基于MBE技术的航空产品研制模式研究

赵 亮，骆晶妍，夏晓理，赵辛雨

ZHAO Liang, LUO Jing-yan, XIA Xiao-li, ZHAO Xin-yu

(中国航空综合技术研究所 标准化中心，北京 100028)

0 引言

在过去的几十年间，全球制造业发生了许多令人瞩目的变化，从计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）到数控设备和装配的精益过程，所有的变化对于制造业的降低成本、缩短产品研发周期、提升产品质量都发挥了重要作用。随着全球经济一体化进程的不断加快和数字化、信息化技术的飞速发展，使得航空制造业竞争的重点不再仅仅是产品本身，而是转向以产品业务为中心的研制过程、组织结构和运营机制，导致产品研制也从以产品为中心向以过程能力为中心的模式转变。随之而来一种新的研制模式异军突起，为产品的整个生命周期带来巨大变革，这种模式称为基于模型的企业[1]（Model Based Enterprise，MBE）。

基于模型的企业（MBE）拥有建立在全三维产品定义上的集成和协同环境，并在整个企业内共享，能够保证从概念设计到产品实现的快速性、准确性和经济可承受性。MBE是一种可使下游用户在MBD模型基础上再现或添加3D产品定义数据，以保证模型重用的过程，该模型以标注和信息组织的方式定义产品需要的所有信息，可以被非CAD用户查阅或自动提取信息，从而可取代传统的图样。

分析了目前国内航空企业的研制现状，结合产品全生命周期管理及异地协同研制技术发展的新要求，提出了基于模型的企业的基本特征，总结得出了适合现代航空产品的研制的新模式。

1 国内航空企业研制现状

1.1 厂-所独立的组织架构

我国航空工业总体布局以设计所-制造厂独立配套方式为主，两者在研制流程中属于上、下游关系，设计所主要完成产品的研发设计工作，制造厂进行工艺、工装及产品实现，相互独立又紧密相连。近些年随着技术的进步，特别是数字化技术的发展，使得厂-所独立的两个单元之间的联系越来越密切，对航空产品研制的影响正在逐步扩大。

1.2 基于模型的产品定义

目前国内航空工业在设计阶段（即产品定义阶段）基本实现了以基于模型的定义[2,3]（Model Based Definition，MBD）技术为主的数字化产品定义，完全抛弃了二维图的表达方式，以三维设计模型为基础，通过标注和属性等方式描述尺寸、公差和技术要求等信息，形成完整全面的航空产品定义数据集（如图1所示），集中体现了产品数字化设计的核心能力，实现了以MBD为核心的数字化定义，是现阶段我国航空产品研制信息化领域的重大转变。

图1 航空产品定义数据集

1.3 基于模型的产品制造

相比于设计阶段的MBD数字化定义，制造环节相对复杂，包括工艺、工装、物料、工时、制造执行、装配及检验等各个方面。因此出于对上游设计阶段的承接和延续，航空企业也正在逐步开展基于模型的产品制造技术探索，并在个别的型号研制中进行了尝试性的实践，但总体而言尚不够全面和成熟，未能在制造环节进行大面积的推广应用[4]。

2 全生命周期管理与异地协同

2.1 产品数据全生命周期管理

随着航空企业基于模型的定义技术广泛使用和基于模型的制造技术的探索研究，确立了产品定义数据作为研制过程的核心地位，数据贯穿航空产品从设计、制造、检验、使用及维护的各环节，通过对数据的继承、生成、复用、派生支撑产品研制全流程，同时产品数据的全生命周期管理（PLM）强调对产品生命周期内跨越供应链的所有信息进行管理和利用，使得企业的各项业务过程从设计、管理到执行、归档、分析等全过程中所涉及到的建议、操作、经验、知识可在其后的工作中得以进化、沉淀和重用，因此航空产品自身复杂性、用户后端对产品的使用维护以及航空研制企业自身技术水平的提升需求均迫切的对产品数据进行全生命周期管理[5,6]。

2.2 航空产品异地协同研制

航空产品研制是一个庞大的系统工程，为满足日趋激烈的市场竞争和紧迫的研制周期，航空制造企业必须从研制过程集成的全局和整体优化的角度，依据异地协同研制的先进理念，采用动态的组织结构，利用并行处理机制，发挥合作企业的优势技术，协同开发航空产品。异地协同研制是集数字化、信息化和网络化等先进技术和方法于一体的复杂工程，是解决现阶段航空产品研发高目标、短周期的一种很好的解决途径，但同时也对航空企业的研发模式提出了新的要求[7]。

3 基于模型的企业研制模式

3.1 模型作为核心依据

现代航空制造企业数字化能力得到显著提升，MBE强调模型的核心地位，以模型作为唯一数据源，其模型区别于以往的三维实体模型，更强调其为采用MBD技术的全三维数字化定义模型，研制各环节中均以此模型或其派生模型作为依据，进行诸如制造、装配、仿真、维护等工作，如图2所示。

图2 MBD模型应用

3.2 数据贯穿研制流程

基于模型的产品研制以产品模型作为唯一的授权依据，在模型结构中定义所有产品数据，下游应用中直接使用已定义的产品数据或派生数据，达到在产品全生命周期过程中实现数据的最大重用，因此基于模型的产品研制过程实质就是数据在研制流程中的定义、交换、使用、控制和协同的过程，基于模型的企业（MBE）是建立在3D产品数据定义和数据共享重用的全集成和协同的工作环境。典型的研制流程中数据在设计、制造、检验环节的传递如图3所示。

图3 数据在研制流程中的传递

图4 基于模型的产品制造数据流

作为航空产品研制过程最重要的衔接，设计数据向制造环节的传递及应用尤为关键，以模型数据集为对象，数据传递过程如图4所示。

3.3 层级化的供应商管理

根据不同供应商对模型的使用能力，对供应商进行合理的分级，以区别其基于模型的研制能力；对处于不同级别的供应商，授权使用不同的设计数据，分别以图纸为中心、以实体模型为中心、基于模型的定义（MBD）、基于模型的企业（MBE）四个层次进行分别定义，以层级化的数据授权和使用方式实现对不同技术水平供应商的统一管理，从而是各级供应商对应于其技术能力高效、稳定的承担对应的产品研制工作，大大增强航空产品研制的经济可承受性。

3.4 基于模型的企业

基于模型的企业通过使用制造和过程模型对企业的流程进行定义、执行、控制和管理，应用科学的仿真和分析工具对产品全生命周期的每个环节进行辅助并决策（如图5所示），快速减少产品的创新、研发、制造和支持的成本。

其中基于模型的环境（MBe）主要用以实现基于模型的设计、仿真与试验等工程研制内容，实现设计、工艺（装）、加工装配、检测等信息的高度集成；基于模型的制造（MBm）主要用以实现基于模型的虚拟制造与产品的实际制造等内容，以重用MBD模型中的相关信息定义的方式完成诸如数控NC&CNC程序、3D动态作业指导书等工艺设计；基于模型的支持（MBs）主要用以完成产品交付用户之后的相关使用及维护工作。

以数据为核心，运用信息化的技术手段，产品的全生命周期均在基于模型的条件下完成，以系统化和工程化的模式进行各部分的衔接和全局串联，突破了传统的研制方法，这就是一种新的航空产品研制模式——基于模型的企业。

4 结束语

基于模型的技术应用正在高端装备制造领域，特别是航空工业范围内快速渗透和深化，推动航空产品的研制方法、手段、过程不断再造和变革，虽然由于数据一致性、工具、软件、标准、协同环境等方面的不足导致MBE未能全面实现，但随着数字化技术的不断发展，基于模型的技术必将引起航空产品全生命周期研制过程的彻底变革，必将导致航空企业研制模式的根本改变，实现全数字化研制的深刻转变。

图5 基于模型的企业典型架构

[1]Model Based Enterprise [EB/OL].http://model-based-enterprise.org.

[2]陶剑,范玉青.飞机协同研制中数字化产品模型的支持方法[J].北京航空航天大学学报,2007.33(12):1457-1461.

[3]张荣霞,张树生,周竟涛,石民.基于MBD的零件制造模型管理[J].制造业自动化.2011(6).

[4]Daniel Lichtner, Christopher J. Senesac, Robert J. Hagan.Three-dimensional Model Based Manufacturing Work Instructions[J].American Helicopter Society 65th Annual Forum, Grapevine, Texas, May 27-29,2009.

[5]潘康华.基于MBD的机械产品三维设计标准关键技术与应用研究[D].机械科学研究总院.2012.

[6]杨五兵.MBD制造技术在B787项目中的应用[A].第五届中国航空学会青年科技论文集(第5集)[C].2012.

[7]范玉青,梅中义,陶剑.大型飞机数字化制造技术[M].北京:航空工业出版社, 2011.