造工藝方案和設計部門的三維產品設計數模進行工裝設計；依據三維工裝設計數模進行TO的編制，裝配工裝的裝配仿真和工裝NC程序的編制，最終完成工裝的制造和自檢。

?在產品制造過程中，產品制造部門依據設計部門正式發放的EBOM和三維設計數模、工藝部門的PBOM建立三維工藝數模，進行零件的材料屬性仿真和部件幾何仿真，編制AO（裝配大綱）和FO（制造大綱），編制NC程序，最終完成零件的加工、部件的裝配以及自檢。

?在產品檢驗檢測過程中，檢驗檢測部門依據設計部門正式發放的EBOM、三維設計數模，三維工裝設計數模編制檢測計劃，計算測量數據，完成零部件和工裝的檢測。

圖1 基于MBD的數字化制造流程

基于MBD的三維數字化制造研究內容

為了實現基于MBD的三維數字化制造流程的有效控制和管理，必須依據三維數字化制造流程，預先開展以下技術的攻關研究。

1.基于MBD的數字化定義技術

數字化產品定義（DPD）是實現數字化制造的基礎，它以數字量方式對產品進行準確描述。采用MBD技術后，數字化產品定義信息必須按MBD要求進行分類組織管理，完整準確地表達產品零部件本身的幾何屬性、工藝屬性、質量檢測屬性以及管理屬性等信息，滿足制造過程各階段對數據的需求，保證飛機產品設計制造過程中的協調性。因此，應該在吸收、消化ISO/DIS 16792、ASMEY14.41的基礎上，結合國標《技術產品文件數字化產品定義數據通則》系列標準以及波音、空客三維模型和我國航空產品數字化設計制造技術的實際情況，開展基于MBD的設計建模技術、基于MBD的工藝建模技術、基于MBD的檢驗建模技術、基于MBD的并行設計流程管理技術、基于MBD的設計質量控制技術的研究。

2.基于MBD的數字化工藝設計與仿真技術

MBD技術以三維數模作為唯一的制造依據，使飛機產品的工藝設計活動發生了根本變化。工藝設計與仿真將在三維數字化環境下，依據基于MBD技術的數字化工藝協調制造體系要求，以產品EBOM和三維數字樣機為基礎，以工藝數字化并行定義為核心，制定工藝總方案，建立三維工藝數字樣機，進行飛機數字化三維工藝設計、數字化工藝容差分配、仿真和優化、數字化三維工藝仿真驗證。在工藝設計與仿真的不同階段，仿真的內容也不同。在工藝審查階段，對零件、組件、部件組成的制造單元進行可制造性、可裝配性分析，檢查結構設計的合理性；在工藝規劃階段，通過裝配工藝仿真，確定零部件之間的裝配順序和運動路徑；在工裝設計階段，進行制造資源仿真，設計出合格的工裝資源；在工藝編制階段，通過建立起產品、工藝、資源數字化工藝數據模型（PPR），通過關鍵部件基于MBD的工藝容差分配計算和優化，實現基于模型的工藝分離面劃分、裝配工位設計、裝配流程設計、三維工藝指令設計等。因此，必須預先開展基于MBD的數字化工藝設計技術、基于MBD的工藝容差分配技術和基于MBD的三維工藝仿真技術的研究。

3.基于MBD的工藝裝備設計制造集成技術

工藝裝備設計在三維數字化環境下，以產品數字樣機、工藝數字樣機為基礎，進行工藝技術裝備的設計和仿真，逐步形成面向現代航空制造的基于三維的飛機制造技術裝備工程體系，實現技術裝備數字化、自動化、柔性化。在工裝設計過程中，產品設計數模、工藝數模的版本變化將直接引起工裝數模的版本變化。因此，必須應用三維關聯技術和三維在線技術預先開展基于MBD工藝裝備設計與飛機產品、工藝設計及仿真的數字化協同技術、工藝裝備設計與產品設計、工藝設計的關聯更改技術、工藝裝備三維數字化設計制造一體化集成技術、基于三維數字化工藝裝備設計、制造等技術的研究工作。

4.基于MBD的數字化檢測與質量控制技術

在基于MBD的產品數字樣機和工藝數字樣機的基礎上，開展三維工藝檢驗計劃的技術研究工作，探討三維數字圖形轉換為測量機等數字化設備能夠識別的數字信息的技術方法，并以基于MBD的三維設計數模、工藝數模和檢測方案為依據開發檢驗數據計算程序，建立基于MBD的三維檢驗數模，并與產品數字樣機和工藝數字樣機一起納入PDM系統進行管理。與此同時，在制造產品數據結構（MBOM）的基礎上，建立基于質量產品結構（QBOM）的集成質量管理系統。以PDM系統的檢測計劃、三維檢測模型為依據，通過集成質量管理系統在生產現場采集飛機檢驗檢測數據，并建立檢驗檢測結果與QBOM的關聯關系，納入集成質量管理系統進行有效的管理，在此基礎上形成單架次飛機的質量檔案，最終完成單架次飛機質量檔案的歸檔工作。因此，必須預先開展基于MBD的檢測信息定義技術、基于MBD的檢測過程設計技術、集成質量管理技術、質量檔案歸檔技術的研究。

5.基于輕量化模型的裝配過程可視化技術

在MBD制造模式下，裝配現場已擺脫傳統基于二維圖樣的模擬量傳遞體系，三維數模及三維工藝指令已經完全替代了二維工程圖紙和紙質工藝指令成為在生產現場指導工人工作的技術依據。為了確保裝配現場能夠及時獲取現行有效的三維數模、輕量化模型、三維裝配工藝指令，滿足飛機裝配過程管理與執行控制的要求，需要解決三維數模輕量化的問題，并將基于MBD的設計模型、工藝模型、檢驗模型、三維工裝資源數據、輕量化模型、三維裝配工藝指令統一納入企業級PDM中進行管理，并建立與裝配現場作業計劃的關聯關系，實現三維可視化裝配技術在裝配制造執行系統（MES）的集成應用，實現真正的無紙化。因此，必須預先開展基于MBD的三維數模輕量化轉換技術、基于輕量化模型的三維裝配工藝過程設計工具開發技術、三維可視化裝配技術在裝配制造執行系統的集成應用技術的研究。

6.基于MBD的產品數據管理系統集成技術

在MBD制造模式下，產品工藝數據、檢驗檢測數據的形式與類型發生了很大的變化。采用MBD技術后，設計部門不再向制造部門發放二維工程圖紙，減少了設計工作量，簡化了管理流程。工藝部門通過三維數字化工藝設計與仿真，依據基于MBD的三維產品設計數模建立三維工藝模型，生成零件加工、部件裝配動畫等多媒體工藝數據；檢驗部門通過三維數字化檢驗，依據基于MBD的三維產品設計數模、三維工藝模型，建立三維檢驗模型和檢驗計劃。與此同時，設計數模的版本變化將直接引發工藝數模、檢驗數模的版本變化。因此，需要以零部件為對象，建立產品設計數據、工藝數據和檢驗數據與BOM結構樹的關聯關系，一起納入PDM系統進行管理，通過檢入與檢出，確保產品設計數據、工藝數據、檢驗數據版本信息的一致。鑒于目前中航工業設計與制造分離的現實情況，應預先開展廠所協同研制單一數據源管理技術、基于BOM的設計、制造、檢驗數據管理技術，以及工程更改管理技術和批架次構型管理技術的研究。

結束語

通過基于MBD的三維數字化定義、三維數字化工藝設計與仿真、三維數字化工藝裝備的設計與制造、基于輕量化模型的裝配過程可視化技術、三維數字化檢驗檢測技術以及基于MBD的產品數據管理系統集成技術的應用，能夠有效地縮短產品研制周期，改善生產現場工作環境，提高產品質量和生產效率，真正實現無二維圖紙、無紙質工作指令的三維數字化集成制造。MBD技術的深入應用必將推動我國飛機制造業的迅猛發展。

審核編輯：郭婷