航天三维MBD设计现状及展望1

topaim · 发表于 2017-10-10 10:23:42

航天三维MBD设计现状及展望

应对现代制造业产品数字化、智能化的发展趋势，各制造企业对三维数字化设计和制造技术的研究方兴禾艾。基于模型的定义(MBD)作为全过程数字化设计解决方案，在国外先进企业如波音公司中得到了广泛应用，收效显着。三维模型定义的效益已经被世界知名公司和机构反复验证，例如波音、空客、庞巴迪和通用等。其中美国海军航空作战中心Lakehurst飞机分部20l3年的试点估计，年度经费可以节约24％、约合2l00万人民币。MBD定义将传统模式下三维设计模型、工艺模型、二图纸所表达的信息统一集成到一个模型中，实现了设计和制造数据源的统一，研究当前MBD设计技术并总结其中的经验，对提高航天器研制数字化水平，提升研制效率具有十分重要的意义。

一、MBD的起源和发展

近200年来，以二维机械制图为代表的传统产品设计主要依靠有经验的设计人员运用空间象能力和专业知识进行图样绘制。在实物制造阶段，几乎不可避地会出现大量装配干涉，需要在产品方案阶段使用实物模装进试制。因而存在研制成本高、周期长、质量问题多等缺点，不适应现代新型产品更新换代快和低成本研制的需求。

随着计算机三维辅助设计技术的发展，机械产品设计人员开始运用三维造型的方法来进行方案设计，从而有利于解决二维设计空间关系理解难的问题。然而，仅仅包含几何形状的三维模型，制造人员不能获取设计的尺寸、公差、装配剖视图、紧固件力矩要求以及材料规范或者表面处理等具体要求信息，需要将这些信息额外用二维图或者技术通知单进行明确，这样就形成了在实际生产中既需要三维模型进行原理展示，又需要二维信息进行实际加工的矛盾局面。后来，设计人员尝试将传统二维图模式下标注的尺寸公差等信息悉数标注到三维模型中，并截取大量视图。这种方法虽然减少了二维纸张文件的数量，但是由于大量尺寸和技术条件的标注，使得设计人员需要完成三维模型创建和二维信息标注的双重工作，实际应用过程工作量倍增，设计效率并未明显提升。更为重要的是，由于三维模型本身具有几何意义，人为地添加过多的尺寸信息带来了信息冗余，造成了在零件加工中频频出现从模型量取的尺寸与设计标注的尺寸不一致的问题，带来了严重的质量隐患，三维设计的优势并未明显体现。

为了彻底解决三维设计过程中的模型信息的表达问题，美国机械工程师协会于1997年在波音公司的协助下开始对MBD标准的研究和制定工作，于2003年成为美国国家标准AMSE14.41，国际标准化协会以此为基础形成ISO16792标准。随后CAD软件公司把此标准设计到软件中，使波音公司才有可能在2004年开始的787客机设计中，全面采用基于模型定义MBD新技术。使三维制造信息PMD与三维设计信息共同定义到产品的三维数字化模型中，使CAD和CAM(加工、装配、测量、检验)等实现真正的高度集成，可不再使用二维图纸，数字化技术的应用有了新的跨域式发展，使工程技术人员从百年来的二维文化中解放出来。

波音公司应用MBD技术取得极大的成功之后，此项技术迅速被推广到其他企业和项目中如贝尔直升机、空中客车A350、庞巴迪C系列客机等，均显着提升了研制效率。在我国国内，最早一批接触此类技术的是承担波音公司转包生产的民机生产单位，例如承担波音787垂尾前缘等各民用飞机公司。他们通过吸收波音公司三维数模制造技术进行无纸化生产，带动数字化制造和检测生产线的升级，进而派遣设计人员参与国外MBD设计模式的项目研制中去，积累了相当的经验并翻译了大量标准规范用于指导设计。从技术发展历史来看，任何新生技术的发展初期都会或多或少受到旧的思想的阻碍，MBD也不例外，这些公司在将MBD技术应用到其它国产项目的时候，也曾遇到年龄较大、思想较保守的“二维保守派”的设计或者工艺人员排斥，保守派甚至抛出“三维数模没有尺寸，工人不会量，不会使用软件”，“三维模型做方案还可以，要是用于生产不靠谱”等悲观论调，一定程度上阻碍了技术的推广。保守派排斥MBD设计模式的行为，折射出长期二维出图的理念已经在一部分研制人员心中根深蒂固。对MBD模式不敢用、不爱用，其实最根本的是不会用。由于民用飞机公司市场竞争异常激烈，如不尽快掌握国际先进的设计技术，势必造成重大经济损失。为此，多个民机公司高层决定派遣一批年轻、知识全面的工艺人员同时赴国外学习基于MBD的工艺设计，经过较为全面的准备，公司的某项目成功实现设计、制造全过程无纸化研制，取得了重大成功。成功的经验很快得到迅速推广，由此在航空工业比如沈飞、西飞、成飞、中国商飞也开始全面探索MBD模式，目前都进展迅速，大多数企业还形成了相关企业标准。除了航空以外，航天、船舶部分单位也跟着进行了积极探索，但是由于与国外先进企业技术联络较少，基本依靠自身经验进行“摸着石头过河”的阶段，进展十分缓慢，尚未在行业内普及。我国其它工业，MBD仍是新生技术，目前仍以参照二维图进行生产为主，三维设计尚停留在方案展示阶段，三维数字化制造与三维设计广泛脱节，自动化程度低、规范缺乏、发展滞后。

在标准制定方面，由于MBD不仅仅是设计上实现三维表达，同时必须在制造、管理上实现基于同一模型进行工艺准备、工装设计、数字化制造、激光检测、技术状态管控等，MBD是一种标准体系，如将美标直接转化到国标，存在涉及的行业面和专业面太广、各行业发展技术水平不一致、应用软件平台不一致等诸多问题，因此我国至今尚未发布针对MBD的国标。航天工业在这方面虽尚未形成完整的行业标准，但是在部分航天预研项目中已经进行探索并形成了较成体系的单位级标准，取得了可喜的成绩。

二、MBD的涵义和优点

按照AMSE14．41中对MBD设计的定义，可以将MBD解释为以三维数据作为沟通的基础，不仅仅在设计内部，而是贯穿设计、制造、维护、供应商协作等整个过程的交流语言，大量运用知识工程和标准规范，应用集成产品开发设计模式和数字化制造系统，将产品全寿命过程中的全部设计、制造、管理信息用模型的形式表达，全面取代二维图纸并最大可能地减少对模型的标注工作量，达到大幅度提高研制效率的目的。

MBD主导思想不能只是简单地将二维图纸的信息反映到三维数据中，而要充分利用三维模型所具备的表现力，提供便于用户理解、且更具效率的设计信息表达方式，并且与基于模型的数字化制造和检验模式结合。其中最为艰难的是“设计人员要从二维图纸文化这种现有概念中跳出来，制造人员要从量尺寸、做模线样板等模拟生产的思维圈子里跳出来，从零开始研究新的信息表达方式”。为此，首先应针对概念设计、初步设计、详细设计、生产准备、评估与检验等每个阶段，弄清楚“哪些是产品制造中所必须的信息”。可以说，MBD不简单是“三维标注”，也不是一个“电子图纸”，它是一种新型的数字化研制理念，需要产品设计、制造、检验和维护的人员共同参与，MBD模型数据表达如图1～图2所示。