基于MBD产品信息建模.docx
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基于MBD产品信息建模
MBD产品信息建模
基于MBD的飞机设计制造流程研究
1.1MBD研究概述
1.1.1研究背景
随着数字化设计与制造技术在航空制造业的广泛应用，特别是三维CAD技术的日益普及，飞机研制模式正在发生根本性变化，传统的以数字量为主、模拟量为辅的协调工作法开始被全数字量传递的协调工作法代替，三维数模已经取代二维图纸，成为新机研制的唯一制造依据。
当前，国外航空制造业的数字化技术发展迅猛，三维产品数字样机技术与工艺数字样机技术得到了深入应用。
但在国内产品三维数字化模型没有贯穿于整个飞机数字化制造过程中，二维工程图纸依然是飞机制造过程的主要依据。
因此，在制造过程中往往需要把三维数字化模型转化为二维工程图纸，作为工艺规划和指导生产的依据，致使工艺文件的编制也是二维形式。
在飞机装配过程中，由于各种原因，不可避免地要进行工程设计更改，而在二维图纸作为主要数据传递手段的条件下，任何三维设计的变更，都将带来繁琐的二维更新与新数据发布。
这种方式不仅效率低、周期长，还可能造成数据的不一致，带来现场生产错误，产品质量难以提高。
另外，基于MBD（Model-BasedDefinition）技术的产品定义工作尚处于探索阶段，以MBD为核心的数字化工艺设计和产品制造模式尚不成熟，MBD的设计、制造和管理规范还有待完善，三维数字化设计制造一体化集成应用体系尚未贯通。
可以看出，我国航空企业依据产品三维模型来设计工艺数字样机技术亟待提高。
1.1.2MBD的发展历程
随着计算机技术的发展和三维CAD技术的成熟和普及，数字化产品定义经历了二维到三维模型发展的如下三个阶段。
图1.1MBD发展历程
1997年1月，美国机械工程师协会发起关于三维模型标注标准的起草工作，以解决图纸与信息系统传输之间的矛盾。
最终于2003年7月被美国机械工程师协会接纳为新标准。
ISO组织借鉴ASMEY14.41标准制定了ISO16792标准，为欧洲以及亚洲等国家的用户提供了支持。
在日本，汽车工业协会也将以ASMEY14.41标准以及ISO16792标准为蓝本，2006年底出台日本汽车工业的相关行业标准。
与这些标准相比，2003年颁布的相关国家标准以及2006年的英国军用标准，在数字化定义的内容上仍处在三维模型与工程图共存的状态。
作为该项技术的发起者之一，波音公司的787项目推广使用该项技术，从设计开始，波音公司作为上游企业，全面在合作伙伴中推行基于模型的数字化定义技术MBD。
该技术将三维制造信息PMI（3DProductManufacturingInformation）与三维设计信息共同定义到产品的三维数字化模型中,使产品加工、装配、测量、检验等实现高度集成,数字化技术的应用有了新的跨越式发展。
1.1.3研究现状
在国外，无论是波音还是空客都已经实现了数字化装配技术，缩短了飞机研制周期，降低了制造成本。
近年来，国外著名航空公司在全机的生产过程中采用MBD技术，体现出产品面向制造与装配而设计（DFMA）的思想。
如波音787，全机的工程信息都是通过MBD定义的，根据产品模型信息进行工艺设计与加工制造，不需要二维图纸，实现了产品设计（含工艺设计）、工装设计、零件加工、部件装配、零部件检测检验的高度集成、协同和融合，建立了三维数字化设计制造一体化集成应用体系，开创了飞机数字化设计制造的崭新模式，确保了波音787客机的研制周期和质量。
在波音公司的先进制造体系中已经不存在装配大纲AO（AssemblyOutline），取而代之的为制造计划MP（ManufacturingPlan），它是产品开发过程中高度数字化和并行化的结果[16]。
波音公司选用了功能强大的CATIA软件系统，对全部零件进行三维数字化设计和数字化预装配。
同时并行地进行结构的详细设计、系统安排、分析计算、工艺规划和工装设计等工作，彻底改变传统用图纸设计制造的方法。
利用达索公司提供的Delmia软件包，波音公司与其合作伙伴建立了制造工艺仿真环境，从而在真正实施制造计划前可进行仿真和确定完善的787制造工艺，有效降低了787实际生产中的错误[17]。
同时应用装配仿真大大减少了在实际装配中的干涉情况的出现，优化了装配路线，减少了工作量，避免了由于设计变化造成高昂的返工成本。
波音公司已经实现了MBD技术从设计到制造整个流程的应用，主要体现在以下几个方面：
1）在三维模型设计方面，波音公司给出了一套产品MBD数据集的建模规范；
2）在工艺设计方面，波音公司根据以前的建模规范以及经验创建出完善的装配工艺设计规范，通过用工艺设计软件以及根据自己实际需要开发出新的系统以实现对工艺规划的设计，同时他们已经将Delmia仿真技术应用到实际的装配过程中去；
3）在工装关联设计方面，波音公司已经可以实现工装随产品改变而做相应调整的参数化设计，这很大程度上缓解了因为模型改变而对工装设计的影响，大大减少了工作量；
4）知识工程方面，波音公司收集整理飞机设计中经验知识，创建了内容丰富的知识库，这些知识对新机设计制造有非常大的意义。
总体来看，国外数字化技术的应用不仅从软、硬件的角度出发，更重要的是融合生产制造各个环节，以产品数据集为中心，建立起了一套有效的产品数据结构及产品发放过程控制机制，实现工艺设计、工装设计的数字化。
目前我国飞机研制的工艺水平、生产组织模式、管理理念还不能达到国外先进飞机制造企业的标准。
与国外的数字化装配水平的主要差距表现在：
飞机研制过程一直处于串行模式；只是把数字化装配工艺设计技术应用到现有工作和环节中，简单地达到缩短周期和提高效率的目的，还没有体现出它是一场新技术革命；实际生产中的各种装配工艺文件（MBOM、TO、AO、FO、MPR）全是通过工艺人员的经验手工编制的二维形式表现出来的，现场操作人员经过长时间的培训，才能进行相应的生产，整个装配生产过程时间很长，严重延长了产品的研制周期；缺少数字化装配工艺设计软件，工艺的设计完全取决于工人的技术与经验，造成工艺设计水平因人而异，没有一个统一的标准规范。
1.2DSM研究概述
1.2.1DSM方法的发展
DSM是由美国学者Steward提出由于分析和规划产品研发过程的工具，具有建模简单、分析有理，并容易被计算机接受的优点。
20实际90年代初期EPPINGER等进一步发展了Steward的DSM，提出了数字化的设计结构矩阵（NumericDesignStructureMatrix，NDSM），即将定性描述的依赖量化以表达依赖关系的强弱。
国内学者褚春超等采用结构设计矩阵分析工序之间的依赖关系，提出了利用概率依赖结构矩阵来描述工序在执行过程中由于不确定因素影响而引起的返工循环特征性的方法；施国强等利用返工概率设计结构矩阵来描述产品开发子项目内部任务的串行迭代关系，以及计算由于迭代造成任务工期的增加量对子项目实施周期的影响；唐敦兵等提出了利用关联矩阵分析计算模型与设计参数之间关系和利用设计结构矩阵分析设计活动之间的关系重构设计过程的方法；为降低复杂产品配置任务的耦合程度，减少配置过程的迭代次数，优化产品配置设计过程。
裘乐淼等以动态设计结构矩阵为工具研究了产品配置过程的规划技术。
[4]
1.2.2DSM方法的表现形式
DSM是用于分析设计过程及其信息流动的一种方法和工具，它的全称为设计结构矩阵。
设计结构矩阵（DesignStructureMatrix，DSM）是以矩阵的形式，对产品开发过程建模和进行并行产品设计规划。
应用DSM表示的串行、并行以及耦合等的开发模式，如图1.4所示。
图1.4DSM方法表达的活动关联形式
1.2.3传统DSM的内涵和局限性
设计结构矩阵（本文简称DSM矩阵）是以矩阵的形式间接地表达复杂过程中变量间信息依赖关系，对产品开发过程建模和进行并行产品设计规划，DSM方法表达的活动关联形式具有如下丰富的内涵[4]：
1）表示与产品部件相关的设计活动及其顺序。
2）表示活动之间的信息交流及其方向。
如在某活动对应的行与某一活动有信息反馈，则将其标识为“X”，表示该行对应的活动需要相应列的信息输入；类似地，对于某一列，它同其他有信息交互的活动同样标识“X”，表示它对其他活动的信息输出。
3）对角线以下的“X”标识前馈信息；对角线以上的信息标识表示反馈信息。
4）下三角的设计结构矩阵为理想的设计规划矩阵，意味着串行的开发方式不需要反馈信息，但实际的设计经验告诉我们，这是一种我们追求的目标所体现的理想状态。
5）对矩阵进行变换处理，首先尽可能减少反馈带来的设计重复，其次，在不可避免的情况下，尽量将反馈信息与相应的活动接近，从而实现优化。
DSM用矩阵的形式为并行的产品设计规划提供了解决思路，但传统的DSM具有自身的局限性，正如下述所言：
1）传统DSM建立的矩阵用“X”标识信息依赖关系，或者应用布尔变量标识的“0”和“1”来表示，而任务之间的信息依赖关系强度并非等同，传统的DSM不能很好地体现这种关系，因此，必须在量化的基础上进行相应的处理。
2）DSM主要应用于并行设计规划，通过矩阵转换最后形成的信息依赖回路，包含多个任务之间的反复。
为了加快和保证产品的开发速度，必须探讨如何将其同模块化设计结合起来考虑和处理。
1.3WBS研究概述
1.3.1WBS技术的定义
WBS（WorkBreakdownStructure），即项目结构分解，是把项目（目标、任务、工作范围、合同要求）按照系统原理和要求分解成互相独立、互相影响、互相联系的项目单元，将它们作为项目的计划、实施、控制和信息传递等一系列项目管理工作对象，通过项目管理将所有的项目单元合并成为一个工作整体，以达到综合的计划和控制要求。
[6]
在项目管理过程中，项目规划和控制是非常重要的一个环节，良好的项目规划能同时对项目进度、质量和投资起到很好的控制作用，失败的项目规划则有可能带来混乱、失控甚至项目的最终失败。
在项目规划的过程中，人们往往会求助于WBS方法进行项目工作内容的分解，此基础之上再进行资源的分配、进度计划并估计项目的成本。
WBS随着项目规模的差异所起的作用不尽相同。
小的项目只需要很简单的WBS结构，结构的划分基本上是一目了然的，得到的结果容易得到认可。
项目规模越大，WBS也越重要，从另外一个角度来讲也越难做好。
对大型项目而言，确定项目的WBS结构往往不可一蹴而就，需要经过多次反馈、修正，最后才。
能得到一个项目各方都能接受的WBS结构。
1.3.2创建WBS的过程和原则
从创建过程来看，工作分解结构（WBS）是根据树形图将一个功能实体（项目）先分解为子项目，再逐级分解成若干个相对独立的工作单元，并确定每个工作单元的任务及其从属的工作（或称之为活动），以便更有效地组织项目的进行。
一般来讲，创建和制定WBS的过程可按照以下步骤进行：
1）得到项目章程、工作范围说明书或合同。
2）召集项目有关人员，集体讨论所有主要项目工作，确定项目工作分解的方式。
3）分解项目工作。
如果有现成的样板，应该尽量使用。
4）画出WBS的层次结构图。
WBS较高层次上的一些工作可以定义为子项目和子生命周期阶段。
5）将主要项目可交付成果细分为更小的、易于管理的组或工作包。
工作包必须详细到可以对该工作包进行估算（成本和历时）、安排进度、做出预算、分配负责人员或组织单位。
6）验证上述分解的正确性。
如果发现较低层次的项没有必要，则修改组成成分。
7）如有必要，建立一套编号系统。
8）随着其他计划活动的进行，不断地对WBS更新或修正，直到覆盖所有工作。
WBS分解的实际过程就是按照可控制的原则对整个项目工作进行不断的分解，直到可以充分控制项目的进度、成本和质量。
WBS分解操作中的难度主要表现在，要充分掌握分解工作的“度”，即不能将工作分解的过分细致，也不能将工作分解的过分粗，以至于难于控制。
因此，WBS分解应遵循一定的原则和要求，它们分别是：
1）某项任务应该在WBS中的一个地方且只应该在WBS中的一个地方出现。
2）WBS中某项任务的内容是其下所有WBS项的总和。
3）一个WBS项只能由一个人负责、即使许多人都可能在其上工作，也只能一个负责，其他人只能是参与者。
4）WBS必须与实际工作中的执行方式一致。
5）每个WBS项都必须文档化，以确保准确理解已包括和未包括的工作范围。
6）WBS必须在根据范围说明书正常维护项目工作内容的同时，也能适应无法避免的变更。
2基于MBD的飞机设计制造流程分析
2.1传统飞机设计制造流程
传统的飞机产品开发过程是按阶段顺序进行的，对一个新产品的开发大多采用“过墙式”的序列化设计开发过程，从产品设计到工艺设计、加工制造、销售及售后服务。
各部门人员按自己的需要工作，很少考虑其他部门的需求。
这种序列化的设计制造过程不能在设计的早期反映产品在整个生命周期内的各种需求，使所设计的产品存在很多缺陷，导致对方案的反复修改，甚至返工，延长了产品设计制造周期。
长期以来飞机研制企业沿用的是串行产品开发模式。
如下图所示。
在这种开发模式下，与产品相关的信息主体上只能实现单向传递。
产品下游开发环节的信息反馈常常是大跨度的。
容易造成大返工。
同时由于没有对飞机产品开发过程进行统一管理，所以开发活动难以做到一致性和规范化。
从而引发出过程反复过程衔接不顺等问题，导致不必要地延长产品开发周期。
2.2基于MBD的飞机设计制造流程
在MBD产品发放以后，工艺模型经过数据接口导入到数字化协同应用平台中，工艺人员依据装配工艺结构模板，通过人机交互方式进行装配工艺规划与仿真，最后汇总为各类装配工艺数据集，并将其储存的数字化表达方法。
整个装配工艺模型建立的过程如图2.1所示。
图2.1装配工艺模型设计过程
建立装配工艺模型的主要工作是在数字化协同应用平台下进行装配工艺规划与仿真。
工艺人员直接依据产品MBD模型完成工艺方案的制定、装配单元的换分、装配顺序的设计及详细工艺信息的输入，并产生PPR（Product、Process、Resource，产品、工艺、资源）数据集，该过程也可以称为可视化装配工艺规划过程。
在工艺规划完成以后，通过装配模拟仿真，确定出合理的装配工艺，在不同的工艺规划阶段，工艺仿真的内容不同。
基于MBD的装配工艺规划技术将从根本上改变飞机装配流程，从并行设计、企业级异地办公协同等角度对飞机装配工艺结构模板的定制，工艺规划过程、工艺信息的输入、工艺仿真等提出全新的要求。
2.2.1数字化协同应用平台的搭建
MBD技术的应用是建立在产品三维模型基础上的，装配工艺规划与仿真、工艺文件的生成与更改都是在三维环境中进行的，各种数据基于网络进行传递。
结合国内外主要航空制造企业在软件配置方面的经验及实际情况的具体需求，初步搭建了基于MBD的装配工艺规划与仿真的平台，各个软件是通过PPRHub作为数据集来管理的，确保单一产品数据源下实现装配工艺规划、装配仿真、三维工艺规程的输出，如图2.2所示。
图2.2基于MBD的装配工艺规划与仿真平台
2.2.2PPR模型
为了把飞机研制过程中将产品设计部门、工艺设计部门、加工部门等进行有效的管理以实现MBD技术，达索公司提出了PPR模型。
PPR模型由相互联系的Product（产品MBD模型）、Process（产品工艺模型）、Resource（制造资源）组成，通过统一的数据库进行有效管理，如图2.3所示。
PPR模型中的数据是树形分层结构的，这与飞机制造业中产品的装配层次关系和装配工艺层次划分（工位、站位、工序）的关系相吻合。
图2.3基于PPR的数字化工艺设计解决方案
2.2.3装配工艺结构模板定制
每个航空企业都有多个制造项目，每个项目都具有自己的数据结构树，结构树上数据类型的层次关系、属性信息由PTS（PlanTypeSet，规划类型设置）决定。
PTS为用户在工艺规划过程中提供友好的界面、满足使用习惯、约束用户在工艺设计过程中遵循一定的规范形式。
用于指导装配工艺规划的PTS叫做装配工艺结构模板（以下称工艺模板）。
它决定了PPR树（类似于文件夹和文件）的结构层次、显示方式、数据类型的属性信息。
一种数据类型对应一个结点，如产品下有数据类型：
部件、段件、组件、零件等；工艺下有数据类型：
工位、站位、AO、工序等；资源下有数据类型：
工厂、车间、工位、工装、工艺规范、工具等。
由于DPE默认的PTS具有通用性、广泛性，没有针对性，而且默认的PTS结构繁琐复杂，各节点的属性较多，涵盖各种工业产品的设计及制造属性，容易混淆。
另外，飞机产品结构复杂及不同企业在技术标准方面、数据管理方面的差异，有必要在某产品装配工艺规划之前定制其装配工艺模板。
工艺模板的定制是一个繁杂的过程，需要定制人员有一定的工艺知识、工程经验还要知道上游CAD产品的设计过程。
后续的提取属性、DPM仿真、生成工艺文件等工作的好坏都要依赖于模板定制的准确性、完善性。
1）产品模板定制
大部分产品都有其上、下级工程组件，在整个飞机产品中都有对应的装配层次关系。
产品模板是根据飞机产品零部件的划分及其装配层次的梯度，在DPE中设计的用来快速指导上游CAD产品装配结构划分的规范形式。
产品模板定制的好坏决定后续产品结构划分及工艺分离面划分的好坏。
产品模板的定制过程如图2.4所示。
图2.4产品模板的定制
2）工艺模板定制
产品设计分离面的划分与生产中工艺分离面的划分基本一致。
工艺人员可以直接从Product中引用产品结构进行工艺结构划分，即对整个装配任务进行单元划分，从而构建工艺结构树。
本文定制的工艺模板的数据类型及结构层次如图2.5所示。
数据类型之间的关系
数据类型
图2.5工艺模板的数据类型及结构层次
3）资源模板定制
DPE里的资源是一个广义的制造资源，是参与装配过程的所有非产品的实物元素。
如：
装配工装、机床设备、工具量具、人、工艺规范、工艺知识数据等等。
资源模板定制的结构如图2.6所示。
数据类型
数据类型之间的关系
图2.6资源模板的数据类型及结构层次
4）零件属性设置
在DPE中定制零件属性是为了保持与上游CAD软件设计的零件属性相一致，方便对产品进行工艺规划，方便通过开发程序进行的数据批量传递及数据更新，方便工艺设计人员查看信息，也为数字化工艺规程的输出及更新提供基础。
一个结点的属性定制是分层次的，先定义属性页（Page）再定义属性组（Group）、属性项（Attribute）。
零件属性结构及定制结果如图2.7所示。
图2.7零件属性定制
5）属性设置
装配大纲AO（AssemblyOutline），是指导飞机装配工艺工作的纲领性文件。
其作用是根据产品的特点、企业的生产组织方式、人力与设备的使用情况，对整个制造过程和企业资源的综合优化。
在DPE中，AO属性的定制过程类似于零件属性的定制，如图2.8所示。
AO属性定制好以后经过校对、审核批准以后，就要固定AO的属性项，方便这些属性信息从产品MBD数据集中获取。
图2.8AO属性的定制
2.2.4装配工艺规划
本节主要是根据定制好的工艺模板对装配工艺进行规划。
规划过程主要分为四个模块：
产品、资源数模输入模块，装配工艺规划模块，装配工艺仿真模块，装配工艺文件输出模块，如图2.9所示。
图2.9工艺规划过程结构图
装配工艺规划是一个繁琐的过程，在数字化协同应用平台下，需要对工艺规划各环节建立起规范性的指南。
文章根据设计部门发放的产品MBD模型，在装配工艺模板的基础上对产品结构进行划分与转换，生成用于指导生产的层次分明、相互关联的数据结构树。
过程大致如下：
1）在工艺概念设计阶段，根据产品模型划分全机设计分离面与工艺分离面，明确各工位下要完成的装配任务。
与此同时工艺人员完成工装订货等工作；
2）在工艺详细设计阶段，根据工艺分离面的划分，细划各工位下的站位、AO、工序等装配单元并设计同一层次的装配顺序，提出装配过程中所需工艺规范等。
与此同时工艺人员完成“设备汇总”、“工装汇总”等工作；
3）在全机设计分离面划分的基础上，上传产品数模到对应的产品结构树下，上传工装数模到资源结构树下，将产品与对应的工装与工艺结构树相关联。
将产品、工装与相对应的工艺结点相关联后，在工艺结构树中，每个非叶结点都是一个子装配工艺模型，与其所有兄弟结点按一定顺序构成其父结点的装配工艺模型。
同一层次装配工艺模型的装配过程是各自独立进行的，如图2.10所示。
图2.10工艺模型结构层次
2.2.5装配工艺仿真
利用DPE已设计好的装配工艺模型通过PPRHub数据库传送到DPM，在各工艺结点下找到相关联的零件，定义装配路径，就可实现产品装配过程的三维动态仿真。
仿真流程如图2.11所示。
图2.11基于装配工艺模型的仿真流程
2.2.6数字化装配工艺规程的生成
由于三维AO既包括文字信息又含有非文字信息，且基于MBD的飞机装配工艺规划包括装配工艺规划和装配工艺仿真等步骤，因此三维AO的实现主要包括两步：
1）AO信息的自动采集生成.xls格式的AO文档。
此文档作为与其他非文信息进行集成的数据母本。
生成的AO文档如图2.12。
图2.12自动生成的AO文档
2）三维附图、三维轻量化仿真动画的集成。
生成的三维AO如图2.13。
图2.13三维AO
3基于MBD的飞机产品设计数据
3.1基于MBD的飞机产品设计数据
MBD制造技术体系是一种集成的应用体系，是MBD数字化定义技术在信息化集成基础上的创新。
MBD体系中，CAD系统借助产品标准管理与标注系统完成工程MBD数据集的设计工作，并纳入PDM系统进行管理，通过CAE、CAM系统实现工芝设计、分析、虚拟制造。
而数字化协同管理平台是所有应用系统的集成平台，实现了工艺工程人员在设计过程中与设计人员的数据共享。
通过数字化协同管理平台到生产现场的管理系统，基于MBD的产品数据和工艺、制造数据可以最终传递到生产和检验的现场终端。
3.1.1MBD模型建立过程
图3.1在三维CAD模型基础上建立MBD模型示意图
MBD建模主要依据所设计零部件的三维模型，尤其是几何信息和非几何信息，利用相关的建模软件和编程语言生成该模型的图形显示。
进而对其进行多方面操作。
首先，在获取产品的相关设计制造信息的基础上，得到其MBD模型的几何信息（指产品几何形状信息，即数据集中的产品三维模型）和补充信息（包括尺寸和公差的标注、表面粗糙度、表面处理方法、热处理方法、材质、润滑油涂刷范围与颜色、要求符合的规格与标准等）的表达方式，如图3.1所示。
此外，利用程序进行三维CAD软件的二次开发，使得建立的MBD模型能够通过二次开发所建立的人机交互界面进行模型的更新，并且能够显示出模型的几何信息和补充信息。
3.1.2MBD模型数据协同
产品设计过程中，为了保证各类数据的准确性及协调性，必须在协同设计工作过程中保证产品全生命周期集成开发团队（简称LCPT）组成员之间的信息交流与协调沟通，使LCPT每位成员在自己的工作成果数据中考虑并满足其它人的信息需求。
在协同设计过程中，LCPT组成员之间需要协调的信息主要有结构分离面信息、关键特性信息与工装定位计划信息。
1）结构分离面分设计分离面与工艺分离面
设计分离面是由设计人员根据使用功能、维护修理、运输方便等方面的需要，将产品划分为许多采用可拆卸连接的部件、段件和组件形成的；而工艺分离面是由工艺人员为了生产的需要将其划分为许多较小而简单的、采用不可拆卸连接的板件和组件形成的。
工艺分离面的合理划分具有重要意义。
通过合理的划分工艺分离面，可提高装配工作的开敞性，可以达到改善装配工作效率，缩短装配周期，并提高产品的装配质量。
同时，由于增加了平行装配工作面，
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