模型驅(qū)動的民機數(shù)字化制造工藝技術(shù)研究與實踐*

（中航西飛民用飛機有限責任公司，西安710089）

隨著MBD 技術(shù)在大型裝備制造業(yè)中的應用，目前基于模型的產(chǎn)品及工裝數(shù)字化設(shè)計已在我國各航空制造企業(yè)中基本實現(xiàn)。飛機研制流程也從設(shè)計制造分離的“拋過墻”式串行研發(fā)模式向設(shè)計制造一體化集成的異地并行協(xié)同研發(fā)模式轉(zhuǎn)變，航空制造企業(yè)產(chǎn)品研制數(shù)字化轉(zhuǎn)型的步伐不斷提速。但受傳統(tǒng)制造模式和技術(shù)手段的影響，基于模型的數(shù)字化工藝技術(shù)發(fā)展依舊滯后，傳統(tǒng)基于二維工程圖的、工卡式的工藝過程設(shè)計模式和方式，因不能有效繼承上游的MBD 模型而無法順利地將設(shè)計信息傳遞到制造后段，直接影響了產(chǎn)品的工藝設(shè)計周期和產(chǎn)品制造質(zhì)量。因此，開展模型驅(qū)動的飛機數(shù)字化工藝設(shè)計技術(shù)研究和應用成為推動航空制造發(fā)展的重要趨勢。

1 模型驅(qū)動的數(shù)字化制造技術(shù)

模型是產(chǎn)品的虛擬表達，從產(chǎn)品設(shè)計制造過程來說，無論是傳統(tǒng)的實物、二維圖紙、圖表還是現(xiàn)在的音頻、視頻、數(shù)據(jù)、架構(gòu)、VR 等可視化手段，這些數(shù)字化描述的方式都可以認為是產(chǎn)品的模型，更確切地說，模型就是產(chǎn)品所有屬性的電子化表達，作為制造源頭的設(shè)計模型和面向工藝的制造模型共同決定了制造的效率和質(zhì)量。新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革深刻影響航空制造業(yè)數(shù)字化技術(shù)的應用，系統(tǒng)的復雜度也在不斷增加以滿足客戶增長的需求和更多法規(guī)的約束。傳統(tǒng)基于單一文檔和單一產(chǎn)品模型的產(chǎn)品研制模式不能很好地表達業(yè)務邏輯和流程，從而造成產(chǎn)品最終裝配問題的出現(xiàn)，影響產(chǎn)品原型的集成和準時交付[1]。

為解決這些問題，越來越多的組織和產(chǎn)品開發(fā)過程轉(zhuǎn)向了模型驅(qū)動的創(chuàng)新工程。模型驅(qū)動式開發(fā)（MDD）是一種以模型為中心、根據(jù)不同的抽象層次或者不同的視角構(gòu)造模型的開發(fā)方法[2]。與其他軟件開發(fā)方法相比，模型驅(qū)動開發(fā)方法的特點主要表現(xiàn)在，該方法更加關(guān)注不同業(yè)務知識構(gòu)造及流程的抽象描述，基于這些抽象模型刻畫軟件或系統(tǒng)架構(gòu)，并通過自動（半自動）的層層轉(zhuǎn)換完成從設(shè)計向?qū)崿F(xiàn)的過渡，從而最終完成整個系統(tǒng)的開發(fā)。美國國家技術(shù)和標準研究院（NIST）提出從基于模型的定義（MBD）到基于模型的企業(yè)（MBE）的躍升，其要義是模型驅(qū)動關(guān)系系統(tǒng)生命周期的各個方面和領(lǐng)域，模型一次創(chuàng)建并為制造、服務等所有下游重用[3]。

與基于模型的定義（MBD）不同，模型驅(qū)動盡管在不同的領(lǐng)域有不同的含義，但在飛機數(shù)字化研發(fā)領(lǐng)域，模型驅(qū)動的工程(MDE)中模型概念主要強調(diào)產(chǎn)品模型、產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型和業(yè)務過程模型，借助于這些多維模型（或模型化知識），驅(qū)動研發(fā)人員將隱含于文檔內(nèi)部的管理要素和管理思想通過模型的方式進行顯性化、固化、持久化[4]，構(gòu)建并行協(xié)同的研發(fā)系統(tǒng)平臺，在虛擬制造環(huán)境內(nèi)部進行飛機研制。全壽命周期過程業(yè)務信息的定義，如樣機設(shè)計、結(jié)構(gòu)定義、工藝規(guī)劃與裝配仿真、生產(chǎn)線規(guī)劃仿真、數(shù)據(jù)管理、指令仿真以及指令傳遞到物理設(shè)備之后的控制和數(shù)據(jù)采集等內(nèi)容。模型驅(qū)動的數(shù)字化制造過程交付物成果包括系統(tǒng)平臺、三維工藝作業(yè)指導書、三維動態(tài)離散事件仿真等。如果使用得當，該技術(shù)不僅能夠消除傳統(tǒng)的以手工方式創(chuàng)建面向生產(chǎn)的工藝定義過程，而且可以將所有制造準備活動或工作在產(chǎn)品設(shè)計完成之前完成，并向設(shè)計團隊反饋制造數(shù)據(jù)問題，以創(chuàng)建和完善面向可制造性的更好設(shè)計，提升產(chǎn)品制造多專業(yè)、多供應商的協(xié)同效率，有效縮短整個產(chǎn)品研制周期，改善生產(chǎn)現(xiàn)場工作環(huán)境，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率[5]。

2 數(shù)字化制造業(yè)務模型與應用架構(gòu)設(shè)計

2.1 應用業(yè)務模型分析

某型國產(chǎn)民機是一款面向全球市場開發(fā)的新型渦槳支線飛機，其研制階段主要劃分為需求分析和立項論證、可行性論證、預發(fā)展設(shè)計、工程發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化等階段。其采用了全新、開放的飛機研制模式，產(chǎn)品制造配套的零件品種和數(shù)量眾多，產(chǎn)生的制造數(shù)據(jù)巨大、制造資源協(xié)調(diào)復雜，所以每一個階段都存在大量“需求–設(shè)計–驗證”迭代，需要多專業(yè)以及多單位協(xié)同工作。

為有效應對上述挑戰(zhàn)，以模型驅(qū)動飛機，協(xié)同研制企業(yè)中的數(shù)據(jù)、業(yè)務過程、應用系統(tǒng)并有效地整合在一起，按照設(shè)計端全面推進應用MBD 技術(shù)要求，制造工藝端積極開展了數(shù)字化制造工藝應用數(shù)據(jù)模型、業(yè)務模型和系統(tǒng)模型研究，如圖1所示。確定制造過程業(yè)務應用場景主要包括以下方面。

（1）設(shè)計–制造協(xié)同：基于設(shè)計–制造并行業(yè)務模型實現(xiàn)與承制單位的工程協(xié)同，基于單一虛擬產(chǎn)品研制環(huán)境支撐產(chǎn)品工藝模型關(guān)聯(lián)產(chǎn)品模型，實現(xiàn)產(chǎn)品工藝性審查與可制造性評估，并支持零部件制造和裝配工藝設(shè)計。

（2）制造工藝多專業(yè)協(xié)同：基于產(chǎn)品模型實現(xiàn)機加工藝、鈑金工藝、工裝設(shè)計、結(jié)構(gòu)裝配、系統(tǒng)裝配、總裝集成等多專業(yè)技術(shù)協(xié)同。

（3）異地多廠所制造協(xié)同：基于數(shù)據(jù)模型實現(xiàn)制造數(shù)據(jù)并行分工審查和各層次供應商交付狀態(tài)定義，包含實體模型、輕量化模型、制造要求、交互式動畫/視圖等。

（4）制造數(shù)據(jù)管理與共享：推動設(shè)計模型數(shù)據(jù)向生命周期各階段傳遞和增值復用，整體規(guī)劃飛機設(shè)計制造相關(guān)信息的定義、共享、傳遞、使用、關(guān)聯(lián)等機制，進行邏輯單一數(shù)據(jù)源的全面構(gòu)型管理。

2.2 應用系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

基于系統(tǒng)工程的構(gòu)型管理要求，按照“模型驅(qū)動”這一核心理念，以業(yè)務過程數(shù)據(jù)管理模型和并行協(xié)同機制為基礎(chǔ)，搭建跨越產(chǎn)品設(shè)計與制造的一體化數(shù)字化制造協(xié)同平臺，面向數(shù)字化工藝數(shù)據(jù)管理模型，建立獨立的集三維工藝設(shè)計、仿真與制造數(shù)據(jù)管理為一體的系統(tǒng)平臺，形成飛機統(tǒng)一的產(chǎn)品制造數(shù)據(jù)管理中心，支持基于產(chǎn)品模型開展產(chǎn)品–工藝–工裝一體化關(guān)聯(lián)并行設(shè)計，工藝資源的知識化、結(jié)構(gòu)化管理，實現(xiàn)工藝、工裝、檢驗數(shù)據(jù)一體化管理，為后續(xù)數(shù)字化生產(chǎn)過程和客戶服務提供保障。

應用系統(tǒng)架構(gòu)主要包含數(shù)字化工藝設(shè)計、數(shù)字化制造構(gòu)型管理、數(shù)字化工裝數(shù)據(jù)管理、工藝資源管理、一體化工程更改控制、制造供應商協(xié)同管理等內(nèi)容，如圖2所示。

（1）數(shù)字化工藝設(shè)計：根據(jù)設(shè)計制造并行協(xié)同業(yè)務模型，根據(jù)飛機成熟度在飛機研制早期就開展工藝規(guī)劃的工作，確定飛機的工藝/制造分離面，定義裝配單元的劃分，提供3D 可視化、可交互環(huán)境下的工藝規(guī)劃能力和工藝指令編制能力。

（2）數(shù)字化制造構(gòu)型管理：提供基于模型的產(chǎn)品制造物料構(gòu)型（MBOM）結(jié)構(gòu)編輯器，支持三維可視化、消耗式數(shù)據(jù)重構(gòu)，實現(xiàn)MBOM 頂層規(guī)劃、基于模塊的工藝路線分工管理和相應的底層數(shù)據(jù)分工管理。

圖1 飛機數(shù)字化制造業(yè)務模型Fig.1 Aircraft digital manufacturing business model

（3）數(shù)字化工裝數(shù)據(jù)管理：提供工裝數(shù)字化業(yè)務過程模型的管理，包括工裝申請，工裝協(xié)同設(shè)計，工裝物料構(gòu)型（TBOM）管理等，使參與同一個工裝產(chǎn)品設(shè)計的不同人員之間能夠方便地進行協(xié)作，并行開展同一個工裝產(chǎn)品不同組成部分的設(shè)計工作。

（4）工藝資源管理：對數(shù)字化工藝設(shè)計過程中用到的各種工具、設(shè)備和工裝等資源進行結(jié)構(gòu)化的、統(tǒng)一的管理，為工藝設(shè)計過程的數(shù)字化定義和裝配仿真等提供強大制造資源管理能力。

（5）一體化工程更改控制：提供基于構(gòu)型更改業(yè)務模型的產(chǎn)品數(shù)據(jù)更改的貫徹和落實功能，支持正向、反向的一體化更改過程追溯，即從設(shè)計更改能夠追溯下游貫徹狀態(tài)，從工藝制造更改能夠向上游追溯對應的設(shè)計更改及問題報告。

（6）制造供應商協(xié)同管理：提供基于制造分工的供應商交付規(guī)范業(yè)務模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化管理和數(shù)據(jù)發(fā)放功能，通過與產(chǎn)品設(shè)計制造協(xié)同管理平臺和供應商制造平臺的無縫集成，實現(xiàn)主制造商與供應商之間的數(shù)據(jù)的雙向發(fā)放、提交和管理。

3 模型驅(qū)動的數(shù)字化制造工藝技術(shù)應用實踐

3.1 應用原則

（1）以在生命周期的早期階段發(fā)現(xiàn)更多問題支撐實現(xiàn)虛擬產(chǎn)品的“可制造性”決策為目標，模型驅(qū)動技術(shù)應貫徹產(chǎn)品制造的核心業(yè)務流程，實現(xiàn)設(shè)計與制造業(yè)務協(xié)同、工藝設(shè)計與仿真、工裝設(shè)計與仿真、生產(chǎn)線設(shè)計與仿真、三維工藝規(guī)劃、制造數(shù)據(jù)管理等的全面應用，保證足夠應用的廣度和深度。

圖2 數(shù)字化制造協(xié)同平臺架構(gòu)Fig.2 Digital manufacturing collaborative platform architecture

（2）借鑒國際主流民機制造業(yè)數(shù)字化應用的成熟基礎(chǔ)理論和工具，應用模型驅(qū)動技術(shù)應著力在工具成熟度和應用范圍上，結(jié)合型號特點，進行再創(chuàng)新、再發(fā)明，保證應用先進性和創(chuàng)新性。

（3）注重模型驅(qū)動過程中模型知識的捕獲和重用，夯實技術(shù)基礎(chǔ)，積累提煉模型驅(qū)動的技術(shù)標準和規(guī)范體系。

3.2 主要實踐內(nèi)容

（1）以設(shè)計制造并行業(yè)務模型驅(qū)動基于成熟度的數(shù)據(jù)發(fā)放。

參照國際先進模式，按照產(chǎn)品數(shù)據(jù)的信息完整程度，建立基于成熟度管理的設(shè)計制造并行業(yè)務模型，見圖3。在數(shù)據(jù)發(fā)布形成正式版本之前采用成熟度控制，即產(chǎn)品數(shù)據(jù)只有達到成熟度級別提升時才進行發(fā)放，工藝設(shè)計人員分階段拿到產(chǎn)品模型并開展工作[6]。按照不同階段數(shù)據(jù)的成熟度，組織制造各部門進行制造性分析，并通過與設(shè)計部門協(xié)調(diào)和完善，完成面向裝配站位的工藝設(shè)計過程，包括依據(jù)三維產(chǎn)品模型進行裝配工藝仿真、裝配站位（CA）制造數(shù)據(jù)分配等工藝設(shè)計活動。同時，依據(jù)工藝性評審，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、工裝設(shè)計中存在的問題，并且將存在的問題及時反饋到設(shè)計部門和工裝部門。在數(shù)據(jù)發(fā)布形成正式版本之后發(fā)生的更改則不采用成熟度控制，按構(gòu)型更改的控制方法進行管理。通過模型的并行協(xié)同，快速提升產(chǎn)品制造的成熟度，使其達到靈活、精益等高級狀態(tài)，提高整個產(chǎn)品研發(fā)的效率。

（2）以模塊化數(shù)據(jù)模型為核心驅(qū)動制造數(shù)據(jù)構(gòu)建。

面向制造需求的模塊組織和管理技術(shù)是在產(chǎn)品模塊化設(shè)計基礎(chǔ)上發(fā)展形成的，不同于傳統(tǒng)以產(chǎn)品零組件為中心的裝配定義，面向制造需求的構(gòu)型模塊概念，是指具有獨立功能，可作為整體進行設(shè)計、制造、裝配、服務保障的獨立單元。模塊化業(yè)務模型主要包含兩個方面的內(nèi)容：衍生產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的“CA–AOL–MDM”制造數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型和以“裝配結(jié)構(gòu)樹–制造物料清單（MBOM）–裝機物料清單（BBOM）”為主線的制造構(gòu)型構(gòu)建模型。

在某型國產(chǎn)民機研制中，按照模塊化業(yè)務模型開展了產(chǎn)品設(shè)計模塊的分解和重構(gòu)，按照特定模塊化的制造需求，將模塊作為構(gòu)型管理和工程更改控制的基本單元[7]。在設(shè)計模塊進行劃分時，充分考慮制造分離面的劃分和制造的組裝工序等制造需求，使設(shè)計分離面與工藝分離面趨于一致，保留設(shè)計模塊的完整性和在制造工藝中的一致性，使得各種對應的邏輯關(guān)系都較為簡化，設(shè)計制造符合性的追蹤較為容易，避免出現(xiàn)若干個設(shè)計模塊拆散重組成若干個AO 的情況，如圖4所示。CI2、CI3、CI4 與AO2、AO3、AO4 一一對應，CI1 劃分為兩個AO 進行分別組裝，CI5 與AO5 對應體現(xiàn)了CI1～CI4的組裝。

圖3 基于成熟度的設(shè)計制造并行業(yè)務模型Fig.3 Design and manufacture parallel business models based on maturity

圖4 產(chǎn)品模塊化制造數(shù)據(jù)管控業(yè)務模型Fig.4 Control business model of product modular manufacturing data

（3）以產(chǎn)品數(shù)據(jù)消耗式模型保證制造配置的符合性。

保證設(shè)計數(shù)據(jù)的一致性和可追溯性，是某型國產(chǎn)民機研制過程中的適航符合性要求。傳統(tǒng)二維裝配工藝設(shè)計在面對三維模型定義（MBD）技術(shù)暴露出來的不足主要有：無法直接充分利用產(chǎn)品三維模型及其工程信息，從而導致設(shè)計制造協(xié)同性差；基于裝配規(guī)劃，重構(gòu)工藝組件和工藝物料清單（PBOM）與工程物料清單（EBOM）的一致性難以保證。

產(chǎn)品數(shù)據(jù)消耗式模型強調(diào)照搬設(shè)計數(shù)據(jù)而不衍生工藝構(gòu)型，主要通過承接產(chǎn)品工程物料清單（EBOM）、三維產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)，根據(jù)裝配工藝業(yè)務需要可以直接基于設(shè)計發(fā)布模塊，在頂層裝配工藝結(jié)構(gòu)樹節(jié)點下消耗式完成產(chǎn)品數(shù)據(jù)的制造配置、工藝設(shè)計任務的分工，從而將工藝設(shè)計任務與所關(guān)聯(lián)的模塊及模型數(shù)據(jù)下發(fā)給工藝設(shè)計人員[8]，進行裝配指令編制，實現(xiàn)單一數(shù)據(jù)源，確保工程數(shù)據(jù)集及更改信息在設(shè)計與制造之間完整、系統(tǒng)地傳遞，實現(xiàn)工程設(shè)計數(shù)據(jù)集與制造數(shù)據(jù)集的一致性、準確性及可追溯性，如圖5所示。

（4）以產(chǎn)品設(shè)計模型開展可視化工藝模型設(shè)計與仿真。

制造工藝方案中通常要研究工序規(guī)劃、路徑規(guī)劃及過程仿真等過程，傳統(tǒng)的方法是將其劃分成機加、部裝、總裝等幾個相互隔離的部分，造成了工藝規(guī)劃各部分工作結(jié)果難以及時共享，不利于提高工藝規(guī)劃效率。建立在數(shù)字化樣機基礎(chǔ)上進行的設(shè)計工程仿真主要是針對飛機設(shè)計的合理性、飛機的功能和性能進行仿真，但有大量飛機制造裝配過程中的信息，如裝配過程所要用到的場地、工藝裝備的分析；裝配過程所要用到的工具、設(shè)備、器件等的分析；裝配過程中人員運動的分析等都會被忽略[9]。

在以模型驅(qū)動的某型國產(chǎn)民機研制過程中，面向飛機工藝研制全過程，基于三維產(chǎn)品設(shè)計模型的可視化、可交互的環(huán)境，開展了裝配工藝模型的構(gòu)建、裝配工藝仿真和結(jié)構(gòu)化裝配工藝BOP（工藝、工序、工步）編制，將產(chǎn)品、資源模型數(shù)據(jù)導入裝配指令編制工具，從裝配工藝知識庫中獲取典型工藝、標準工序/工步等工藝知識庫數(shù)據(jù)，進行包含詳細裝配操作工序內(nèi)容、技術(shù)要求、物料信息等的三維裝配指令編制，實現(xiàn)制造工藝結(jié)構(gòu)化、可視化工作指令的快速生成及有效性驗證，完成工藝總流程的制定、評審及工藝計劃的快速下發(fā)[10]。

（5）以統(tǒng)一產(chǎn)品BOM 數(shù)據(jù)模型驅(qū)動制造數(shù)據(jù)構(gòu)型 管理。

統(tǒng)一產(chǎn)品BOM 數(shù)據(jù)從結(jié)構(gòu)化設(shè)計到結(jié)構(gòu)化工藝，再到結(jié)構(gòu)化生產(chǎn)的傳遞流程、共享機制（圖6），打通從產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）到制造數(shù)據(jù)管理（MDM）到生產(chǎn)計劃（ERP）以及制造執(zhí)行（MES）的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)鏈路，開展PDM 系統(tǒng)與制造ERP 和MES 底端系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成。改變傳統(tǒng)的基于文件的數(shù)據(jù)模擬量傳遞方式，提升為以模型數(shù)據(jù)為核心的數(shù)字量傳遞模式，真正發(fā)揮工藝環(huán)節(jié)的橋梁作用，有力支撐設(shè)計、工藝、制造一體化集成業(yè)務的應用。

4 實踐效果

通過模型驅(qū)動理念的應用，國產(chǎn)某型機以業(yè)務對象模型結(jié)合系統(tǒng)架構(gòu)約束完成了行業(yè)典型的設(shè)計制造并行一體化協(xié)同環(huán)境構(gòu)建，開展了5000 余項產(chǎn)品模塊的可制造性審查、制造分工確認，以及300 多個制造裝配站位規(guī)劃和數(shù)據(jù)消耗式配置，完成了機翼、中機身等大部件裝配仿真及結(jié)構(gòu)供應商三維交付規(guī)范快速編制，下發(fā)了1500 余份基于產(chǎn)品模型的制造指令編制。與傳統(tǒng)國內(nèi)其他型號對比分析，產(chǎn)品數(shù)模發(fā)放后工藝工裝設(shè)計效率大幅提高，制造數(shù)據(jù)與產(chǎn)品數(shù)據(jù)的符合性提高了100%，有力支撐了飛機研制階段的產(chǎn)品協(xié)同定義和部件準時交付，飛機工藝創(chuàng)新能力得以極大提升。

圖5 消耗式工藝數(shù)據(jù)管控模型Fig.5 Consumptive process data control model

圖6 統(tǒng)一的產(chǎn)品BOM數(shù)據(jù)管理模型Fig.6 Unified product BOM data management model

5 結(jié)論

模型驅(qū)動的產(chǎn)品制造思想，已經(jīng)成為制造業(yè)降低系統(tǒng)復雜性、開展系統(tǒng)分而治之的有效手段。該技術(shù)的優(yōu)勢在于使用更接近于人的理解和認識的模型，以及方便靈活的業(yè)務建模語言，如可視化業(yè)務模型、產(chǎn)品模型和數(shù)據(jù)模型來推動系統(tǒng)的構(gòu)建和業(yè)務的實現(xiàn)，有利于技術(shù)人員將注意力集中在和業(yè)務邏輯相關(guān)的信息上，更好地將產(chǎn)品研制過程中的經(jīng)驗、知識復用于新的產(chǎn)品研制過程，使業(yè)務專家、設(shè)計人員、工藝人員以及操作人員等不同人員之間基于業(yè)務知識和過程實現(xiàn)的良好溝通，從而進一步推動數(shù)字化制造工程的發(fā)展，全面提升企業(yè)的核心競爭力，讓企業(yè)在技術(shù)和經(jīng)濟方面取得雙重效益。