通飛設計制造一體化技術初探

李梅

摘 要：設計與制造的割裂是影響和制約飛機設計和生產效率的一大難題，基于MBD的設計制造一體化技術為解決這一難題提供了可行的方法。基于通飛的組織構架，作者從系統工程的角度，提出流程控制、工程數據和企業協同三層的劃分，目的是探討建立起一套可行的設計制造一體化模式，并在此基礎上設計“飛機產品研制的設計制造一體化平臺”。

關鍵詞：航空制造 MBD 制造仿真 一體化

中圖分類號：V221 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）02（a）-0015-04

當前，我國飛機研制的組織模式相當程度還是“一個設計所，一個主機廠，幾個配套廠”的廠所分離格局形式。結果必然導致了制造部門拿到設計數據相對滯后，難以做到設計制造并行開展，從而不能有效地發揮信息技術的作用，縮短項目研制周期。另一方面，發生工程更改時，由于更改信息不能及時傳遞到制造端，帶來大量的制造返工工作量，進而項目周期、成本不斷上升。從系統的角度看，設計與制造的分離，是上下游數據流傳遞被人為的割裂，在實際生產管理中，缺乏上下游交流協調的有效手段。

近年來興起的MBD技術，已經在波音787、空客A380等先進客機的研制生產過程中得到了廣泛應用，打通了設計和制造之間的隔閡，取得了良好的效果。我國在從波音公司轉包生產的過程中也逐漸認識到了MBD技術的巨大意義和廣闊前景，開始在中國航空工業中大力推行。

MBD（Model Based Definition）技術，即基于模型的定義，有時也被稱作數字化產品定義技術，是一種面向計算機應用的產品數字化定義技術，其核心思想是用一個集成的三維實體模型來完整的表達產品定義信息，實現面向制造的設計。

MBD技術充分利用三維模型直觀、可視化和準確表達的特點，將產品全壽命周期過程中所需要的幾何信息和非幾何信息，以注釋的方式附加在三維模型中，從而使三維模型成為生產制造過程中的唯一的可靠的依據。在進入到工業化時代以來，隨著計算機技術的發展和三維CAD技術的成熟，產品定義技術也隨之有了跨越式的發展，從二維圖紙到三維模型，大致可以分為3個階段。

一是設計和圖紙均為二維環境。這是從18世紀末畫法幾何被提出后，到20世紀末計算機三維繪圖技術成熟前，設計人員基本上唯一的手段。在這中間經歷了從圖板手工繪圖到計算機繪圖變更，但本質上仍未脫離二維設計的局限。

二是設計為三維環境，圖紙仍為二維圖紙。這一階段是伴隨著計算機軟硬件的發展，三維建模技術有了提高，CATIA、UG、SolidWorks等三維開發環境取代AutoCAD成為主流的設計手段。但是在出圖階段，仍然需要依靠計算機軟件完成投影、標注，以傳統的二維圖紙的方式交付工廠生產，大部分情況下還需要附帶復雜的說明文檔。

三是基于MBD的全三維數字化設計生產。1997年，國際自動機工程師學會（SAE）就在波音的協助下開展了三維標注技術及其標準化的研究。其目的就是在三維模型中包含完整的制造所需信息，實現模型、標注、屬性三者的整合。典型的波音公司在2004年的波音787項目中大規模采用了這一技術，使得研發周期縮短40%，工程返工減少了50%，取得了巨大的效益[1]。

1 MBD產品數據管理

目前國內飛機設計制造已趨向全面采用MBD技術進行產品設計，三維數模將成為設計與制造的唯一依據，同時推行設計工藝并行工作模式協同研制以代替傳統的串行工作模式，解決原有的工藝準備周期較長、設計的溝通效率低下等問題。傳統基于二維圖紙的工藝設計方法無法從MBD設計數模中獲取制造信息來加速工藝設計效率，且也缺乏工藝驗證的手段，同時工藝可視化展示也能很大程度的提升車間現場人員的工作效率。

按照MBD技術基于主模型的數字化定義[2]，是一個用集成的三維實體模型來完整表達產品定義信息的方法。將三維產品設計信息與制造信息共同定義到產品的三維數據模型中，這就是主模型。主模型是設計模型、屬性信息和標注等信息的集合。在設計模型中包含了產品的模型幾何和設計中所使用的輔助幾何；三維標注信息包含了無需手工或外部處理就直接在三維模型上可見的尺寸、公差、注釋、表面粗糙度、焊接標注、文本和符號等內容；產品的屬性包含的是文件屬性和模型的對象屬性，比如：象模型特征所需的不可見的尺寸、公差、注釋、文本和符號等，但這些信息可通過查詢得到。采用MBD技術，在產品的整個生命周期中，摒棄二維圖樣，使工程技術人員從三維模型轉二維圖紙的繁重工作中解放出來，直接使用主模型作為制造依據，真正實現模具設計與制造過程的協同和并行，也是整個制造業的發展趨勢。

2 設計制造一體化模式

在設計制造一體化過程中，涉及到的就是EBOM和MBOM的協同。EBOM一般稱作零件明細表，以產品設計結構樹的形式表達。主要反映整個產品的設計結構，以此來對整個產品的生命周期進行進度規劃和任務安排。MBOM一般被稱作生產物料清單，是一種描述裝配結構化的零件表。在MBOM中包含了所有的子裝配件的數量、裝配件之間的關系說明。

EBOM與MBOM協同，就意味著要建立EBOM與MBOM之間的聯系。當前國內外針對EBOM映射MBOM的問題做了大量的研究，各自有不同的解決辦法[3]。例如：在工藝設計時，采用生成工藝文件與動態更新EBOM樹同步進行的方法。或者是從裝配工藝路線出發生成裝配BOM，再經過修改得到MBOM。也可以基于工藝流程構造BOM原型，以EBOM和工藝流程結構樹為基礎生成MBOM。

基于通飛華南公司當前正處于實施中的“制造驗證系統項目”，提出以下三層架構的設計制造一體化系統框架（如圖1）思路，這個框架包含了流程控制層、工程數據層和企業協同層。該系統框架僅僅是在思考如何根據通飛公司的實際情況，推進設計制造一體化的思路之一。

其中，流程控制層包含了企業的流程控制管理制度，可以分為：（1）產品設計控制流程；（2）工藝設計控制流程；（3）構型控制流程；（4）發放控制流程。在前兩個過程中，均包含了相應的審簽流程和更改流程，為設計和制造提供了制度保障。在構型控制中，又可分為設計的構型控制流程和制造的構型控制流程，分別對應這兩個流程的EBOM和MBOM也分別建立各自的發放流程。以上四類流程均由流程管理系統統一進行管理。

第二層的工程數據層是業務的核心層。包含了VPM系統和DELMIA系統，在VPM系統中實現產品以及其工裝和工藝的數模設計，包括產品之間的關聯、工裝之間的關聯以及工藝數模之間的關聯，由VPM系統導出的數據在DELMIA環境中實現工藝規劃與設計仿真以及虛擬裝配等。在這一層中，所有的流程要受到流程控制系統的管控，同時，對流程控制的效果做出反饋，以提升流程控制的效率。

最下層為企業協同層，借助于Windchill系統，承擔供應商管理、項目管理功能，實現部門間、單位間的協同工作。這一部分的數據同工程數據層也存在交互，主要體現在信息上的交互例如需求的輸入與反饋以及物料上的交互，如原材料的輸入及產品的輸出。

通過三層之間的協同作用，打通設計與制造之間的隔閡，從系統上建立了設計制造一體化的模式。

3 設計制造一體化平臺的初步實現與應用

根據前期型號研制過程中遇到的瓶頸問題，通飛華南公司啟動了“制造驗證系統”項目，用于支撐型號工藝準備及工藝設計階段的主要業務。并且研究基于三層架構體系，建立一種設計制造一體化平臺。通過平臺建設，搭建制造驗證系統，通過相關仿真手段，事前驗證飛機制造過程中的工藝、工裝設計的合理性，消除潛在的錯誤，提高飛機制造質量。

3.1 平臺功能定義

系統基于MBD設計數模開展三維工藝規劃和設計工作，涵蓋MBOM重構和工藝規劃、仿真、編制以及三維工作指令輸出，通過結構化的形式表達產品—工藝—資源數據之間緊密的邏輯關聯關系。另外，在工藝設計過程中驗證部件/總裝工藝的合理性，并制定三維工藝設計與仿真相關工作流程與規范，滿足航空產品研制任務需求。構建平臺的主要工作包含了兩個方面。

3.1.1 搭建三維裝配工藝設計系統

根據指定型號產品工藝特點和實際業務需求，搭建三維裝配工藝設計系統，實現產品-工藝設計的并行及基于MBD模型的三維工藝規劃和驗證，滿足型號產品的工藝研制需求。

3.1.2 關鍵部件裝配仿真結果渲染和發布

在關鍵部件裝配仿真成果基礎上，運用3D via studio軟件對其進行場景美化和渲染，使其展示效果更能貼合現場實際，并進行相關人機交互開發，滿足宣傳及展示需求。

3.2 平臺功能設計

3.2.1 產品設計數據獲取

將通過定制支持導入符合企業數據格式的數據導入功能（或與VPM集成功能），實現制造驗證系統中EBOM數據的接收，將EBOM產品結構、三維模型等信息傳遞到制造驗證系統中。實現內容包括以下幾個方面。

（1）EBOM數據接收：在制造端，通過數據導入功能接收設計數據，并重現EBOM。主要傳遞的信息如下。

①產品結構（EBOM）。

②產品屬性。

③三維模型。

（2）EBOM數據更新：當設計數據更新后，可通過數據導入功能（或與VPM集成功能）支持更新制造驗證系統中的EBOM及其三維模型。

3.2.2 MBOM重構

在制造驗證系統中，基于產品的EBOM信息，可根據三維產品模型在三維數字化環境下進行總裝站位規劃以及全機、部件、組件工藝分離面的劃分。在全機工藝分離面劃分優化的基礎上，對各工藝部件裝配流程進行設計，逐級形成各級裝配單元，構建MBOM。在MBOM構建過程中，需提供三維可視化手段進行消耗式零組件分配，并進行分配校驗。另外MBOM劃分結果也需要結合仿真模塊進行驗證，以確保劃分的質量。實現內容包括以下幾個方面。

（1）MBOM結構構建：三維可視化環境下進行MBOM結構的搭建。

（2）消耗式零組件分配：基于產品結構樹或者三維模型將零組件消耗到MBOM結構下。

（3）MBOM校驗：分配完成后，將EBOM和MBOM進行對比校驗。

（4）MBOM劃分仿真驗證：MBOM劃分完成后，直接啟動裝配仿真驗證模塊進行劃分驗證。

3.2.3 工藝規劃及驗證

在MBOM的AO節點上，運用圖形化工具進行工藝流程圖的設計，定義AO與AO之間，以及AO內部工序之間的工藝順序，并結合仿真模塊進行裝配順序、裝配干涉的仿真驗證。在相關關鍵驗證場景中，結合虛擬人體模型，進行人機任務仿真，驗證操作人員的可達性、可操作性。實現內容包括以下幾個方面。

（1）工藝流程設計。

①工藝流程定義：以流程圖的形式進行總體工藝規劃，形成工藝結構樹。

②產品、資源數據關聯：將產品、資源對象與工藝數據建立關聯，以支持后續的更改貫徹、BOM統計等。

③輕量化模型瀏覽：基于工藝結構樹，瀏覽其相關聯的產品、資源數據的輕量化模型。

（2）零組件劃分。

①三維可視化環境下將零組件分配到對應AO或工序配套中。

②對零組件劃分結果進行校驗。

（3）三維AO編制及輸出。

①基于三維輕量化模型進行AO詳細內容編制及仿真驗證。

②支持三維動畫及三維視圖。

③支持預覽與發布三維AO。

④三維AO編制支持常用工序模板和技術文件引用列表（動態更新）。

（4）裝配仿真驗證。

對裝配方案進行仿真，驗證裝配順序合理性，消除裝配干涉。

（5）人機仿真驗證。

①定制虛擬人體模型并加載到虛擬仿真場景中。

②結合仿真任務，進行人體可達性、可操作性仿真驗證。

3.2.4 工藝數據管理

需要根據公司工藝管理要求，對三維裝配工藝設計系統創建的工藝數據進行有效管理，確保數據狀態可控、可追溯。實現內容包括以下幾個方面。

（1）有效性設定：主要承擔系統內數據的有效性管理功能。

①通過獲取產品數據的有效性信息并記錄在系統內。

②支持篩選出特定架次的數據。

（2）更改貫徹：執行工程更改或工藝優化業務場景。

①更改數據獲取：以數據包的形式導入更改的數據到制造驗證系統中，更新設計數據。

②更改執行：將當前AO中設計數據更新為最新版。

（3）工藝數據管理：對工藝數據的版本、狀態進行管理，并支持對工藝數據進行審批。

①版本管理：管理工藝數據的版本；

②流程審批：對工藝數據進行審批；

③權限管理：管理人員權限；

④用戶管理：管理系統賬戶信息。

3.2.5 關鍵部件裝配仿真結果渲染和發布實施

基于關鍵部件裝配仿真成果，借助于仿真渲染與發布模塊，對仿真后的裝配過程數據進行渲染與發布。實現內容包括以下幾個方面。

（1）仿真數據導入：用于導入與識別裝配仿真中包含有仿真過程的三維輕量化數據。

（2）渲染：用于對仿真數據添加光源、材質的添加和美化處理。

（3）渲染數據發布：用于對渲染的結果進行發布。

3.3 基于DELMIA的一體化平臺設想

DELMIA（Digital Enterprise Lean Manufacturing Interactive Application）是一款數字化企業的互動制造應用軟件。可以向隨需應變（on-demand）和準時生產（just-in-time）的制造流程提供完整的數字解決方案。它能夠精簡制造流程，提供大量的增值特性。是實現制造仿真，將設計與制造緊密結合的有力工具。

DPM Assembly，作為DELMIA系統中一個獨特的軟件模塊，充分利用“數字樣機”的三維數據，實現在三維基礎上的3D工藝規劃，并對零件的加工過程、產品的裝配過程、生產的規劃進行3D模擬并驗證。促進工藝應用水平的提高以及優秀的工藝經驗繼承，實現真正的設計與工藝并行工程；提高設計能力，處理ECO的能力。

圖2描述了基于DELMIA的平臺架構，VPM系統生成的EBOM和三維模型作為輸入，其輸出為工藝文件和MBOM，為ERP及MES等生產管控系統提供輸入。

下面對基于DELMIA的一體化平臺設想及各系統間數據流轉進行說明。

（1）VPM系統通過觸發機制或定時將設計數據同步到DELMIA系統中開展工藝設計工作。

（2）在DELMIA系統中，基于EBOM進行工藝組合件和工藝分工的設計，可視化構建PBOM和MBOM，按需進行仿真驗證。

（3）在經過驗證后的MBOM的某個工藝結構上的AO節點，直接啟動三維工藝編制工具進行三維工藝的詳細編制。首先進行工序、工步內容創建，然后從AO配套中將零組件劃分到對應工序/工步。當某道工序需要仿真驗證時，直接從該工序節點啟動DELMIA DPM軟件，相關聯零組件自動載入到仿真環境中。經過仿真驗證后的工藝結果也會同步到三維工藝編制工具中。

（4）在AO詳細編制過程中，可以直接從工藝知識庫和制造資源庫中獲取典型工藝、標準工序名稱、制造資源等來加速AO編制效率和質量。

（5）如果某道工序比較復雜，只有文字或圖片描述難以全部描述完整工藝信息，可以直接從三維工藝編制工具中啟動Composer軟件來進行三維視圖或動畫的制作；制作的三維內容可以通過分配，實現與工序/工步的關聯展示。如果該道工序已經用DELMIA DPM軟件進行過仿真驗證，可以直接通過開發的DELMIA To Composer軟件接口，將DELMIA仿真過程自動轉換為Composer軟件的三維視圖，工藝員可以直接利用來加速三維部分的制作效率。

（6）最后將編制好的三維AO打包檢入到工藝數據管理系統中進行流程審簽和發布。結合工藝數據管理系統與MES系統的集成，就可以將三維工藝設計結果推送到車間現場指導生產；結合工藝數據管理系統與ERP系統的集成，可以將完整MBOM集成進ERP系統來組織生產采購和配送等。

綜上，最終實現以DELMIA為中心的設計制造一體化過程。

4 結語

本文結合通飛在型號研制生產過程中，介紹了建立一套設計制造一體化研制平臺的思考和探索。希望通過本平臺，構建統一的基于MBD的設計環境，解決工藝工裝設計與產品設計環境分離的問題，支持工藝、工裝提前介入；構建基于MBD的三維工藝設計環境，涵蓋裝配工藝、產品交付規范和裝配檢驗規程。在此基礎上，未來通飛可基于成熟階段展開飛機的設計制造協同研制工作，將涵蓋了真正意義上的全生命周期產品結構，實現數據發放后移。這將有力支撐未來型號研制業務的優化和轉型。

參考文獻

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