MBD技术在数字化协同制造中的应用与展望

    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佑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 defini-lion， 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；融人知识工程、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[m，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[}Za，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 man-ufacturing information， PMI）、物料清单（Bill ofmaterial， 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融人知识工程、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墓于特征的建模方法

    

    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，冗余等间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，并将其融人到设计、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可融人工程知识、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Cs7，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（Define and 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系统使数据纳人到构型管理体系中，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5000，更改减少一半，成本降低2500，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〔SAC/MRM改为全新的、适合787研制需要的全球协同环境（Global collab-orative environment， GCE）平台（见图1）。
 

 

    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。