通飞设计制造一体化技术初探

李梅

摘 要：设计与制造的割裂是影响和制约飞机设计和生产效率的一大难题，基于MBD的设计制造一体化技术为解决这一难题提供了可行的方法。基于通飞的组织构架，作者从系统工程的角度，提出流程控制、工程数据和企业协同三层的划分，目的是探讨建立起一套可行的设计制造一体化模式，并在此基础上设计“飞机产品研制的设计制造一体化平台”。

关键词：航空制造 MBD 制造仿真 一体化

中图分类号：V221 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2018）02（a）-0015-04

当前，我国飞机研制的组织模式相当程度还是“一个设计所，一个主机厂，几个配套厂”的厂所分离格局形式。结果必然导致了制造部门拿到设计数据相对滞后，难以做到设计制造并行开展，从而不能有效地发挥信息技术的作用，缩短项目研制周期。另一方面，发生工程更改时，由于更改信息不能及时传递到制造端，带来大量的制造返工工作量，进而项目周期、成本不断上升。从系统的角度看，设计与制造的分离，是上下游数据流传递被人为的割裂，在实际生产管理中，缺乏上下游交流协调的有效手段。

近年来兴起的MBD技术，已经在波音787、空客A380等先进客机的研制生产过程中得到了广泛应用，打通了设计和制造之间的隔阂，取得了良好的效果。我国在从波音公司转包生产的过程中也逐渐认识到了MBD技术的巨大意义和广阔前景，开始在中国航空工业中大力推行。

MBD（Model Based Definition）技术，即基于模型的定义，有时也被称作数字化产品定义技术，是一种面向计算机应用的产品数字化定义技术，其核心思想是用一个集成的三维实体模型来完整的表达产品定义信息，实现面向制造的设计。

MBD技术充分利用三维模型直观、可视化和准确表达的特点，将产品全寿命周期过程中所需要的几何信息和非几何信息，以注释的方式附加在三维模型中，从而使三维模型成为生产制造过程中的唯一的可靠的依据。在进入到工业化时代以来，随着计算机技术的发展和三维CAD技术的成熟，产品定义技术也随之有了跨越式的发展，从二维图纸到三维模型，大致可以分为3个阶段。

一是设计和图纸均为二维环境。这是从18世纪末画法几何被提出后，到20世纪末计算机三维绘图技术成熟前，设计人员基本上唯一的手段。在这中间经历了从图板手工绘图到计算机绘图变更，但本质上仍未脱离二维设计的局限。

二是设计为三维环境，图纸仍为二维图纸。这一阶段是伴随着计算机软硬件的发展，三维建模技术有了提高，CATIA、UG、SolidWorks等三维开发环境取代AutoCAD成为主流的设计手段。但是在出图阶段，仍然需要依靠计算机软件完成投影、标注，以传统的二维图纸的方式交付工厂生产，大部分情况下还需要附带复杂的说明文档。

三是基于MBD的全三维数字化设计生产。1997年，国际自动机工程师学会（SAE）就在波音的协助下开展了三维标注技术及其标准化的研究。其目的就是在三维模型中包含完整的制造所需信息，实现模型、标注、属性三者的整合。典型的波音公司在2004年的波音787项目中大规模采用了这一技术，使得研发周期缩短40%，工程返工减少了50%，取得了巨大的效益[1]。

1 MBD产品数据管理

目前国内飞机设计制造已趋向全面采用MBD技术进行产品设计，三维数模将成为设计与制造的唯一依据，同时推行设计工艺并行工作模式协同研制以代替传统的串行工作模式，解决原有的工艺准备周期较长、设计的沟通效率低下等问题。传统基于二維图纸的工艺设计方法无法从MBD设计数模中获取制造信息来加速工艺设计效率，且也缺乏工艺验证的手段，同时工艺可视化展示也能很大程度的提升车间现场人员的工作效率。

按照MBD技术基于主模型的数字化定义[2]，是一个用集成的三维实体模型来完整表达产品定义信息的方法。将三维产品设计信息与制造信息共同定义到产品的三维数据模型中，这就是主模型。主模型是设计模型、属性信息和标注等信息的集合。在设计模型中包含了产品的模型几何和设计中所使用的辅助几何；三维标注信息包含了无需手工或外部处理就直接在三维模型上可见的尺寸、公差、注释、表面粗糙度、焊接标注、文本和符号等内容；产品的属性包含的是文件属性和模型的对象属性，比如：象模型特征所需的不可见的尺寸、公差、注释、文本和符号等，但这些信息可通过查询得到。采用MBD技术，在产品的整个生命周期中，摒弃二维图样，使工程技术人员从三维模型转二维图纸的繁重工作中解放出来，直接使用主模型作为制造依据，真正实现模具设计与制造过程的协同和并行，也是整个制造业的发展趋势。

2 设计制造一体化模式

在设计制造一体化过程中，涉及到的就是EBOM和MBOM的协同。EBOM一般称作零件明细表，以产品设计结构树的形式表达。主要反映整个产品的设计结构，以此来对整个产品的生命周期进行进度规划和任务安排。MBOM一般被称作生产物料清单，是一种描述装配结构化的零件表。在MBOM中包含了所有的子装配件的数量、装配件之间的关系说明。

EBOM与MBOM协同，就意味着要建立EBOM与MBOM之间的联系。当前国内外针对EBOM映射MBOM的问题做了大量的研究，各自有不同的解决办法[3]。例如：在工艺设计时，采用生成工艺文件与动态更新EBOM树同步进行的方法。或者是从装配工艺路线出发生成装配BOM，再经过修改得到MBOM。也可以基于工艺流程构造BOM原型，以EBOM和工艺流程结构树为基础生成MBOM。

基于通飞华南公司当前正处于实施中的“制造验证系统项目”，提出以下三层架构的设计制造一体化系统框架（如图1）思路，这个框架包含了流程控制层、工程数据层和企业协同层。该系统框架仅仅是在思考如何根据通飞公司的实际情况，推进设计制造一体化的思路之一。

其中，流程控制层包含了企业的流程控制管理制度，可以分为：（1）产品设计控制流程；（2）工艺设计控制流程；（3）构型控制流程；（4）发放控制流程。在前两个过程中，均包含了相应的审签流程和更改流程，为设计和制造提供了制度保障。在构型控制中，又可分为设计的构型控制流程和制造的构型控制流程，分别对应这两个流程的EBOM和MBOM也分别建立各自的发放流程。以上四类流程均由流程管理系统统一进行管理。

第二层的工程数据层是业务的核心层。包含了VPM系统和DELMIA系统，在VPM系统中实现产品以及其工装和工艺的数模设计，包括产品之间的关联、工装之间的关联以及工艺数模之间的关联，由VPM系统导出的数据在DELMIA环境中实现工艺规划与设计仿真以及虚拟装配等。在这一层中，所有的流程要受到流程控制系统的管控，同时，对流程控制的效果做出反馈，以提升流程控制的效率。

最下层为企业协同层，借助于Windchill系统，承担供应商管理、项目管理功能，实现部门间、单位间的协同工作。这一部分的数据同工程数据层也存在交互，主要体现在信息上的交互例如需求的输入与反馈以及物料上的交互，如原材料的输入及产品的输出。

通过三层之间的协同作用，打通设计与制造之间的隔阂，从系统上建立了设计制造一体化的模式。

3 设计制造一体化平台的初步实现与应用

根据前期型号研制过程中遇到的瓶颈问题，通飞华南公司启动了“制造验证系统”项目，用于支撑型号工艺准备及工艺设计阶段的主要业务。并且研究基于三层架构体系，建立一种设计制造一体化平台。通过平台建设，搭建制造验证系统，通过相关仿真手段，事前验证飞机制造过程中的工艺、工装设计的合理性，消除潜在的错误，提高飞机制造质量。

3.1 平台功能定义

系统基于MBD设计数模开展三维工艺规划和设计工作，涵盖MBOM重构和工艺规划、仿真、编制以及三维工作指令输出，通过结构化的形式表达产品—工艺—资源数据之间紧密的逻辑关联关系。另外，在工艺设计过程中验证部件/总装工艺的合理性，并制定三维工艺设计与仿真相关工作流程与规范，满足航空产品研制任务需求。构建平台的主要工作包含了两个方面。

3.1.1 搭建三维装配工艺设计系统

根据指定型号产品工艺特点和实际业务需求，搭建三维装配工艺设计系统，实现产品-工艺设计的并行及基于MBD模型的三维工艺规划和验证，满足型号产品的工艺研制需求。

3.1.2 关键部件装配仿真结果渲染和发布

在关键部件装配仿真成果基础上，运用3D via studio软件对其进行场景美化和渲染，使其展示效果更能贴合现场实际，并进行相关人机交互开发，满足宣传及展示需求。

3.2 平台功能设计

3.2.1 产品设计数据获取

将通过定制支持导入符合企业数据格式的数据导入功能（或与VPM集成功能），实现制造验证系统中EBOM数据的接收，将EBOM产品结构、三维模型等信息传递到制造验证系统中。实现内容包括以下几个方面。

（1）EBOM数据接收：在制造端，通过数据导入功能接收设计数据，并重现EBOM。主要传递的信息如下。

①产品结构（EBOM）。

②产品属性。

③三维模型。

（2）EBOM数据更新：当设计数据更新后，可通过数据导入功能（或与VPM集成功能）支持更新制造验证系统中的EBOM及其三维模型。

3.2.2 MBOM重构

在制造验证系统中，基于产品的EBOM信息，可根据三维产品模型在三维数字化环境下进行总装站位规划以及全机、部件、组件工艺分离面的划分。在全机工艺分离面划分优化的基础上，对各工艺部件装配流程进行设计，逐级形成各级装配单元，构建MBOM。在MBOM构建过程中，需提供三维可视化手段进行消耗式零组件分配，并进行分配校验。另外MBOM划分结果也需要结合仿真模块进行验证，以确保划分的质量。实现内容包括以下几个方面。

（1）MBOM结构构建：三维可视化环境下进行MBOM结构的搭建。

（2）消耗式零组件分配：基于产品结构树或者三维模型将零组件消耗到MBOM结构下。

（3）MBOM校验：分配完成后，将EBOM和MBOM进行对比校验。

（4）MBOM划分仿真验证：MBOM划分完成后，直接启动装配仿真验证模块进行划分验证。

3.2.3 工艺规划及验证

在MBOM的AO节点上，运用图形化工具进行工艺流程图的设计，定义AO与AO之间，以及AO内部工序之间的工艺顺序，并结合仿真模块进行装配顺序、装配干涉的仿真验证。在相关关键验证场景中，结合虚拟人体模型，进行人机任务仿真，验证操作人员的可达性、可操作性。实现内容包括以下几个方面。

（1）工藝流程设计。

①工艺流程定义：以流程图的形式进行总体工艺规划，形成工艺结构树。

②产品、资源数据关联：将产品、资源对象与工艺数据建立关联，以支持后续的更改贯彻、BOM统计等。

③轻量化模型浏览：基于工艺结构树，浏览其相关联的产品、资源数据的轻量化模型。

（2）零组件划分。

①三维可视化环境下将零组件分配到对应AO或工序配套中。

②对零组件划分结果进行校验。

（3）三维AO编制及输出。

①基于三维轻量化模型进行AO详细内容编制及仿真验证。

②支持三维动画及三维视图。

③支持预览与发布三维AO。

④三维AO编制支持常用工序模板和技术文件引用列表（动态更新）。

（4）装配仿真验证。

对装配方案进行仿真，验证装配顺序合理性，消除装配干涉。

（5）人机仿真验证。

①定制虚拟人体模型并加载到虚拟仿真场景中。

②结合仿真任务，进行人体可达性、可操作性仿真验证。

3.2.4 工艺数据管理

需要根据公司工艺管理要求，对三维装配工艺设计系统创建的工艺数据进行有效管理，确保数据状态可控、可追溯。实现内容包括以下几个方面。

（1）有效性设定：主要承担系统内数据的有效性管理功能。

①通过获取产品数据的有效性信息并记录在系统内。

②支持筛选出特定架次的数据。

（2）更改贯彻：执行工程更改或工艺优化业务场景。

①更改数据获取：以数据包的形式导入更改的数据到制造验证系统中，更新设计数据。

②更改执行：将当前AO中设计数据更新为最新版。

（3）工艺数据管理：对工艺数据的版本、状态进行管理，并支持对工艺数据进行审批。

①版本管理：管理工艺数据的版本；

②流程審批：对工艺数据进行审批；

③权限管理：管理人员权限；

④用户管理：管理系统账户信息。

3.2.5 关键部件装配仿真结果渲染和发布实施

基于关键部件装配仿真成果，借助于仿真渲染与发布模块，对仿真后的装配过程数据进行渲染与发布。实现内容包括以下几个方面。

（1）仿真数据导入：用于导入与识别装配仿真中包含有仿真过程的三维轻量化数据。

（2）渲染：用于对仿真数据添加光源、材质的添加和美化处理。

（3）渲染数据发布：用于对渲染的结果进行发布。

3.3 基于DELMIA的一体化平台设想

DELMIA（Digital Enterprise Lean Manufacturing Interactive Application）是一款数字化企业的互动制造应用软件。可以向随需应变（on-demand）和准时生产（just-in-time）的制造流程提供完整的数字解决方案。它能够精简制造流程，提供大量的增值特性。是实现制造仿真，将设计与制造紧密结合的有力工具。

DPM Assembly，作为DELMIA系统中一个独特的软件模块，充分利用“数字样机”的三维数据，实现在三维基础上的3D工艺规划，并对零件的加工过程、产品的装配过程、生产的规划进行3D模拟并验证。促进工艺应用水平的提高以及优秀的工艺经验继承，实现真正的设计与工艺并行工程；提高设计能力，处理ECO的能力。

图2描述了基于DELMIA的平台架构，VPM系统生成的EBOM和三维模型作为输入，其输出为工艺文件和MBOM，为ERP及MES等生产管控系统提供输入。

下面对基于DELMIA的一体化平台设想及各系统间数据流转进行说明。

（1）VPM系统通过触发机制或定时将设计数据同步到DELMIA系统中开展工艺设计工作。

（2）在DELMIA系统中，基于EBOM进行工艺组合件和工艺分工的设计，可视化构建PBOM和MBOM，按需进行仿真验证。

（3）在经过验证后的MBOM的某个工艺结构上的AO节点，直接启动三维工艺编制工具进行三维工艺的详细编制。首先进行工序、工步内容创建，然后从AO配套中将零组件划分到对应工序/工步。当某道工序需要仿真验证时，直接从该工序节点启动DELMIA DPM软件，相关联零组件自动载入到仿真环境中。经过仿真验证后的工艺结果也会同步到三维工艺编制工具中。

（4）在AO详细编制过程中，可以直接从工艺知识库和制造资源库中获取典型工艺、标准工序名称、制造资源等来加速AO编制效率和质量。

（5）如果某道工序比较复杂，只有文字或图片描述难以全部描述完整工艺信息，可以直接从三维工艺编制工具中启动Composer软件来进行三维视图或动画的制作；制作的三维内容可以通过分配，实现与工序/工步的关联展示。如果该道工序已经用DELMIA DPM软件进行过仿真验证，可以直接通过开发的DELMIA To Composer软件接口，将DELMIA仿真过程自动转换为Composer软件的三维视图，工艺员可以直接利用来加速三维部分的制作效率。

（6）最后将编制好的三维AO打包检入到工艺数据管理系统中进行流程审签和发布。结合工艺数据管理系统与MES系统的集成，就可以将三维工艺设计结果推送到车间现场指导生产；结合工艺数据管理系统与ERP系统的集成，可以将完整MBOM集成进ERP系统来组织生产采购和配送等。

综上，最终实现以DELMIA为中心的设计制造一体化过程。

4 结语

本文结合通飞在型号研制生产过程中，介绍了建立一套设计制造一体化研制平台的思考和探索。希望通过本平台，构建统一的基于MBD的设计环境，解决工艺工装设计与产品设计环境分离的问题，支持工艺、工装提前介入；构建基于MBD的三维工艺设计环境，涵盖装配工艺、产品交付规范和装配检验规程。在此基础上，未来通飞可基于成熟阶段展开飞机的设计制造协同研制工作，将涵盖了真正意义上的全生命周期产品结构，实现数据发放后移。这将有力支撑未来型号研制业务的优化和转型。

参考文献

[1] 潘康华，陆江峰，邵兰英.MBD技术的发展历程与展望[J].机械工业标准化与质量，2013（2）：15-17.

[2] 付广磊，王仲奇，吴建军，等.飞机设计制造协同流程的研究[J].科学技术与工程，2007（4）：560-566.

[3] 师利娟.基于MBD技术的模具设计与制造[J].模具工业，2012（9）：13-16.

[4] 徐天保.EBOM到MBOM的映射机理及其在装配企业的应用[D].清华大学，2010.