隨著全球航空業(yè)的迅速發(fā)展，先進(jìn)航空制造企業(yè)競相建立基于模型的技術(shù)理論和應(yīng)用體系來適應(yīng)現(xiàn)代航空產(chǎn)品研制的動態(tài)變化過程，達(dá)到提高研制效率、質(zhì)量和降低成本的目的�；�于模型的技術(shù)主要包括：以共享的集成和協(xié)同環(huán)境為主的MBE（Model Based EntERPrise，MBE）、以數(shù)字化設(shè)計為主的MBD（Model Based Definition，MBD）和以數(shù)字化制造為主的MBI（Model-Based Instructions，MBI）。航空產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、研制過程嚴(yán)謹(jǐn)、數(shù)據(jù)量大，帶來了三維數(shù)字化業(yè)務(wù)過程中產(chǎn)品數(shù)據(jù)如何定義、傳遞及使用等問題，這些是全生命周期業(yè)務(wù)過程能否順利執(zhí)行的根本所在�；�于模型的技術(shù)作為設(shè)計、制造一體化研制的新的應(yīng)用手段，在MBE中對整個企業(yè)的數(shù)字化集成和協(xié)同環(huán)境進(jìn)行規(guī)劃，在MBD 中對產(chǎn)品的工程數(shù)據(jù)進(jìn)行定義，在MBI中對制造現(xiàn)場工作和管理的相關(guān)信息進(jìn)行綜合，但是如何使用基于模型的技術(shù)將產(chǎn)品的設(shè)計、制造和檢測等離散的信息進(jìn)行“數(shù)字化”處理，并通過共享的協(xié)同環(huán)境，最終生成能夠指導(dǎo)生產(chǎn)現(xiàn)場制造、裝配和檢測工作的數(shù)字化作業(yè)指導(dǎo)書，當(dāng)前國內(nèi)對此過程并不清晰。本文依據(jù)波音公司基于模型技術(shù)的相關(guān)思想，對在MBE環(huán)境下，從MBD到MBI的全業(yè)務(wù)過程無縫轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)產(chǎn)品由虛擬設(shè)計向現(xiàn)實生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變，進(jìn)行了深入的研究。

    基于模型的技術(shù)概述

    基于模型的技術(shù)是通過企業(yè)中產(chǎn)品、信息和過程等多種模型的建立及業(yè)務(wù)鏈、數(shù)據(jù)鏈、供應(yīng)鏈等的集成，構(gòu)建統(tǒng)一的協(xié)同環(huán)境和建模標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到研制信息傳遞的無紙化、自動化和可視化，實現(xiàn)更高應(yīng)用水平的系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)共享的技術(shù)。

    1 基于模型的企業(yè)（MBE）

    MBE是一種制造實體，它采用建模與仿真技術(shù)對其設(shè)計、制造、產(chǎn)品支持的全部技術(shù)的和業(yè)務(wù)的流程進(jìn)行徹底的改進(jìn)、無縫的集成以及戰(zhàn)略的管理；利用產(chǎn)品和過程模型來定義、執(zhí)行、控制和管理企業(yè)的全部過程；并采用科學(xué)的模擬與分析工具，在產(chǎn)品生命周期的每一步做出最佳決策，從根本上減少產(chǎn)品創(chuàng)新、開發(fā)、制造和支持的時間和成本。對于MBE 的定義有很多種，如：被美國稱為“下一代制造技術(shù)”的MBE和美國陸軍實驗室提出的僅關(guān)注貫穿在產(chǎn)品生命周期中的MBD數(shù)字線的MBE（類似“下一代制造技術(shù)”MBE的核心內(nèi)容——集成的產(chǎn)品實現(xiàn)）。MBE典型架構(gòu)如圖1（a）所示，它是基于多種模型的，主要包括：基于模型的工程（Model Based Engineering，MBe）、基于模型的制造（Model Based Manufacturing，MBm）、基于模型的支持（Model BasedSustainment，MBs）以及產(chǎn)品模型、過程模型、信息模型、網(wǎng)絡(luò)（傳輸）中心，（全過程）可視化等。作為一種涉及范圍廣、內(nèi)容多的新型結(jié)構(gòu)的實體企業(yè)，MBE目前還處于研究階段，沒有成熟的評估標(biāo)準(zhǔn)。圖1（b）是美國陸軍實驗室基于單個模型（產(chǎn)品模型）提出的MBE 七級成熟度狀態(tài)評估標(biāo)準(zhǔn)（包括6 個方面21項指標(biāo)）。

圖1 MBE的體系架構(gòu)及其單一產(chǎn)品模型的成熟度指標(biāo)

    2 基于模型的定義（MBD）

    MBD是MBE中MBe（包括基于模型的設(shè)計、仿真與試驗等工程研制內(nèi)容）在產(chǎn)品設(shè)計中的實現(xiàn)基礎(chǔ)，它將設(shè)計與制造信息共同定義到三維數(shù)模中，如圖2所示，實現(xiàn)設(shè)計、工藝（裝）、加工裝配、檢測等信息的高度集成，三維模型可直接作為下游研制工作開展的依據(jù)，開創(chuàng)了航空產(chǎn)品三維數(shù)字化研制新模式。MBD的應(yīng)用離不開集成和協(xié)同環(huán)境，產(chǎn)品信息的表達(dá)、傳遞、控制和對產(chǎn)品信息的理解和執(zhí)行，都必須借助大量信息系統(tǒng)和數(shù)字化工具完成，所以MBD不是一蹴而就的，波音公司MBD 應(yīng)用也是在波音777～787等型號研制中逐步推進(jìn)的。

圖2 MBD數(shù)字化模型

    3 基于模型的作業(yè)指導(dǎo)書

    MBI是MBE中MBm（包括基于模型的虛擬制造與實際制造等過程的內(nèi)容）的頂尖成果，是MBD在制造領(lǐng)域的落地，狹義MBI僅指三維電子化的作業(yè)指導(dǎo)書，是將原二維作業(yè)指導(dǎo)書（工程說明書、制造、檢驗等信息）通過增加圖形、動畫、視頻等功能將其三維可視化，使其易于理解和使用，以提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

    廣義MBI不僅是三維靜態(tài)結(jié)果，它還與三維制造過程動態(tài)結(jié)合，如圖3所示，即依據(jù)MBD中信息，通過共享可視化方式開展三維工藝的設(shè)計和管理，實現(xiàn)三維電子化的作業(yè)指導(dǎo)書（操作規(guī)程等）和數(shù)字化制造過程信息的集成，并采集制造現(xiàn)場的信息與反饋，生成MBI。

圖3 從二維到三維MBI應(yīng)用示意圖

    目前，MBI已經(jīng)應(yīng)用于美國戰(zhàn)神航天飛行器的數(shù)字化開發(fā)和波音C130運(yùn)輸機(jī)電子系統(tǒng)改造項目，其中C130電子系統(tǒng)改造僅采用MBI 就比傳統(tǒng)方法減少裝配工時57%，成為使用數(shù)字化技術(shù)直接大幅度減少作業(yè)錯誤和工時，提高可裝配性的新案例。基于模型的技術(shù)應(yīng)用隨著國內(nèi)航空工業(yè)數(shù)字化協(xié)同研制模式的開展，要求應(yīng)用基于模型的技術(shù)將設(shè)計與制造業(yè)務(wù)統(tǒng)籌考慮，構(gòu)建MBE，實現(xiàn)MBD虛擬數(shù)據(jù)向MBI應(yīng)用數(shù)據(jù)的無縫轉(zhuǎn)化，如圖4所示。

圖4 從MBD到MBI的業(yè)務(wù)過程示意圖

    1 設(shè)計階段MBD數(shù)據(jù)的定義

    MBD的核心是定義出能為下游各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)所使用的產(chǎn)品信息，它既是實現(xiàn)數(shù)字化產(chǎn)品定義的方法，也是衡量企業(yè)數(shù)字化應(yīng)用水平的基礎(chǔ)指標(biāo)。

    （1）數(shù)據(jù)的完整性。

    MBD是面向全生命周期數(shù)據(jù)管理的先進(jìn)定義技術(shù)，它以三維模型為核心的方式組織產(chǎn)品的相關(guān)信息，如：幾何信息（數(shù)模、尺寸和基準(zhǔn)等）、非幾何信息（材料、關(guān)鍵特性和注釋等），以實現(xiàn)單一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)源。如圖5所示，在MBD數(shù)據(jù)定義過程中，既要保證定義信息的完整，又要盡量精簡標(biāo)注內(nèi)容。

圖5 MBD數(shù)據(jù)的組成

    （2）數(shù)據(jù)的規(guī)范性。

    MBD數(shù)據(jù)是產(chǎn)品信息完整、精確的“數(shù)字化”表達(dá)，所有與研制相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)工作方法、指令都要求統(tǒng)一編碼，并由計算機(jī)管理，這樣信息系統(tǒng)和數(shù)字化工具就能自動識別MBD數(shù)據(jù)的內(nèi)容，以滿足產(chǎn)品研制過程中統(tǒng)一數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求。如：幾何信息（尺寸標(biāo)注）遵循ASME14.41或Q/AVIC01801-2011等標(biāo)準(zhǔn)要求。非幾何信息采用信息編碼方式進(jìn)行分類，如波音MBD 數(shù)據(jù)中標(biāo)準(zhǔn)件信息采用A|B|C字符串來表示為：BACB31E6-5`=27|BACB31E6-5|Bolt,Threaded,Pull Type for Swaged Collars, Protruding Head. 其中A是標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)量，B是標(biāo)準(zhǔn)件號碼，C是標(biāo)準(zhǔn)件描述。

    （3）數(shù)據(jù)的可用性。

    MBD中信息要求可為后續(xù)研制工作直接使用，幾何信息（幾何描述和尺寸標(biāo)注等）需要二次開發(fā)實現(xiàn)信息的提取和使用，非幾何信息則是按照管理系統(tǒng)要求，實現(xiàn)對信息的格式化提取和使用。此外，如果廠所分離，需要提取出MBD中信息，再在此基礎(chǔ)上開展后續(xù)工作。如果是廠所合一，則可在同一MBD數(shù)模上協(xié)同開展工作，并直接形成可用于制造現(xiàn)場的加工、裝配或檢驗的作業(yè)指導(dǎo)書。圖6為MBD數(shù)字化檢驗的示意圖。

圖6 MBD的三維檢驗過程示意圖

    2 工藝設(shè)計階段MBI 的生成

    MBD 在航空型號中得到應(yīng)用，而數(shù)字化制造總體上仍相對滯后，如何實現(xiàn)三維設(shè)計向三維制造的順利轉(zhuǎn)化，作為設(shè)計、制造間橋梁的工藝設(shè)計是關(guān)鍵所在。

    （1）基于成熟度的工藝審查。

    基于模型的技術(shù)的應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)管理方式，MBD數(shù)據(jù)通過MBE協(xié)同環(huán)境，以數(shù)模形式提前同步到制造單位，工藝人員按照成熟度狀態(tài)直接在三維環(huán)境中與設(shè)計人員共同完成工藝審查并保存結(jié)果，實現(xiàn)了審查工作的并行和可追溯性。

    （2）三維工藝（裝）設(shè)計。

    車間工藝使用經(jīng)過工藝審查的MBD數(shù)據(jù)替代原有二維圖紙和原理草圖開展詳細(xì)工藝設(shè)計，工裝人員按工藝要求開展工裝研制，構(gòu)建三維工序模型，編制每個工步的指導(dǎo)信息及對應(yīng)視圖，并將產(chǎn)品模型、工裝模型、工序模型關(guān)聯(lián)起來，實現(xiàn)工藝（裝）信息的三維可視化。

    （3）三維工藝仿真。

    工藝設(shè)計后，需要進(jìn)行工藝仿真以發(fā)現(xiàn)裝配、加工和檢測中可能遇到的問題，其中裝配仿真驗證零部件干涉情況，安裝順序是否正確及工人的可視性、可達(dá)性、可操作性等。加工仿真驗證刀具、夾具和工件間是否存在干涉等；檢測仿真驗證測量工具與工件的干涉并進(jìn)行路徑優(yōu)化。

    （4）MBI的生成。

    經(jīng)過上述工作，實現(xiàn)將MBD數(shù)據(jù)中信息，以結(jié)構(gòu)化的工藝描述和三維模型的形式傳遞到工藝路線中的工序（步），并進(jìn)一步補(bǔ)充三維制造的工藝信息，如按工藝分離面劃分的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工序模型、編制工序的內(nèi)容以及工藝仿真結(jié)果等，形成可用于指導(dǎo)生產(chǎn)的MBI。3制造階段MBI的完善MBI作為MBD的繼承者及其在制造領(lǐng)域的發(fā)展者，它的應(yīng)用，一方面是MBI 在工廠（車間）使用的過程，另一方面，需要對制造現(xiàn)場信息采集并反饋以完善MBI，實現(xiàn)基于模型的技術(shù)在企業(yè)的最終落地。

    （1）MBI的現(xiàn)場應(yīng)用。

    MBI應(yīng)用就是使用工藝設(shè)計中完成的，經(jīng)過輕量化處理的三維可視化的虛擬加工、裝配和檢測過程，并與相關(guān)工序內(nèi)容的編制相結(jié)合，形成的結(jié)構(gòu)化工藝指導(dǎo)書（MBI），然后，現(xiàn)場操作人員通過終端設(shè)備，瀏覽MBI信息，驅(qū)動相關(guān)生產(chǎn)和檢測設(shè)備，完成產(chǎn)品制造的過程。需要強(qiáng)調(diào)的是制造過程的實現(xiàn)，不僅需要MBI信息，還需要生產(chǎn)管理系統(tǒng)（如MES等）提供訂單、計劃、設(shè)備、生產(chǎn)狀態(tài)等的信息，同時作為制造現(xiàn)場的集成信息平臺，生產(chǎn)管理系統(tǒng)還能夠為MBI信息在生產(chǎn)和檢測設(shè)備中的應(yīng)用提供支持。

    （2）MBI的最終完善。

    廣義MBI不僅包含常規(guī)作業(yè)指導(dǎo)書的內(nèi)容，還需要制造現(xiàn)場的控制生產(chǎn)過程和零件轉(zhuǎn)接等信息，這些信息在虛擬環(huán)境中無法定義，要操作人員在現(xiàn)場采集并反饋到MBI中，主要有三維幾何信息（數(shù)模）可為檢測人員利用開展檢測工作，并將檢測結(jié)果與MBI中信息相比較形成質(zhì)量模型和報告反饋回MBI中。還有非幾何信息，即制造現(xiàn)場情況與MBI信息的偏離信息，如：更改單、質(zhì)量超越單、返修工藝單等，它們都需要在研制過程中貫徹，并將結(jié)果反饋到MBI中，才能最終形成包括虛擬設(shè)計和實際制造信息的MBI。

    基于模型的技術(shù)建議目前，國內(nèi)航空工業(yè)圍繞MBD技術(shù)已經(jīng)開始了基于模型的技術(shù)應(yīng)用研究，但系統(tǒng)構(gòu)建MBE集成與協(xié)同環(huán)境，支持從設(shè)計MBD向制造MBI轉(zhuǎn)化的工作尚未全面展開。存在的主要問題有：

    （1）各設(shè)計、制造單位分別建設(shè)自己的數(shù)字化工作環(huán)境，未建立一體化的全生命周期協(xié)同環(huán)境，研制過程中系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)難以統(tǒng)一，阻礙業(yè)務(wù)過程和數(shù)據(jù)鏈路的貫通。

    （2）不同型號設(shè)計制定了多個MBD標(biāo)準(zhǔn)，使得下游制造面臨多個MBD標(biāo)準(zhǔn)的困境。而對MBI 信息組織、應(yīng)用方式認(rèn)識的多樣化，難以形成統(tǒng)一的基于模型的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

    （3）多數(shù)基于模型的技術(shù)工作，僅把原來二維信息三維電子化，信息的完整性、規(guī)范性和可用性不高，仍然要依靠人工理解的方式獲取信息，基于模型的技術(shù)應(yīng)用水平亟需加強(qiáng)。

    （4）企業(yè)研制經(jīng)驗的重用程度不高，許多基礎(chǔ)資源、信息還沒有結(jié)構(gòu)化和數(shù)字化，難以支持信息系統(tǒng)對產(chǎn)品信息的“數(shù)字化”要求和快速研制對知識重用的要求。

    （5）產(chǎn)品設(shè)計信息（如數(shù)模、屬性、有效性等）基本實現(xiàn)了數(shù)字化管理與控制。但是制造信息一直游離在信息管理范圍之外，需要加強(qiáng)兩者的集成與管理。
針對基于模型的技術(shù)應(yīng)用的迫切需求，建議亟待開展的工作有：

    （1）突破傳統(tǒng)研制方法的束縛，從理論和實踐上對它進(jìn)行深入研究，形成并完善適合國情的基于模型的技術(shù)理論和應(yīng)用體系。

    （2）針對影響基于模型的技術(shù)應(yīng)用的多MBD 標(biāo)準(zhǔn)及MBI 認(rèn)識的多義性，應(yīng)盡快建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并加強(qiáng)宣傳、貫徹和推廣，實現(xiàn)行業(yè)基于模型的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一。

    （3）加強(qiáng)MBE建設(shè)，構(gòu)建從MBD到MBI的無縫轉(zhuǎn)化需要的集成和協(xié)同的數(shù)字化環(huán)境，為MBD 定義、MBI的創(chuàng)建與應(yīng)用提供多系統(tǒng)集成和軟件開發(fā)的平臺支持。

    （4）將企業(yè)原有經(jīng)驗、標(biāo)準(zhǔn)及資源向支持?jǐn)?shù)字化協(xié)同研制的形式（信息結(jié)構(gòu)化、標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗知識化）轉(zhuǎn)化，形成基于模型的技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)資源庫。

    （5）實現(xiàn)全生命周期信息的“數(shù)字化”管理，不僅虛擬信息要“數(shù)字化”，生產(chǎn)過程信息也要進(jìn)行數(shù)字化處理，以提高研制的自動化和信息化水平。

    結(jié)論

    基于模型的技術(shù)在產(chǎn)品研制過程的應(yīng)用，是一個涉及技術(shù)、管理、企業(yè)文化等方面深刻變革的業(yè)務(wù)“再造”過程，是數(shù)字化技術(shù)在建模標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)管理規(guī)范化和系統(tǒng)工具集成化中的深度應(yīng)用。因此，必須從系統(tǒng)工程的角度，全面開展基于模型的技術(shù)方法、標(biāo)準(zhǔn)制定和應(yīng)用體系的建設(shè)，在MBE環(huán)境下快速貫通從MBD定義到MBI應(yīng)用的數(shù)字化研制業(yè)務(wù)過程數(shù)據(jù)鏈，是提高中國航空產(chǎn)品研制數(shù)字化、信息化水平的必由之路。

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本文標(biāo)題：基于模型的技術(shù)在航空產(chǎn)品研制中的應(yīng)用研究

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