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MBD技术在数字化协同制造中的应用与展望

2018-11-22冯潼能 王铮阳 孟静晖

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本文探讨了在大型飞机研制中的基于模型的定义(MBD)技术在数字化协同设计制造中应用的一些方式方法以及存在的问题,提出了比较适合于目前国内航空企业实施MBD的一些思路。

1 基于模型的定义概述

    工程定义需要清晰、准确、明白和无歧义的表达,中国古代就有用物理实体模型(如:故宫“样式雷”)和二维绘图法以及工程范例法(如“营造法式”)等表达工程思想,但缺乏通用、简单和标准方法,模型制作成本高,信息的传递和复制也相当困难。从1795年法国科学家蒙日系统地提出画法几何原理,1840年发明蓝图以来,工程师们一直使用标准二维平面工程视图来描述产品,使其成为第一代通用标准工程语言。令人惊异的是,虽然数百年间人类的工程技术发生了翻天覆地的变化,但工程设计工具却没有发生根本性的进步,设计者使用与哥伦布时代设计航海船时几乎相同的设计工具来设计航天飞机!受制于纸质二维图表现力的限制,在从实体形象向抽象的二维视图表达方式相互转换中浪费了设计师/工程师大量的精力,不可避免地出现歧义和偏差,也使得绘制和判读工程图成为需经严格专业训练的高度复杂的技术工作。这种工程设计语言的缺陷是显而易见的,设计师在设计新产品时,首先涌现在脑海里的是三维的实体形象,而不是平面视图。但为了向制造它的人传递产品的信息,必须将这个活生生的实体按照严格的标准和正确投影关系变成为复杂的、但为工程界所共识的标准工程图。制造工程师、工人在使用这种平面图纸时,又要通过想象恢复它的立体形状,以理解设计意图。这又是一番思维、脑力和时间的浪费。平面图纸的再利用能力几乎没有,定义的质量完全依赖设计人员的个人能力。对二维图样的绘制和理解需要严格的专门训练,要求工程人员有良好的空间想象能力。直到今日,画法几何和工程制图仍然是工科大学最重要的必修课之一。两百年来,制造业为这种平面图形的转换付出了巨大的代价。

    随着计算机的广泛应用,CAD技术越来越成为工程表达的标准方式,逐渐成为第二代工程语言。随着数字化设计、制造技术的发展,基于特征定义和控制的基于模型的定义(Model based definition,MBD)将成为第三代工程语言。

    3代设计语言的比较如下:

    第一代手工二维图。按照画法几何原理用标准化的手绘二维图表达三维实体的定义方法,定义有可能存在歧义。绘制和解读均需专门训练,要求工程人员具有良好的空间想象能力(这需要一定的天赋)。图纸的再利用能力几乎没有。定义的质量完全依赖设计人员的个人能力。

    第二代计算机辅助绘图。包括二维和三维数模,其中二维数模仅仅是手工二维图的计算机化,三维数模极大地改善了设计意图的解读效率,但仍然未解决定义不规范、单源数据问题,解读人员仍然需要参考多个技术文件方能完全解读。仍然完全依赖人工解读。模型有一定的再利用能力。定义的质量严重依赖设计人员的个人能力。

    第三代MBD。基于特征的标准化定义。可方便地被计算机和人员解读,使数字化设计/制造一体化成为可能。单源数据,文档驱动。解读人员仅需一个文档便能获得全部的技术信息。模型的再利用能力强。定义的质量比较依赖设计人员的个人能力。

    MBD是目前波音推行的新一代产品定义方法。其核心思想是:全三维基于特征的表述方法,基于文档的过程驱动;融入知识工程、过程模拟和产品标准规范等。它用一个集成的三维实体模型可完整地表达产品定义信息,即将制造信息和设计信息(三维尺寸标注及各种制造信息和产品结构信息)共同定义到产品的三维数字化模型中,从而取消二维工程图,保证设计数据的唯一性。MBD不是简单的三维标注加三维模型,它不仅描述设计几何信息,而且定义了三维产品制造信息和非几何的管理信息(产品结构、产品制造信息(Product manufacturing information,PMI)、物料清单(Bill of material,BOM)等),使用人员仅需一个数模即可获取全部技术信息,减少了对其他信息系统的过度依赖,使设计/制造厂之间的信息交换可不完全依赖信息系统的集成而保持有效连接。它通过一系列规范的方法,能够更好地表达设计思想,同时具有更强的表现力,打破了设计制造的壁垒,其设计、制造特征能够方便地为计算机和工程人员解读,而不是传统的定义方法只能被工程人员解读。有效地解决设计/制造一体化的问题。

    MBD技术作为数字化协同设计制造的技术信息载体,是数字化协同设计制造体系中的关键应用技术,是设计与制造部门必须紧密协同,共同研究实施的课题。MBD模型的建立,不仅仅是设计部门的任务,工艺、工装、检验都要参与到设计的过程中,最后形成的MBD模型才能用于指导工艺制造与检验。

    MBD融入知识工程、过程模拟和产品标准规范等,可将抽象、分散的知识更加形象和集中,使得设计、制造的过程演变为知识积累和技术创新的过程,是企业知识的最佳载体。

2 MBD的特点和技术优势分析

    由于通常的CAD数模仅包含三维几何信息,工艺、制造、管理信息存在于二维图或其他技术文档中,使用人员无法以直观而明白的方式获取相关信息,也无法直接用三维模型进行产品的生产和检验。为了将三维设计向三维制造一体化转变,迫切需要一种方式将三维设计信息传递到各使用方。MBD是产品定义方式的一次革命,它以更为强大的表现力和易于理解的定义方式,极大地提高了产品定义的设计质量和利用效率,使设计、制造融为一体,是未来设计技术的发展方向,必将对航空制造业有着深远的影响。

    2.1 基于特征的建模方法

    不同于其他工程定义方法,MBD是完全基于特征定义的,它不是三维实体加三维标注,而是特征的定义和特征关系的控制,这是它与其他工程定义方法本质的区别,因而它有更强的表现力,更符合实际工程的需要。

    2.2 数字化信息集成

    在MBD中,数据集以三维模型为核心集成了完整的产品数字化定义信息。MBD数据集内容包含设计、工艺、制造、检验等各部门的信息,形成单数据源,避免多源数据的信息不一致,冗余等问题更适合信息的传递和应用,打破长期存在设计/制造/服务的信息壁垒。

    2.3 知识工程的融合

    长期以来,知识工程仅停留在理论和研究阶段,未能有效地在企业实际应用并体现价值,其重要的原因之一是缺乏有效的知识表达工具,并将其融入到设计、生产环节中,也缺乏有效的知识收集工具在企业业务活动过程中收集知识。基于标准的特征定义的MBD技术可有效地描述设计、制造等工程特征,并将蕴涵于其中的知识通过标准的数字化的方式表达,可以有效地表达知识,也利于以数字化的手段收集、归纳整理知识。

    MBD可融入工程知识、过程模拟和产品标准规范等将抽象、分散的知识更加形象和集中,使得设计、制造的过程演变为知识积累和技术创新的过程,成为企业工程知识的最佳载体。

    2.4 文档驱动,信息集成统一,简化信息的传递和使用

    MBD是基于文档驱动的,集设计、制造、检验等关联过程为一体的工作方式。这种方式极大简化了数据传递的复杂性,避免了对信息管理系统的过度依赖,一般情况下只需BOM表加MBD数模即可完成工作,非常适合工程环境下的使用。

3 MBD技术的现状和发展趋势

    3.1 波音MBD应用现状

    波音公司从20世纪90年代初的777型飞机开始,全面采用CATIA软件进行飞机的结构设计和数字化预装配,开创了数字化设计的技术体系。20世纪90年代中期开展的737-NX项目中波音先后实施了数字化定义、并行工程和PLM应用,建立和实施了飞机构型定义与控制/制造资源管理(Defineand control airplane configuration/manufacturing resource management,DCAC/MRM)应用,使数字化设计和应用技术达到了一个新的高度。在737NX项目中波音将737系列产品图纸全部模型化,并采用PDM系统使数据纳入到构型管理体系中,使数据在设计、生产和检验、维护环节中保持一致和可追踪性。在DCAC/MRM技术体系中就已经提出了MBD的思想,其核心要求是在20世纪90年代中期将设计授权由图纸为主改为三维为主、二维图纸为辅的工作方式,使产品的研制流程和生产、检验、技术服务体系发生了巨大的改变。由于在技术转型期间,波音内部的某些生产流程及大量的供应商的设计、制造和检验手段还未达到MBD技术体系的要求,因此,仍保留部分二维图为制造依据,承包商可选择使用三维或二维图纸等。

    DCAC/MRM的成功应用使飞机的研制周期缩短50%,更改减少一半,成本降低25%,较大地提高了用户满意度。但是波音并没有停止先进技术应用的脚步,为了研制出舒适性、经济性、安全环保的787客机,在全球范围内获得技术、资本、市场,并与合作伙伴创造最大价值,波音公司决定将787项目的数字化环境由DCAC/MRM改为全新的、适合787研制需要的全球协同环境(Global collaborative environment,GCE)平台(见图1)。

波音公司的GCE全球协同环境

图1 波音公司的GCE全球协同环境

    GCE平台继承了DCAC/MRM的模块化思想,其最重要的进步是全面应用了MBD技术,基于网络建立了关联的单一数据源的核心流程和系统框架,实现了飞机研制的全生命周期的管理。这一体系显著的特点是在三维数据集中定义了所有的产品信息,完全取代了二维工程图纸的作用,使得MBD技术体系无论从产品定义到数据组织管理控制上都有质的飞跃。目前在787项目的带动下,波音公司及其主要承包商正向MBD制造技术体系过渡之中。

    3.2 MBD技术的发展趋势及其意义

    随着CAD技术的发展,产品定义日益朝着数字化发展,产品数字化定义(Digit product definition,DPD)技术日益成为现代航空的支撑技术。产品数字化定义技术的发展经历了4个发展阶段,如图2所示。

产品数字化定义技术的4个发展阶段

图2 产品数字化定义技术的4个发展阶段

    目前世界上包括国内航空工业在内的大部分型号项目中,仍处于以二维图为中心、三维模型为辅的第二阶段管理方式,这种方式造成数据传递过程中管理复杂,效率低下,成本高昂,信息利用率低。空客在A380,A400M和BOEING在737-NX为代表的飞机研制中普遍采用了三维模型为主、简化二维图为辅的第三阶段管理方式。直到ASMEY14.41和BDS-600系列标准制定后,波音才在787项目中全面推行独立三维模型定义的MBD方式。

4 实施MBD的困难与挑战

    MBD的实施是一项长期、复杂而又艰巨的工作,不仅要解决技术问题,更主要的是要有效解决由此带来的对企业文化、管理体制、生产方式的冲突,不可能一蹴而就。MBD技术是场革命,而实施过程却可能是缓慢的进化。波音公司早在20世纪90年代中期就已提出MBD的概念,由于在技术转型期间,波音内部的某些生产流程及大量的供应商的设计、制造和检验手段还未达到MBD技术体系的要求,因此,为保证生产的稳定和平稳过渡,在此期间波音推行MBD技术并没有进行激进的改革,而是采取了许多“容忍”措施。如:仍保留部分二维图为制造依据,承包商可选择使用三维或二维图纸等,目的是循序渐进而又坚定不移地推行MBD技术。

    4.1 MBD信息的管理与传递

    MBD技术体系是以MBD数据集为核心的应用体系,需要借助标准管理系统、工艺管理系统、CAD系统、工艺设计和分析以及产品数据管理等系统,通过MBD数据集集成产品的设计制造信息,并建立了一套基于MBD数据集的工艺设计分析方法和数据管理办法,按照设计系统给出的内容组织框架,实现对产品生产和检验的监督控制。采用MBD技术,整个数据的传递过程和产品数据管理系统必须达到单一产品数据源的要求,即无论是设计数据还是工艺数据都作为定义产品的基本数据,是可配置的,根据构型的不同和飞机产品历史状态的不同而变化。这需要对现行的信息系统做大量的改造工作。

    4.2 产品/工艺设计协同

    MBD的重要特点之一是设计信息和工艺信息的融合和一体化,它将产品制造信息及非几何信息(包括产品结构、技术标准、工艺、检验、管理等信息)融为一体,使技术人员以清晰明白的方式使用MBD数模获取需要的信息。这就不可避免地改

    变过去产品设计和工艺设计分离的局面。波音公司目前已实现生命周期集成产品团队(Lifecycle integrated product team,LIPT)来设计产品从概念一检验方法一维护的全过程。但在国内航空工业普遍存在着厂所分离的情况,设计、工艺分属不同的单位,交流和沟通存在着天然的障碍。而且目前航空制造厂的制造流程中也没有明显的工艺设计过程,在协同设计中普遍存在工艺设计目的不明、业务范围划分不清,也无相应的标准可依。设计员中也大量存在着设计经验欠缺,缺乏起码的工艺知识,与工艺技术人员交流困难,且目前设计权控制过严,许多可以放权给工艺决定的特征也只有设计才能决定,造成很大的不便。这些障碍都是目前国内航空企业普遍存在的,解决它们不是一朝一夕的事,也不是某个部门和专业的事。目前,MBD实施实践中也有一些好的办法:比如临时抽调工艺代表参与联合设计,举办设计一工艺双向技术交流活动、厂所共同制定标准、设计部门向制造厂开放部分PDM功能等。这些措施虽然能起到相当的作用,暂时缓解一些矛盾,但毕竟是治标不治本,也不是长效机制,难以从根本上解决问题。随着国家提出科学研究恢复“举国体制”和中航工业整合步伐的加速,相信这些问题会逐步得到解决。

    4.3 MBD标准制定不统一

    目前,MBD标准制定不仅没有上升到国家高度,连航标也没有统一的计划。各机型项目自行制定各自的MBD标准,对下游制造厂的使用和数据提取程序的开发造成很大的困难。

    4.4 工厂现场使用问题

    MBD数据的特性和数据使用方法必然对现行的生产体制形成巨大的冲击。首先,由于使用数字量传递,对于使用数字化设备的生产作业(如数控加工、数控测量等)当然没有问题,会大幅度提高生产效率。对于多工序使用非数字化设备的装配、普通机加、钣金、特种加工作业,如何在MBD环境下形成指导零件制造过程中的工艺规划和工艺规程,仍然是需要解决的重要问题。

    由于习惯于以往的由三维模型表示详细几何形状信息,由二维工程图表示制造工艺信息的工作方式,采用全三维数字化无图设计,将给中航工业企业的工艺、检验,零件、装配等各个部门带来全新的理念与工作模式。在现有条件下,实施MBD将面临诸多问题。以下是笔者实施MBD调研时收集的一些典型问题;

    (1)大型装配件,层层覆盖,在整个三维装配模型中查找困难;屏幕显示三维装配模型时,整体显示太小,放大显示只能看清局部细节,对于需要了解三维装配模型整体形状的人来说,浏览较困难。

    (2)与现行生产、检验制度有很大的冲突。比如有些厂工人生产时必须以设计图纸为依据,实施MBD后大量取消二维图,生产无依据。

    (3)企业能够应用MBD技术的工程师、工人严重缺乏。

    (4)由于MBD包含的信息远多于传统图纸,而具体的工作却只需要确定的局部信息,缺乏有效的数据提取工具和技巧将有可能断裂设计信息和工艺信息的联系,可能造成比原来定义方式更低的工作效率。这需要大量的CAD软件的二次开发定制特定的提取工具,人才和技术的缺乏也是企业应用MBD的瓶颈之一。

    这些问题不仅仅是技术问题和管理问题,更是复杂的综合问题。解决它是一个漫长和艰苦的过程。

5 MBD技术应用展望

    产业的创新与革命本质上源于技术的创新,而且往往由少数关键技术的发明应用而引发。正如蒸汽机的发明导致工业革命、来复线和自动武器的发明彻底改变了战争的方式方法一样,MBD技术也将深刻地改变产品设计的方式和方法。

    (1)MBD的技术标准体系建立

    MBD技术从来就不是一个独立和专有的技术,它是CAD技术、特征建模技术、信息管理技术等综合应用的产物。未来MBD的技术标准体系将从项目标准、行业标准向国家标准过渡,成为取代现行基于几何定义制图标准的设计标准体系。

    (2)设计真正成为设计艺术,而不是设计技术

    长期以来,设计师将大量的精力和时间花在制图等与设计思想无关的工作,有时不是创意而是对平面图形的理解程度,制图技术的好坏成为能否设计、制造出好的产品的关键,使设计没有成为设计的艺术而是设计的“技术”(如何制图,如何建模等)。MBD基于特征的设计方式更直接表现真实世界,使设计师以更强大的表现力抓住转瞬既逝的灵感。

    (3)PDM/PLM与CAD/CAM的结合也越来越紧密,信息管理系统逐步实现从文档级管理过渡到特征级管理。

    MBD基于特征控制的建模特点,使产品的精细化管理成为可能,这也促使PDM/PLM与CAD/CAM的结合也越来越紧密,并使这些信息系统由面向文档的管理转变到面向特征的管理。

    MBD技术使设计/制造/质保融为一体,也使得ERP、MES、质保信息系统等走向融合,打破PDM/PLM和ERP的业务界限,成为统一于企业信息总线的企业综合信息系统。

    (4)知识工程成为可能

    长期以来,知识工程应用一直处于研究多、应用少的状况,究其原因是缺乏能够融入企业研发、制造环境中的知识表达和收集工具。MBD基于特征控制的建模特点,能够很好地以数字化的方式表达知识并且易于收集,是企业知识工程应用的最佳载体。

责任编辑:程玥
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