MBD技术应用

冯潼能[e-mail]：18018519535工程定义需要清晰、准确、明白和无歧义的表达，中国古代就有用物理实体模型（如：故宫“样式雷”）和二维绘图法以及工程范例法（如“营造法式”）等表达工程思想，但缺乏通用、简单和标准方法，模型制作成本高昂，信息的传递和复制也相当困难。从1795年法国科学家蒙日系统的提出画法几何原理，1840年发明蓝图以来，工程师们一直使用标准二维平面工程视图来描述产品，使其成为第一代通用标准工程语言。令人惊异的是虽然数百年间，人类的工程技术发生了天翻地覆的变化，但工程设计工具却没有发生根本性的进步，我们使用与哥伦布时代设计航海船时几乎相同的设计工具来设计航天飞机！受制与纸制二维图表现力的限制,在从实体形象向抽象的二维视图表达方式相互转换浪费了设计师/工程师大量的精力,也不可避免的出现歧义和偏差,也使得绘制和判读工程图成为需经严格专业训练的高度复杂的技术工作。随着计算机的广泛应用，CAD技术越来越成为工程表达的标准方式，逐渐成为第二代工程语言。随着数字化设计、制造技术的发展，基于特征表述和特征关系的MBD将成为第三代工程语言。MBD(ModelBasedDefinition):是目前波音推行的新一代产品定义方法。其核心思想是：全三维基于特征的表述方法，基于文档的过程驱动；融入知识工程、过程模拟和产品标准规范等。它用一个集成的三维实体模型可完整的表达产品定义信息。即将制造信息和设计信息（三维尺寸标注及各种制造信息和产品结构信息）共同定义到产品的三维数字化模型中，从而可以取消二维工程图，保证设计数据的唯一性。MBD不是简单的三维标注+三维模型，它不仅描述设计几何信息而且定义了三维产品制造信息和非几何的管理信息（产品结构、PMI、BOM….etc)，使用人员仅需一个数模既可获取全部信息减少了对其他信息系统的过度依赖，使设计/制造厂/供应商之间的信息交换可不完全依赖信息系统的集成而保持有效连接。三代设计语言的比较：第一代：手工二维图。按照画法几何原理用标准化的手绘二维图表达三维实体的定义方法，定义有可能存在歧义。绘制和解读均需专门训练，要求工程人员具有良好的空间想象能力（这需要一定的天赋）。图纸的再利用能力几乎没有。定义的质量完全依赖设计人员的个人能力。第二代：计算机辅助绘图。包括二维和三维数模，其中二维数模仅仅是手工二维图的计算机化，三维数模极大的改善了设计意图的解读效率，但仍然未解决定义不规范、单源数据问题，解读人员仍然需要参考多个技术文件方能完全解读。仍然完全依赖人工解读。模型有一定的再利用能力。定义的质量严重依赖设计人员的个人能力。第三代：MBD。基于特征的标准化定义。可方便的被计算机和人员解读，使数字化设计/制造一体化成为可能。单源数据，文档驱动。解读人员仅需一个文档便能获得全部的技术信息。模型的再利用能力强。定义的质量比较依赖设计人员的个人能力。它通过一系列规范的方法能够更好的表达设计思想和更强的表现力，同时打破了设计制造的壁垒，其设计、制造特征能够方便的为计算机和工程人员解读，而不是传统的定义方法只能被工程人员解读。有效的解决设计/制造一体化的问题。回到起点，设计是什么？如何表达设计？设计不是发明，它是将已有的技术转化为有用产品的过程。产品的好坏和特点从设计角度来说是用设计特征（元素)来表达。现代复杂技术产品的设计如汽车、飞机、高铁、船舶等，日益成为“范式”设计。基本上是遵循相同和相似的设计技术规范来设计。同类产品的相似度在80%以上。设计实际是遵循技术规范进行“范式”设计满足产品基本要求和用少量产品特征表达产品不同的过程。如何快速准确的进行“范式”设计以及如何有效的表达设计特征成为设计技术发展的重要课题。特征是80年代中、后期为了CAD技术表达产品的完整信息而提出的一个新概念。在产品数据交换标准STEP中这样来定义形状特征（以下简称为特征）：形状特征是为了某种应用的目的，而预先构想的模型。在一个产品中，它是整个产品形状的一部分，是模板的一个体现。现代大型CAD软件均支持面向特征的建模.也支持UDF(用户定义特征),用户模版,功能模型、知识管理工具等。也只有与MBD实施结合起来才能发挥这些功能。MBD的特征不仅仅是几何特征,而是指真实设计业务对象,因此更能贴近用户用途.特征的参数就是业务知识和设计目的的具体体现.如果使用恰当的特征分析工具,可有效的收集设计知识和经验.MBD技术实际上是基于特征设计的CAD技术、现代信息技术的综合应用的结果（KNOWHOW).DESIGNFORWHAT?DESIGNFORBULIDING!设计必须是能够制造和易于制造的，不能制造的设计都是空谈。将设计与制造分离的做法是“中国制造”不能升级为“中国创造”的重要障碍之一。Overview:MBD+PartsListprovidesyouwith100%DesignCharacteristicsneededtobuildandinspect.Acapabilityisrequiredtoassurealldesigncharacteristicsare•measured,•inspectedor•verified典型的波音MBD例子：1.MBD应用现状:波音公司从九十年代初的777型飞机开始，全面采用CATIA软件进行飞机的结构设计和数字化预装配，开创了数字化设计的技术体系。90年代中期开展的737-NX项目中波音先后实施了数字化定义、并行工程和PLM应用。建立和实施了飞机构型定义与控制/制造资源管理（DCAC/MRM）应用，使数字化设计和应用技术达到了一个新的高度。在DCAC/MRM技术体系中就已经提出了MBD的思想，由于在技术转型期间，波音内部的某些生产流程及大量的供应商的设计、制造和检验手段还未达到MBD技术体系的要求，因此，仍保留部分二维图为制造依据，承包商可选择使用三维或二维图纸等。DCAC/MRM的成功应用使飞机的研制周期缩短50%，更改减少一半，成本降低25%，较大的提高了用户满意度，但是波音并没有停止先进技术应用的脚步。决定将787项目的数字化环境由DCAC/MRM改为全新的，适合787研制需要的GCE（全球协同环境）平台。GCE平台继承了DCAC/MRM的模块化思想，其最重要的进步是全面应用了MBD技术，基于网络建立了关联的单一数据源的核心流程和系统框架，实现了飞机研制的全生命周期的管理。这一体系显著的特点是在三维数据集中定义了所有的产品信息，完全取代了二维工程图纸的作用。使得MBD技术体系无论从产品定义到数据组织管理控制上都有质的飞跃，目前在787项目的带动下，波音公司及其主要承包商正向MBD制造技术体系过渡之中。目前世界上包括我国航空工业在内的大部分型号项目中，仍处于以二维图为中心，三维模型为辅的管理方式，这种方式造成数据传递过程中管理复杂，效率低下，成本高昂，信息利用率低。空客在A380，A400M，BOEING在737-NX为代表的飞机研制中普遍采用了三维模型为主，简化二维图为辅的管理方式。直到ASMEY14.41和BDS-600系列标准制定后，波音才在787项目中全面推行独立三维模型定义的MBD方式。目前在我国航空工业新研项目中几乎全部进行了MBD技术的研究和应用，有些项目从立项开始就将MBD技术作为重点突破的关键技术，独立三维模型定义的MBD方式在某些型号中得到了试用和推广，取得了初步的应用经验，也暴露出许多问题。MBD将设计、制造、检验、管理信息溶为一体是目前被航空业普遍认同的解决数字化设计、制造的先进技术是数字化制造的关键技术之一。MBD是产品定义方式的一次革命，它以更为丰富强大的表现力和易于理解定义方式的极大的提高了产品定义的设计质量和利用效率。使设计、制造融为一体，是未来设计技术的发展方向，必将对航空制造业有着深远的影响。波音MBD模型的分类:•MDF：MasterDatumFile，主基准面文件；•MDS：MasterDimensionSuface，主尺寸表面模型；•ICM：InterfaceControlModel，界面控制模型；•RLM：RelationalLayoutModel，关系分配模型等；•ARM：AssemblyRequirementsModel，装配要求模型；•CARM：ComponentAssemblyRequirementsModel，组件装配要求模型；•IRM：Installationrequirementsmodels，安装要求模型；•IARM：InterfaceAssemblyRequirementsModel，界面装配要求模型；•零件模型：CATPart文件的零件详细模型。INTRODUCTIONTOTHE787PROGRAMFAMILIARIZATIONHere’sadiscreetassemblyForFAI,Youwillneed:1.ARM(AssemblyRequirementsModel)2.DetailParts3.DesignCharacteristics4.EBOM(engineering)5.MBOM(manufacturing)INTRODUCTIONTOTHE787PROGRAMBoeingisalsogoingtomakeavailablethecorrect“Configured”modeldatatoTier1partnersthroughamechanismcalled“SplitBridge”insidethetoallowTier1partnersthesamelevelofdataneededtomanufacturepartsandassembliesforanyparticulartailnumber.FAMILIARIZATIONAnAssemblyRequirementsModel(ARM)issimplya3DPartsList.ReportedbyanAberdeenGroupstudy:•Whenmanufacturersuse3Dmodels,theybuildonlyhalfthenumberofprototypes（模具减少一半）•3Dtoolsreducethedevelopmentcycleby30-50%（研发周期减少30-50%）•Standardpartslibrariesprovidesignificantreductionincomponentassemblytime(designtime)•3Dmodelsreducenon-conformanceissuesby30-40%（减少30-40%的歧义性错误）•40%ofnon-conformancesaredueto2Ddrawinginaccuraciesandambiguities（40%的歧义性错误源于2D图的不准确和表达不清）•85%ofcompaniesstilluse2Ddrawingsintheiroperationsorwiththeirsuppliers2.MBD的特点和技术优势分析：•基于特征的建模方法：不同与其他工程定义方法只关注几何定义，MBD是完全基于特征定义的，MBD不是简单的理解为三维实体+三维标注而是特征的定义和控制，这是它与其他工程定义方法本质的区别，使它有更强的表现力，更真实的表现现实工程特征，更好、更准确、更容易的表达设计意图。也使得工程信息的抽取和知识的挖掘变的更为容易。•数字化信息集成：在MBD中，数据集以三维模型为核心集成了完整的产品数字化定义信息，MBD数据集内容包含设计、工艺、制造、检验等各部门的信息，形成单数据源，避免多源数据的信息不一致，多余等问题更适合信息的传递和应用，打破长期存在设计/制造/服务的信息壁垒。2.MBD的特点和技术优势分析：•知识工程的融合长期以来知识工程仅停留在理论和研究阶段，未能有效的在企业实际应用并体现价值，其重要的原因之一是缺乏有效的知识表述工具并将其融入到设计、生产环节中。基于标准的特征表述的MBD技术可有效的描述设计、制造