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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错误!未找到引用源。。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实际生产中的错误错误!未找到引用源。。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