科研院所基于MBD的三维数字化研制模式探索

张 帅

(中国电科网络通信研究院，河北 石家庄 050200)

1 MBD技术概述

基于模型的定义(Model Based Definition，MBD)技术有时也被称为数字化产品定义技术，是一种面向计算机应用的产品数字化定义技术，核心思想是用一个集成的三维实体模型完整地表达产品定义信息，实现面向制造的设计。

MBD技术充分利用三维模型直观、可视化和准确表达的特点，将产品全生命周期过程中所需的几何信息和非几何信息以注释或属性的方式附加到三维模型中，使三维模型成为生产制造过程中的唯一依据，为设计人员摆脱繁重琐碎的二维制图工作提供了可能[1-2]。

基于模型的系统工程(Model Based Systems Engineering，MBSE)技术是一种形式化的建模方法学，以模型驱动的系统工程解决复杂产品和系统工程研发面临的问题。以通用系统模型为桥梁和框架，实现跨领域模型的可追踪、可验证及全生命周期动态关联，驱动从概念设计、工程研制、运行维护全生命周期的工程过程和活动。MBSE是MBD更高层次的应用，实现了机电软一体化，由“物理样机”发展为“数字样机”，目前是国内外竞相发展的领域，且在航天、航空、高铁、电科等重要型号研制中有广泛的应用。

2 MBD技术发展历程及现状

2.1 MBD技术发展历程

进入工业化时代以来，随着计算机技术的发展和三维CAD技术的成熟与普及，产品定义技术经历了“二维设计、二维出图”“三维设计、二维出图”(见图1)和MBD全三维数字化设计3个阶段。2003年，美国形成了美国国家标准《数字化产品定义数据实施规程》(ASMEY14.41—2003)。2006年，ISO制定了标准草案《技术产品文件 数字产品定义数据通则》(ISO16792)。2009年，我国制定了《技术产品文件数字化产品定义数据通则》(GB/T24734.11—2009)系列标准。全三维数字化设计模式得到了国内外研发制造企业的认可，并得到大力的推广应用。

图1 三维设计、二维出图存在的重复工作

2.2 国内外MBD技术的发展现状

数字化设计制造技术成为提升研制效率的重要手段。国外发达国家在航空航天产品领域都已实现了MBD技术对传统生产方式的改造，如美国空军JSF战斗机和空客A380的研制都是成功的范例，空客A380通过数字化研制实现整架客机减重1 000 kg。2004年的波音787项目大规模采用了MBD技术，使得研发周期缩短了40%，工程返工减少了50%，带来了巨大的利益。目前国外先进企业纷纷开展以MBSE、数字样机、智能制造为核心的新技术、新方法的应用[3-5]。雷神公司2010年建设“数字化企业”，推进MBSE设计模式变革，提出“模型就是设计，设计就是产生模型”的新理念。空客、波音、洛克希德马丁公司推广应用MBSE，构建“全程”“全员”“实时”的数字样机，并开展工业大数据的挖掘，实现性能更加卓越、质量更加可靠的飞机研发模式。

基于MBD的数字化研制模式在国内航空制造业率先开展并发展迅猛。2011年以某型战斗机为试点的全三维设计产品首飞成功，业界开始探索三维模型在工艺、制造、检验阶段的扩展应用。自2011年起，航空航天企业如火如荼地开展了“三维模型下车间”的研制模式，大幅提高了型号研制效率。目前航空、航天、电子、船舶、兵器、中车等集团均开展了基于MBD的探索应用，在飞机、卫星、导弹、高铁等重要型号研制中全面推行MBD全三维数字化设计工作。先进企业已实现基于三维模型的设计、工艺、制造、检验及保障运维的全生命周期的贯通及数据管理，并开展了MBSE与数字孪生的研究，在物理样机→数字化样机方面开展探索应用。

2.3 国内科研院所MBD技术的发展现状

目前国内科研院所大多仍处于“三维设计、二维出图”阶段，迫切需要发展到MBD全三维阶段。设计阶段基本已实现Pro/E等全三维设计软件，但工艺、制造、检验等阶段以二维信息为主，基于MBD的数字化设计与制造技术应用还处于起步阶段，还未实现设计、工艺、制造、检验之间的协同，产品整体设计、制造效率相对较低，基于三维模型的加工制造、装配等设计数据的传递和应用远未达到应有效果。由于缺少外购器件三维模型，整部件级仍以二维图纸设计为准，设计更改及返工率较高，产品可制造性差，在设计、工艺、制造等环节产生大量劳动浪费，严重降低了研制效率和创新性。

3 MBD数字化研制的必要性与优势

采用基于MBD的三维数字化设计制造技术，实现研制模式的创新，也是建立强大产品研制能力的有效途径。在数据源一致、流程优化、模型浏览、模型利用等方面可大量减少人力和重复劳动。

基于MBD的数字化研制模式已成为企业转型的发展趋势。三维数字化设计制造技术在设计、工艺、仿真、制造及检验等环节实现全过程的模型数字化结构化流转，从用户需求到产品交付，实现基于模型的产品全生命周期“端到端”数字化价值链的优化，提升了产品的研制效率[6]。

三维数字化研制不只是单纯的三维模型化，而是三维模型化后带来的一系列的研制模式变化，也是实现“物理样机”到“数字样机”突破的必经之路。航空航天等先进企业自2011年开始发展基于MBD的研制模式，生产效率大幅提高，目前已开始发展基于MBSE的机电软一体化系统级的研制模式，且已取得实质性进展，在很多航空航天项目中实现了产品由设计方案阶段到正样阶段的突破，大幅提高了产品的研制效率和创新性。

发展基于MBD的数字化研制模式对现有科研生产具有重要意义：

(1)设计师不再输出二维图纸。三维建模后，材料、尺寸、注释和要求可以在模型中直接标注。产品生产中全三维流转，不再输出图纸，减少不必要的人力和大量重复劳动。

(2)实现数据源统一。三维建模软件可推动建立统一的产品模型、通用件模型、外购器件模型的数据库，便于设计师选用与知识共享，降低设计师的工作量和产品的返工率。

(3)提高了产品的创新性。一般产品换代升级有70%延续原设计，产品全部三维化便于更好地设计创新性的产品，更好地开展电磁仿真、热仿真、三维装配仿真等，从“串行研发”到“并行研发”的研发模式转变，提升科研创新能力。

(4)建立基于三维的产品维保体系。建立交互式电子手册和训练维护平台，满足用户需求，实现电子装备的数字化、智能化维修。

4 MBD技术的发展应用

电子装备制造业创新驱动、转型升级要打破传统的思想，从以生产和市场为中心转到以客户为中心，产品设计增强用户体验，更加智能化，制造过程全部数字化，实现定制化生产、众包设计、协同制造等研产并行的新的研制模式创新。

4.1 产品研发

产品数据设计阶段结构设计、接线设计等全部模型化，实现从“物理样机”到“数字样机”的转变和从“串行研发”到“并行研发”的转变。

(1)基于PRO/e等三维建模软件及版本一致性。建模标准研发环境、外购器件模型库、模型公差选取及流程签署等一致。

(2)三维建模软件集成三维标注工具和装配性干涉检查工具。基于三维模型完整定义产品，不再输出二维图纸。避免目前基于二维图纸常见的装配干涉的问题，尤其适用于星载机载等空间狭小且复杂的产品。

(3)基于模型进行产品DFM可制造性分析仿真协同设计。解决二维文档图纸中可装配性差的问题。线缆均三维模型化，接线表自动导出，自动检查线缆与外购器件的匹配性。

4.2 工艺设计

产品工艺基于三维模型设计，由二维文档化发展为三维结构化。利用三维模型特征提取技术通过模型内容匹配高效利用已有工艺设计结果，提升工艺设计效率。

(1)基于三维模型的更改比对。结构零部件数控编程可实现已编程的模型与最新模型比对，提高程序的复用性，解决数控编程错误的问题。

(2)基于三维模型的工艺设计。工艺设计工序、工步、刀具、程序等均结构化，工步要求参数化，生成三维工艺文件。三维工艺文件数据提取挖掘，构建工艺知识管理平台，实现工艺知识推送。

(3)基于三维模型的工艺仿真。针对复杂弹载、星载、吊舱、机载等产品空间结构狭小的问题，以项目为试点，应用三维装配、三维布线仿真，还可拓展进行电子整机电磁仿真、热仿真等深入应用。

4.3 生产制造方面

开展MES系统、生产计划管理系统、物资采购系统等深度集成，实现具有“全程无纸化、自动化”特征的新型制造模式。构建精细化、系统化的数字化生产组织与管理，实现传统制造向数字化高端制造的转变。

(1)搭建全三维的设计/工艺/制造一体化研发环境。基于模型的尺寸标注、技术要求、三维工艺要求等数字化流转，模型、程序等与生产任务关联，在现场浏览展示三维模型、三维工艺和三维作业指导书，实现数据流转无缝衔接。

(2)发展基于三维模型的检验定义技术。基于物联网技术，应用多目检测、自动数读测量仪器等三维检测技术，实测数据与设计工艺数据自动识别匹配，检验结果自动判别。建立基于模型的问题反馈渠道，产品试制完成现场制造数据反馈至设计阶段，提高产品设计/工艺/制造的水平。

(3)计划执行全过程管控。完善外协生产管理系统，并与生产计划管理系统通过内外网单向网闸进行数据传递，实现企业内外生产制造全过程管控。外协生产管理系统具备生产进度管理、生产质量管理、问题反馈管理模块功能，查询统计外协厂家任务执行情况、产品质量情况及研制图纸更改需求。生产计划管理系统生产任务排产数据可推送到外协生产管理系统，实现企业生产数据归集整理，满足科研项目的需求。

(4)建设自动分拣、场内配送等智能物流系统。物料出入库扫码存取全覆盖，数量核对智能检查，减少人工数数易出错的问题。物料AGV小车自动配送，收取自动记录，减少人工交接工作的问题。

5 结语

研制模式是企业的地基，只有地基稳固可靠，才能建设成参天大厦。中国航空工业快速发展受益于全过程数字化研制，才会有大国重器列装。回望以前的历程，20年前很多单位还没有局域网，而现在5G即将普及。同样，现在我们难以想象20年之后的样子，所以要拥抱改革创新，融入新时代。

三维数字化研制已成为世界一流企业创新发展的必经之路。紧跟时代发展节奏，逐级发展基于模型的定义(MBD)→基于模型的系统工程(MBSE)→基于模型的企业(MBE)。以“全数字、全互联、全智能”为愿景，全面升级产品研发、企业管理等运营要素，实现企业的战略目标。相信国内科研院所通过几年建设，将实现基于模型驱动的智能研发、工业大数据下的智能生产，上下穿透、全息感知，实现对企业运营的全面深入管控，形成“智慧院所”新模式(见图2)。

图2 未来智能制造发展模式