基于模型定义的标准体系探讨

田 菊 张晓静

（1.中航工业一飞院，陕西 西安 710089；2.中航工业西飞，陕西 西安 710089）

随着信息技术的飞快发展，飞机研制进入了一个崭新的时代。进入21世纪的波音公司在数字化技术领域又跨上了一个新台阶。其设计和生产的787梦幻飞机首次采用了准确、直观、经过定义的三维模型作为传递设计思想和生产依据的全数字化表达手段，实现了飞机全三维设计制造一体化的研制，为飞机数字化研制开启了一个新的纪元。

我国航空工业也遇到了前所未有的发展机遇，尤其是近几年国家的重视为航空工业的快速发展提供了一个良好的平台。近年来，航空各主机厂所纷纷采用先进的数字化技术，以提升航空行业的快速设计、精益制造及设计制造协同研制的整体能力和水平是。本文以基于模型的定义（Model Based Definition，MBD）技术为牵引，提出国内飞机研制MBD设计制造体系架构，并探索需构建的标准体系框架与主要技术标准内容，为飞机研制实现全三维设计制造一体化提供参考。

1 基于模型定义的飞机设计制造体系架构

MBD技术是指在产品的数字化定义中，通过在三维模型上定义尺寸标注、公差要求、加工制造要求、检验要求等非几何信息，从而实现对产品信息的清晰、完整、唯一的描述，以满足下游数字化制造和检验直接使用的需求。它与原有数字化设计模式最大的区别是真正实现了三维模型为唯一数据源，所有加工制造检验信息均在三维模型上体现，下游制造部门直接以三维模型为依据进行产品加工制造与检验。MBD技术不仅要求设计部门所设计的产品模型更加直观、清晰，信息表达更加准确、完整，而且对生产制造与检验提出了更高的要求，即要求制造部门要直接从产品模型上获取生产制造信息，并以模型为依据进行检验，因此，要求产品制造更加自动化、检验更加精准化。

目前，国内飞机研制普遍采用MBD技术进行产品研制。由于MBD技术完全摆脱了二维图纸的模式，完全以三维模型为核心，而且所有产品数据均在信息化系统中进行管理，因此，飞机研制的技术体系发生了根本的变化。在飞机MBD设计制造技术体系中，不仅要全面实现全三维产品数字化定义，而且要求设计制造更加紧密协同，在设计阶段尽量全面准确地表达制造加工信息，并将所定义的产品信息要准确完整地传递到下游制造中。下游制造系统要以此三维模型为依据进行工艺规划、工装设计，开展零部件的生产制造，以及进行检验计划的编制等。因此，在目前航空业设计与制造分离的情况，建立以MBD模型为核心，多厂所并行协同研制平台为架构的飞机设计制造体系，是实现全三维设计制造一体化有效方法。基于模型定义的飞机设计制造体系架构如图1所示。图1中，MBD模型是唯一数据源，贯穿飞机设计、制造与检验全过程。设计部门以模型定义产生全三维数字化产品模型，并以此模型为依据开展关联设计、进行产品数据管理和技术状态控制，制造部门以此模型为依据进行工艺规划、工装设计、装配仿真、以及生产制造和产品检验，并行协同平台是设计制造数据传递及沟通交流的途径，可实现数据双向交流，有效满足设计制造并行协同研制的要求。

图1 基于模型定义的飞机设计制造体系架构示意图

2 基于模型定义的标准体系框架与主要内容

飞机研制是一个复杂的系统工程，其复杂性要求在管理上具有综合性和严密性，所有技术环节和管理环节都必须通过程序、规范和标准来控制。采用MBD技术的飞机设计制造一体化研制也不例外，同样需要完整、协调、配套的标准体系，以支持飞机研制MBD技术的有效应用和规范开展。飞机MBD设计制造一体化工程研制的标准体系建立目标应紧紧围绕飞机MBD设计制造体系架构进行建立，其核心标准是基于模型定义标准，具体包含MBD数据集定义、建模标准、三维标注等，同时，还包括以MBD数模为核心的关联设计、产品数据管理、以及技术状态控制与管理等设计标准，MBD工艺管理规范含PBOM/MBOM和AO/FO的编制，MBD产品制造与检验规范，如检验计划的编制等制造标准，以及设计与制造之间MBD产品信息的提取与使用要求、并行协同研制等标准规范。标准体系框架如图2所示。

图2 基于模型定义的标准体系框架

2.1 基于模型定义标准

MBD技术的核心是对集成了尺寸标注、公差要求、加工制造要求、检验要求等信息的三维模型进行正确而完整的定义和表达。与包含图样的数字化定义方法不同，MBD模型包含了所有的几何信息和非几何信息，而且所有的信息是通过产品结构树的方法进行组织与管理的。因此，基于模型定义的标准应首先明确MBD模型信息分类与组织要求，针对零件模型与装配模型应分别给出应包含的信息内容与组织方式。其次应规定各类信息，如尺寸与公差、表面粗糙度、以及材料等信息的标注要求，尤其应给出通用附注等非几何信息的规范化表达方法。除此之外，还应规定MBD模型属性（含设计属性与管理属性）的定义与标注要求。另外，由于MBD模型为唯一数据源，所有设计、制造和检验信息均完整地表达在MBD模型中，信息量巨大，尤其是生产加工技术要求等非几何信息的表达，不仅标注工作量大，而且易出错。因此，为保证信息的完整、准确、且减轻设计人员的工作量，在基于模型定义的标准建立的同时，还应建立信息完整准确的非几何信息数据库，开发多个方便快捷的标注模版和调用工具，并将标准规范要求嵌入到相应的支持工具中，这样既能保证数据的准确与规范，提高设计效率，又有利于下游制造用户的直接提取与使用。

2.2 数据管理与状态控制标准

在MBD技术应用中，产品数据管理对象发生了变化，MBD模型是产品数据管理的核心，且是唯一数据源，因此，要求产品数据管理系统应能自动获取MBD模型上与产品数据管理有关的信息，并按MBD模型的状态进行有效性管理。MBD模型状态通过版本定义进行标识，并记录和跟踪产品数据的更改过程。为发挥产品数据管理系统对模

型状态的记录与管理优势，最大限度地对MBD模型的各个状态进行管理，以便于后续改型或系列产品的发展，在版本管理上可采用并行版本管理方法，即适用于不同架次的MBD模型多版本有效。因此，在版本定义中应明确MBD模型版本的变化，尤其针对不同类型的更改应给出版本变化的规则，以便于产品数据管理系统的实施。同时，由于并行版本的实施，以MBD模型为核心的产品数据不仅数据量大，而且管理极其复杂。为简化有效性管理，方便技术状态的控制，有必要对飞机产品结构进行了模块化划分，实施扁平化模块管理，并应规定模块划分原则、模块的组成、以及模块版本控制与有效性管理等具体要求，从而确保产品数据管理的状态清晰、准确，并具有可追溯性。

2.3 MBD工艺管理规范

产品定义方法的改变使工艺输入、输出的形式和工艺工作的方法都发生了革命性的变化。其中，最大的变化是工艺、工人、检验看不到工程二维图纸，需要从三维模型中提取所需的全部信息用于工艺文件编制、生产和检验，因此，工艺管理规范也必须进行相应改变。首先应建立协同设计制造工作规范，规定工艺审查、工艺与设计协调的流程、方法和要求；其次，应建立产品数据接收、传递和使用管理规范，规定设计信息的读取方法、3DVIA Composer、3DVI player的操作要求、数据使用方法和存储要求等以保证相关人员能够获得准确、完整的设计信息；最后，还应制定三维制造和装配指令（FO/AO）编制管理规范，规定三维环境下AO/FO的编制要求、数据结构、输出格式及审批流程等，保证工人能够正确、全面理解制造指令，生产出合格的产品；同时，应制定PBOM/MBOM管理规范，规定PBOM/MBOM的构建方法、内容、格式和发放要求等，以规范制造数据集的管理，确保其完整、有效、可追溯，并与设计数据一致。

2.4 MBD制造与检验标准

MBD技术的应用，使得制造体系发生了变革。一方面，给实施数字化制造和检验带来了极大的方便，工艺人员和检验技术人员可以利用信息化手段直接从设计数模上提取制造、检验依据，可以很方便地进行工艺仿真、数控加工和数控检测，大大减少了工艺、工人、检验的工作量和出错的概率，有利于提高产品质量和生产效率。另一方面，对采用普通加工和检测手段的产品，由于无二维图样，又无法直接使用数模，给工艺文件和检验文件的编制提出了更高的要求，不能再通过图样引用等方法来描述制造检验要求，所以，有必要根据MBD设计数据的特点制定新的制造、检验文件编制及管理规范，尤其对MBD模型信息的提取与使用上要做出明确规定，以确保制造数据准确，检验标准唯一。同时，通过建立检验技术体系，编制检验规程等，实现现场制造和检验依据分离，以避免仅依据制造计划进行生产和检验造成的质量问题，预防差错，从而强化产品实物质量的控制。

2.5 并行协同研制管理

在MBD设计制造一体化研制中，并行协同研制更显突出与重要。要在设计制造全线推行基于MBD的全三维设计制造一体化技术，除了要构建并行协同研制平台，以确保并行协同研制工作的开展，更重要的是要在管理模式上积极采用IPT组织，以加快研制进程，而且还应从技术层面上主动探索新的途径和方法。在并行协同设计方面可通过采用关联设计技术，制定关联设计规范，以实现上下游设计的并行与协调更改；在并行协同设计制造方面，通过定义MBD模型成熟度，建立模型成熟度控制机制，以实施设计与制造的并行。并行协同研制相关标准规范的建立，为有效实施并行协同研制，缩短产品研制周期提供技术保障。

3 结束语

目前，MBD技术已在航空各主机厂所得到了初步应用与验证，也已基本建立起完整配套的标准体系。但随着应用的不断深入，实施MBD技术已不只是一项全新技术的应用问题，它的实施还需要从管理方法和管理模式上进一步创新，尤其是针对飞机这样复杂的产品要从顶层规划其组织模式、管理方法，还应考虑生产制造的分工与管理等，所以，应加强MBD技术应用的管理标准的研究与制定。只有建立起完整配套技术和管理标准体系，才能更好地发挥MBD技术的强大优势。

[1] 朱宏斌.型号工程标准化[M].北京：航空工业出版社，2004.

[2] 范玉青.大型飞机数字化制造工程[M].北京：航空工业出版社，2011.