科研院所基于MBD的三維數字化研制模式探索

張 帥

(中國電科網絡通信研究院，河北 石家莊 050200)

1 MBD技術概述

基于模型的定義(Model Based Definition，MBD)技術有時也被稱為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，核心思想是用一個集成的三維實體模型完整地表達產品定義信息，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，將產品全生命周期過程中所需的幾何信息和非幾何信息以注釋或屬性的方式附加到三維模型中，使三維模型成為生產制造過程中的唯一依據，為設計人員擺脫繁重瑣碎的二維制圖工作提供了可能[1-2]。

基于模型的系統工程(Model Based Systems Engineering，MBSE)技術是一種形式化的建模方法學，以模型驅動的系統工程解決復雜產品和系統工程研發面臨的問題。以通用系統模型為橋梁和框架，實現跨領域模型的可追蹤、可驗證及全生命周期動態關聯，驅動從概念設計、工程研制、運行維護全生命周期的工程過程和活動。MBSE是MBD更高層次的應用，實現了機電軟一體化，由“物理樣機”發展為“數字樣機”，目前是國內外競相發展的領域，且在航天、航空、高鐵、電科等重要型號研制中有廣泛的應用。

2 MBD技術發展歷程及現狀

2.1 MBD技術發展歷程

進入工業化時代以來，隨著計算機技術的發展和三維CAD技術的成熟與普及，產品定義技術經歷了“二維設計、二維出圖”“三維設計、二維出圖”(見圖1)和MBD全三維數字化設計3個階段。2003年，美國形成了美國國家標準《數字化產品定義數據實施規程》(ASMEY14.41—2003)。2006年，ISO制定了標準草案《技術產品文件 數字產品定義數據通則》(ISO16792)。2009年，我國制定了《技術產品文件數字化產品定義數據通則》(GB/T24734.11—2009)系列標準。全三維數字化設計模式得到了國內外研發制造企業的認可，并得到大力的推廣應用。

圖1 三維設計、二維出圖存在的重復工作

2.2 國內外MBD技術的發展現狀

數字化設計制造技術成為提升研制效率的重要手段。國外發達國家在航空航天產品領域都已實現了MBD技術對傳統生產方式的改造，如美國空軍JSF戰斗機和空客A380的研制都是成功的范例，空客A380通過數字化研制實現整架客機減重1 000 kg。2004年的波音787項目大規模采用了MBD技術，使得研發周期縮短了40%，工程返工減少了50%，帶來了巨大的利益。目前國外先進企業紛紛開展以MBSE、數字樣機、智能制造為核心的新技術、新方法的應用[3-5]。雷神公司2010年建設“數字化企業”，推進MBSE設計模式變革，提出“模型就是設計，設計就是產生模型”的新理念。空客、波音、洛克希德馬丁公司推廣應用MBSE，構建“全程”“全員”“實時”的數字樣機，并開展工業大數據的挖掘，實現性能更加卓越、質量更加可靠的飛機研發模式。

基于MBD的數字化研制模式在國內航空制造業率先開展并發展迅猛。2011年以某型戰斗機為試點的全三維設計產品首飛成功，業界開始探索三維模型在工藝、制造、檢驗階段的擴展應用。自2011年起，航空航天企業如火如荼地開展了“三維模型下車間”的研制模式，大幅提高了型號研制效率。目前航空、航天、電子、船舶、兵器、中車等集團均開展了基于MBD的探索應用，在飛機、衛星、導彈、高鐵等重要型號研制中全面推行MBD全三維數字化設計工作。先進企業已實現基于三維模型的設計、工藝、制造、檢驗及保障運維的全生命周期的貫通及數據管理，并開展了MBSE與數字孿生的研究，在物理樣機→數字化樣機方面開展探索應用。

2.3 國內科研院所MBD技術的發展現狀

目前國內科研院所大多仍處于“三維設計、二維出圖”階段，迫切需要發展到MBD全三維階段。設計階段基本已實現Pro/E等全三維設計軟件，但工藝、制造、檢驗等階段以二維信息為主，基于MBD的數字化設計與制造技術應用還處于起步階段，還未實現設計、工藝、制造、檢驗之間的協同，產品整體設計、制造效率相對較低，基于三維模型的加工制造、裝配等設計數據的傳遞和應用遠未達到應有效果。由于缺少外購器件三維模型，整部件級仍以二維圖紙設計為準，設計更改及返工率較高，產品可制造性差，在設計、工藝、制造等環節產生大量勞動浪費，嚴重降低了研制效率和創新性。

3 MBD數字化研制的必要性與優勢

采用基于MBD的三維數字化設計制造技術，實現研制模式的創新，也是建立強大產品研制能力的有效途徑。在數據源一致、流程優化、模型瀏覽、模型利用等方面可大量減少人力和重復勞動。

基于MBD的數字化研制模式已成為企業轉型的發展趨勢。三維數字化設計制造技術在設計、工藝、仿真、制造及檢驗等環節實現全過程的模型數字化結構化流轉，從用戶需求到產品交付，實現基于模型的產品全生命周期“端到端”數字化價值鏈的優化，提升了產品的研制效率[6]。

三維數字化研制不只是單純的三維模型化，而是三維模型化后帶來的一系列的研制模式變化，也是實現“物理樣機”到“數字樣機”突破的必經之路。航空航天等先進企業自2011年開始發展基于MBD的研制模式，生產效率大幅提高，目前已開始發展基于MBSE的機電軟一體化系統級的研制模式，且已取得實質性進展，在很多航空航天項目中實現了產品由設計方案階段到正樣階段的突破，大幅提高了產品的研制效率和創新性。

發展基于MBD的數字化研制模式對現有科研生產具有重要意義：

(1)設計師不再輸出二維圖紙。三維建模后，材料、尺寸、注釋和要求可以在模型中直接標注。產品生產中全三維流轉，不再輸出圖紙，減少不必要的人力和大量重復勞動。

(2)實現數據源統一。三維建模軟件可推動建立統一的產品模型、通用件模型、外購器件模型的數據庫，便于設計師選用與知識共享，降低設計師的工作量和產品的返工率。

(3)提高了產品的創新性。一般產品換代升級有70%延續原設計，產品全部三維化便于更好地設計創新性的產品，更好地開展電磁仿真、熱仿真、三維裝配仿真等，從“串行研發”到“并行研發”的研發模式轉變，提升科研創新能力。

(4)建立基于三維的產品維保體系。建立交互式電子手冊和訓練維護平臺，滿足用戶需求，實現電子裝備的數字化、智能化維修。

4 MBD技術的發展應用

電子裝備制造業創新驅動、轉型升級要打破傳統的思想，從以生產和市場為中心轉到以客戶為中心，產品設計增強用戶體驗，更加智能化，制造過程全部數字化，實現定制化生產、眾包設計、協同制造等研產并行的新的研制模式創新。

4.1 產品研發

產品數據設計階段結構設計、接線設計等全部模型化，實現從“物理樣機”到“數字樣機”的轉變和從“串行研發”到“并行研發”的轉變。

(1)基于PRO/e等三維建模軟件及版本一致性。建模標準研發環境、外購器件模型庫、模型公差選取及流程簽署等一致。

(2)三維建模軟件集成三維標注工具和裝配性干涉檢查工具。基于三維模型完整定義產品，不再輸出二維圖紙。避免目前基于二維圖紙常見的裝配干涉的問題，尤其適用于星載機載等空間狹小且復雜的產品。

(3)基于模型進行產品DFM可制造性分析仿真協同設計。解決二維文檔圖紙中可裝配性差的問題。線纜均三維模型化，接線表自動導出，自動檢查線纜與外購器件的匹配性。

4.2 工藝設計

產品工藝基于三維模型設計，由二維文檔化發展為三維結構化。利用三維模型特征提取技術通過模型內容匹配高效利用已有工藝設計結果，提升工藝設計效率。

(1)基于三維模型的更改比對。結構零部件數控編程可實現已編程的模型與最新模型比對，提高程序的復用性，解決數控編程錯誤的問題。

(2)基于三維模型的工藝設計。工藝設計工序、工步、刀具、程序等均結構化，工步要求參數化，生成三維工藝文件。三維工藝文件數據提取挖掘，構建工藝知識管理平臺，實現工藝知識推送。

(3)基于三維模型的工藝仿真。針對復雜彈載、星載、吊艙、機載等產品空間結構狹小的問題，以項目為試點，應用三維裝配、三維布線仿真，還可拓展進行電子整機電磁仿真、熱仿真等深入應用。

4.3 生產制造方面

開展MES系統、生產計劃管理系統、物資采購系統等深度集成，實現具有“全程無紙化、自動化”特征的新型制造模式。構建精細化、系統化的數字化生產組織與管理，實現傳統制造向數字化高端制造的轉變。

(1)搭建全三維的設計/工藝/制造一體化研發環境。基于模型的尺寸標注、技術要求、三維工藝要求等數字化流轉，模型、程序等與生產任務關聯，在現場瀏覽展示三維模型、三維工藝和三維作業指導書，實現數據流轉無縫銜接。

(2)發展基于三維模型的檢驗定義技術。基于物聯網技術，應用多目檢測、自動數讀測量儀器等三維檢測技術，實測數據與設計工藝數據自動識別匹配，檢驗結果自動判別。建立基于模型的問題反饋渠道，產品試制完成現場制造數據反饋至設計階段，提高產品設計/工藝/制造的水平。

(3)計劃執行全過程管控。完善外協生產管理系統，并與生產計劃管理系統通過內外網單向網閘進行數據傳遞，實現企業內外生產制造全過程管控。外協生產管理系統具備生產進度管理、生產質量管理、問題反饋管理模塊功能，查詢統計外協廠家任務執行情況、產品質量情況及研制圖紙更改需求。生產計劃管理系統生產任務排產數據可推送到外協生產管理系統，實現企業生產數據歸集整理，滿足科研項目的需求。

(4)建設自動分揀、場內配送等智能物流系統。物料出入庫掃碼存取全覆蓋，數量核對智能檢查，減少人工數數易出錯的問題。物料AGV小車自動配送，收取自動記錄，減少人工交接工作的問題。

5 結語

研制模式是企業的地基，只有地基穩固可靠，才能建設成參天大廈。中國航空工業快速發展受益于全過程數字化研制，才會有大國重器列裝。回望以前的歷程，20年前很多單位還沒有局域網，而現在5G即將普及。同樣，現在我們難以想象20年之后的樣子，所以要擁抱改革創新，融入新時代。

三維數字化研制已成為世界一流企業創新發展的必經之路。緊跟時代發展節奏，逐級發展基于模型的定義(MBD)→基于模型的系統工程(MBSE)→基于模型的企業(MBE)。以“全數字、全互聯、全智能”為愿景，全面升級產品研發、企業管理等運營要素，實現企業的戰略目標。相信國內科研院所通過幾年建設，將實現基于模型驅動的智能研發、工業大數據下的智能生產，上下穿透、全息感知，實現對企業運營的全面深入管控，形成“智慧院所”新模式(見圖2)。

圖2 未來智能制造發展模式