MBD技术在航空制造业中的应用

阮超峰

(中航工业空空导弹研究院，河南洛阳 471000)

所谓基于模型的数字化定义(Model Based Definition，MBD)，就是用集成的三维模型来完整表达产品定义信息，并将其作为生产制造过程中的唯一依据，实现设计、工艺、制造、检测等的高度集成［1］。近年来，MBD技术在航空制造行业已经得到了长足发展。如何更有效地利用MBD技术，将MBD技术的应用从产品设计阶段扩展到工艺设计和车间制造的层面，打通从设计到制造过程的全三维数字化之路，是当今航空制造业的发展方向和必由之路。

1 基于MBD的三维数字化制造体系架构

基于MBD的全三维数字化制造体系，是以MBD技术为基础，依靠先进的物联网技术，结合当今企业信息化发展水平和企业实际业务需求而构建，目的是通过先进的企业信息化管理思想和工具，来提高企业的研发、工艺和制造能力，建立基于三维模型的数字化产品设计制造一体化管理平台，为企业的“协同设计、精益制造”模式的创建提供依据。图1为基于MBD的企业全三维数字化制造体系架构。

图1 企业三维数字化制造体系架构图

三维数字化制造平台以MBD技术为基础，依靠先进的物联网技术，综合集成基于MBD的三维产品设计系统(CAD)、三维工艺设计系统(CAPP)、制造执行系统(MES)和企业资源计划系统(ERP)等［2］。设计部门进行基于MBD的三维产品设计，通过PDM系统传递给工艺部门;工艺部门利用接收到的MBD模型进行三维工艺设计，利用PDM系统对三维工艺数据进行管理，并通过MES系统下发到车间;车间现场接收到工艺数据信息(工时定额、材料定额等)，并通过MES系统进行任务排产、生产调度、派工报工和现场监控等;工装管理系统实现对车间工装的制造、使用、报废等管理;生产管理员利用DNC系统实现车间现场设备的数据采集和状态监控等。

2 MBD模型在企业中的应用

2．1 MBD技术在产品设计中的应用

近年来，MBD技术在航空制造行业已经得到了长足发展，特别是在设计部门，已经完全实现了全三维方式，并且设计数据的发放以三维模型作为唯一的数据源。MBD模型中包含了产品的几何属性(尺寸、公差等)、制造属性(材料定额等)和管理属性(产品结构、EBOM等)，只需要将MBD模型作为唯一数据源下发到工艺部门即可，工艺人员可以从MBD模型上获取产品全部信息，进而进行三维工艺设计，保证了整个过程的单一数据源特性。为了能够规范基于产品的模型定义方法，企业需要根据实际需求定义一系列标准来支撑，如:建模标准、尺寸和公差标注标准、注释标准等等。基于MBD的产品设计将产品的设计属性、工艺属性、制造属性、检测属性等都高度集成在三维实体模型上，取代了传统由三维实体模型描述几何形状信息，二维工程图纸定义尺寸、公差和工艺信息的分步式描述方法。

2．2 MBD模型在工艺设计中的应用

在MBD环境下，工艺设计统一在CAD平台下进行，工艺信息集成在PDM系统中进行管理。工艺部门通过PDM系统接收到设计部门发放的三维MBD模型后，主要进行以下几个步骤的工作:(1)进行工艺性审查，主要对设计模型的几何特征、产品属性、尺寸标注、基准、技术要求等进行审查，发现问题及时提交设计部门，设计部门修改后重新下发;(2)进行EBOM到MBOM的转换，所谓EBOM是指设计部门发放的产品结构，而MBOM是制造部门从加工、装配角度搭建的产品结构，MBOM去除EBOM的虚拟件转换成了实体件，并增加了工装等工艺资源;(3)进行工艺路线规划即构建基本的工艺路线卡，进而对每道工序进行详细设计，即针对每一道工序完善加工方法(数控加工、表面处理、检验等)并关联相应的制造资源(刀具、夹具、设备等)，其中在数控编程阶段，需要生成每道工序的加工模型，用于NC程序的编制和检验，并结合关联的制造资源(机床、刀具、夹具等)进行仿真验证，最后将验证结果(NC代码、仿真动画等数据)保存回对应的工序;(4)进行可视化发布，生成三维可视化工艺文件进行审核后提交PDM系统进行管理，并通过MES下发车间生产。图2所示为基于MBD模型的三维加工工艺设计流程。

图2 基于MBD模型的三维加工工艺设计流程

2．3 基于模型的制造资源库管理

企业需要构建自己的三维制造资源库，将企业所有的制造资源进行统一管理。三维制造资源库包含企业所有的机床设备、刀具、夹具、量具、各类工装资源等，与企业的资源实物通过条码或二维码等进行管理，并与资源库中的三维轻量化模型一一对应［3］。统一的资源库管理使得企业在进行生产线规划、生产力能力评估、三维工艺设计时，可以直接调用资源库的三维模型进行仿真验证，提高了前期规划效率和准确度。例如在三维工艺设计阶段，需要调用资源库中的机床、刀具、工装等资源进行数控加工的验证仿真，如果需要制造专用工装，则发起专用工装设计申请，由工装设计部门进行设计，最后将设计完成的三维工装模型保存到工装资源库中。

2．4 基于模型的现场执行

基于PDM系统将工艺数据(三维作业指导书、工时定额、材料定额等)通过MES系统传递到制造车间。车间生产计划员根据接收到的相关工艺数据，结合车间资源、库房资源等信息进行计划排产和生产调度。车间工人利用现场终端，访问PDM系统中保存的工艺数据，可以对三维工艺模型进行旋转、缩放、测量尺寸、标注等操作，以及查看三维作业指导书。在制造过程中发现设计或者工艺问题时可以直接在三维模型上进行标注，及时反馈给设计、工艺部门进行修改，重新下达。

3 结束语

近年来，MBD技术已经成为了当今航空制造业的一个热门，也是促进航空制造业发展的关键。本文以MBD技术为核心，构建了基于模型全三维数字化制造体系，并对MBD技术在产品设计、工艺设计、现场制造和制造资源管理中的应用场景进行了探讨。研究了MBD技术在航空制造业中的应用，将MBD技术的应用从产品设计推广到工艺、现场制造等方面，对MBD技术在航空制造业中的应用具有一定的指导作用。

［1］ 冯潼能．MBD技术在数字化协同制造中的应用与展望［J］．南京航空航天大学学报，2012，44(增刊1):138－143．

［2］ 付红旭．基于 PLM的三维数字化车间整体解决方案［J］．航天制造技术，2013(1):71－74．

［3］ 柴天佑．制造执行系统的研究现状和发展趋势［J］．控制工程，2005，12(6):4－9．