MBD公差設(shè)計(jì)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)分析與航天產(chǎn)品應(yīng)用展望

梁鑫光 周佳臏 翁海紅 倪勇軍 黃婉如

（1上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海，200245；2上海航天技術(shù)研究院，上海，200245）

航天產(chǎn)品一直在追求極致的輕量化與極端環(huán)境下的運(yùn)行可靠性，也因而具備了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度高的產(chǎn)品特點(diǎn)。隨著研制節(jié)奏的加快，在航天產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)與測(cè)量驗(yàn)收等各環(huán)節(jié)，如何快速的處理與傳遞精度表達(dá)信息是提高航天高精度產(chǎn)品研制效率的關(guān)鍵所在。

基于模型的定義 （Model Based Definition，MBD）技術(shù)的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字環(huán)境下的虛擬驗(yàn)證提供了可能，如何使MBD承載的工程數(shù)據(jù)在“設(shè)計(jì)—工藝—測(cè)量—裝配—實(shí)驗(yàn)—交付”等全流程自動(dòng)傳遞，提高測(cè)量測(cè)試數(shù)據(jù)質(zhì)量與采集效率，從而實(shí)現(xiàn)高精度機(jī)構(gòu)產(chǎn)品的快速研制。本文將從MBD產(chǎn)品研制數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化的角度，展望PMI（Product Manufacturing Information，產(chǎn)品制造信息）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)機(jī)構(gòu)產(chǎn)品MBD研制的價(jià)值與意義。

1 MBD數(shù)字化制造下的業(yè)務(wù)場(chǎng)景

1.1 工程設(shè)計(jì)載體的演變過(guò)程

在工業(yè)革命之前，工程工作被定義為產(chǎn)品的物理模型復(fù)制。例如，一個(gè)制造槍管的工人會(huì)確保槍管的尺寸，通過(guò)使用卡尺將測(cè)量值從一個(gè)傳遞到另一個(gè)，從而與模型槍管相對(duì)應(yīng)。這個(gè)方法強(qiáng)化了工人制造特定產(chǎn)品類型的概念，而不是制造更大的通用組件產(chǎn)品。在此后近200年的時(shí)間里，產(chǎn)品數(shù)據(jù)的表達(dá)方式并沒(méi)有發(fā)生本質(zhì)的變化。19世紀(jì)工程制圖的發(fā)明，釋放了有形實(shí)物對(duì)復(fù)制的限制，從而使得產(chǎn)品生產(chǎn)效率翻了6倍。使用CAD（C omputer Aided Design，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）工具進(jìn)行制圖，釋放了基于紙張管理對(duì)設(shè)計(jì)文件變更迭代的限制，使得生產(chǎn)效率再次獲得了巨大的提升。同時(shí)，CAD模型也帶來(lái)了新的機(jī)遇，從CAD制圖直接驅(qū)動(dòng)制造與檢測(cè)設(shè)備分解與執(zhí)行后續(xù)過(guò)程成為可能，產(chǎn)品定義能力的演變?nèi)鐖D1所示。

圖1 產(chǎn)品定義能力的演變

然而，為了適應(yīng)復(fù)雜多變與各式各樣的工程場(chǎng)景需求，CAD/CAM（Computer Aided Manufacturing，計(jì)算機(jī)輔助制造）工具大量涌現(xiàn)，并且針對(duì)不同的場(chǎng)景形成了不同的數(shù)據(jù)格式。相比于紙質(zhì)環(huán)境下，設(shè)計(jì)圖紙可以便捷的被任何人用鉛筆進(jìn)行批注，某一特定格式的CAD模型只能通過(guò)相應(yīng)的特定軟件來(lái)識(shí)別與批注，而一個(gè)無(wú)法通過(guò)CAD工具進(jìn)行注釋的CAD模型對(duì)于沒(méi)有相應(yīng)特定軟件的場(chǎng)景來(lái)說(shuō)完全沒(méi)有應(yīng)用價(jià)值。對(duì)于一個(gè)需要在不同的CAD與CAM軟件之間分享設(shè)計(jì)方案的組織來(lái)說(shuō)，承載設(shè)計(jì)方案的模型必須具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式。

1.2 MBD幾何精度公差設(shè)計(jì)與驗(yàn)證流程

高精度航天產(chǎn)品的研制過(guò)程中，會(huì)反復(fù)出現(xiàn)基于模型的產(chǎn)品幾何精度實(shí)現(xiàn)能力、空間運(yùn)動(dòng)能力、力熱載荷與抗輻照能力的“假設(shè)—評(píng)估—驗(yàn)證—優(yōu)化”的迭代過(guò)程。以幾何精度實(shí)現(xiàn)能力設(shè)計(jì)為例，其研制流程可大致分為5個(gè)環(huán)節(jié)，需要至少10個(gè)基于模型的數(shù)據(jù)傳輸活動(dòng)，如圖2所示。

圖2 產(chǎn)品幾何精度要求在研制流程中的傳遞

1.2.1 研制流程5個(gè)環(huán)節(jié)

5個(gè)環(huán)節(jié)聚焦于如何用模型表達(dá)研制成果，按順序分別包括以下環(huán)節(jié)。

a）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與尺寸公差設(shè)計(jì)。

根據(jù)產(chǎn)品功能需求，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)、公差仿真結(jié)果以及工藝性審查結(jié)果，進(jìn)行設(shè)計(jì)。

b）公差仿真。

理解各結(jié)構(gòu)特征關(guān)系與精度等級(jí)，檢驗(yàn)各結(jié)構(gòu)特征幾何精度與尺寸精度之間的協(xié)調(diào)性。

c）工藝設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)工藝性審查與三維工藝編制，理解各結(jié)構(gòu)特征關(guān)系與精度等級(jí)，檢驗(yàn)各結(jié)構(gòu)特征幾何精度與尺寸精度之間的協(xié)調(diào)性，反饋公差可實(shí)現(xiàn)程度；轉(zhuǎn)化工藝基準(zhǔn)，修補(bǔ)工藝特征，拆解工序工步，傳遞精度控制辦法，根據(jù)結(jié)構(gòu)特征+基準(zhǔn)+公差類型+精度等級(jí)，匹配加工過(guò)程工具、量具與設(shè)備等資源信息，編制三維工藝規(guī)程與測(cè)量規(guī)劃。

d）零件加工與裝配。

根據(jù)三維模型的工序視圖與工藝規(guī)程、調(diào)用相關(guān)數(shù)控程序，完成相關(guān)作業(yè)。

e）測(cè)量確認(rèn)。

產(chǎn)品功能與制造過(guò)程評(píng)估，按測(cè)量視圖與測(cè)量規(guī)程、調(diào)用相關(guān)測(cè)量程序，完成產(chǎn)品功能測(cè)量評(píng)價(jià)與制造過(guò)程能力評(píng)價(jià)。

1.2.2 基于模型的數(shù)據(jù)傳輸活動(dòng)

10個(gè)數(shù)據(jù)傳輸活動(dòng)如圖2所示，聚焦于如何讓各環(huán)節(jié)研制成果共享，包括：

①在三維模型上進(jìn)行公差信息的標(biāo)注與確認(rèn)，由環(huán)節(jié)a）向環(huán)節(jié)b）輸出公差標(biāo)注信息；

②在三維模型上進(jìn)行公差信息的修改，由環(huán)節(jié)b）向環(huán)節(jié)a）反饋公差可實(shí)現(xiàn)程度（逆向傳遞活動(dòng)）；

③在三維模型上進(jìn)行公差信息的受控，由環(huán)節(jié)b）向環(huán)節(jié)c）傳遞發(fā)布的公差數(shù)據(jù)；

④在三維模型上進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程能力數(shù)據(jù)的確認(rèn)，由環(huán)節(jié)c）向環(huán)節(jié)a）反饋生產(chǎn)過(guò)程能力信息與優(yōu)化建議（逆向傳遞活動(dòng)）；

⑤在三維模型上將公差類別、等級(jí)同三維工藝模型的工序視圖進(jìn)行關(guān)聯(lián)，生成數(shù)控設(shè)備加工程序，由環(huán)節(jié)c）向環(huán)節(jié)d）傳遞；在三維模型上進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)分類并生成數(shù)字化測(cè)量機(jī)的測(cè)量程序，由環(huán)節(jié)c）向環(huán)節(jié)e）傳遞基于模型的測(cè)量任務(wù)與測(cè)量程序；

⑥在三維模型上查閱作業(yè)控制要求，按視圖指示由環(huán)節(jié)d）向環(huán)節(jié)c）反饋過(guò)程測(cè)量結(jié)果（逆向傳遞活動(dòng)）；

⑦在三維模型上查閱作業(yè)控制要求，按視圖指示由環(huán)節(jié)d）向環(huán)節(jié)e）傳遞過(guò)程測(cè)量結(jié)果；

⑧在三維模型中，按視圖指示采集測(cè)量結(jié)果，由環(huán)節(jié)e）向環(huán)節(jié)d）反饋加工與裝配執(zhí)行情況（逆向傳遞活動(dòng)）；

⑨在三維模型中，按視圖指示采集測(cè)量結(jié)果，由環(huán)節(jié)e）向環(huán)節(jié)c）反饋制造過(guò)程能力數(shù)據(jù)完善工藝設(shè)計(jì)方案（逆向傳遞活動(dòng)）；

⑩在三維模型中，按視圖指示采集測(cè)量結(jié)果，由環(huán)節(jié)e）向環(huán)節(jié)a）反饋產(chǎn)品功能測(cè)試數(shù)據(jù)完善產(chǎn)品設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

2 標(biāo)準(zhǔn)體系對(duì)MBD研制流程的支撐情況

尺寸與公差標(biāo)準(zhǔn)起源于80多年以前，最早體現(xiàn)為各種國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或公司標(biāo)準(zhǔn)，用來(lái)管理工程制圖與文檔記錄。這些標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，為設(shè)計(jì)者與制造者提供了更好的溝通工具，用以明確何種制造誤差可以接受而不會(huì)影響產(chǎn)品的功能。隨著時(shí)間的推移，這些標(biāo)準(zhǔn)也在演化并逐漸被全世界所認(rèn)可。在早期的幾十年，標(biāo)準(zhǔn)的演化主要來(lái)自于工程上的最佳實(shí)踐，而缺少科學(xué)系統(tǒng)的對(duì)待。直到上世紀(jì)80年代，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的出現(xiàn)，迫使人們開(kāi)始用更加數(shù)學(xué)的形式來(lái)重新檢驗(yàn)這些標(biāo)準(zhǔn)。也是從那時(shí)開(kāi)始，出現(xiàn)了用科學(xué)的準(zhǔn)則來(lái)解釋過(guò)去的最佳實(shí)踐，指導(dǎo)未來(lái)的改進(jìn)。

美 國(guó) 的 波 音 （Boeing）、歐 洲 的 空 客（Airbus）、洛克希德馬丁(Lockheed Martin)、通用 電 氣 （GE）、羅 羅 （Rolls-Royce）、BBA（BMW、Mercedes-Benz、Audi）， 西 門(mén) 子（Siemens PLM）、通用汽車 （GM）、卡特比勒（Caterpillar）等國(guó)外一流公司，伴隨著數(shù)字化和信息化改造，在幾何質(zhì)量方面開(kāi)始了面向數(shù)字化與系統(tǒng)化的工程實(shí)踐。與此同時(shí)，這些公司也成為了運(yùn)用科學(xué)方法開(kāi)發(fā)MBD標(biāo)準(zhǔn)的主要力量，形成了3個(gè)代表性的ISO委員會(huì)團(tuán)體組織。這三個(gè)團(tuán)體的開(kāi)發(fā)工作有一定的依存關(guān)系，在標(biāo)準(zhǔn)體系的發(fā)布上也出現(xiàn)了一定的順延。

首先，ISO TC 213和ASME Y14.5標(biāo)準(zhǔn)化團(tuán)體發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)Geometrical Product Specifications（簡(jiǎn) 稱GPS） 以 及Geometric Dimensioning and Tolerancing（簡(jiǎn)稱GD&T），明確如何在2D和3D環(huán)境中進(jìn)行標(biāo)注。這是一個(gè)由150多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組成的技術(shù)體系，基于數(shù)字化、面向信息化及智能化，涵蓋了從幾何精度設(shè)計(jì)與驗(yàn)證、設(shè)計(jì)過(guò)程管理、產(chǎn)品制造過(guò)程控制、產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)、產(chǎn)品符合性評(píng)定與驗(yàn)證等整個(gè)過(guò)程。

其中，PMI標(biāo)準(zhǔn)是支撐這一系列標(biāo)準(zhǔn)體系的基礎(chǔ)，如圖3所示。PMI是在CAD/CAM環(huán)境中用于表達(dá)幾何尺寸公差、表面紋理形貌、精加工要求、技術(shù)條件、材料要求、焊接特性等技術(shù)要求的信息集合。最新版的GPS標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步強(qiáng)化了基于模型的幾何公差表達(dá)方法，大有取代線性公差的趨勢(shì)。其技術(shù)特點(diǎn)有：①基于計(jì)量數(shù)學(xué)，給出了涉及到設(shè)計(jì)、工藝、檢測(cè)和控制的幾何定義規(guī)范方法；②給出了基于產(chǎn)品功能和過(guò)程控制的幾何質(zhì)量規(guī)范與控制方法；③用數(shù)字化方法給出了幾何誤差/偏差定義、評(píng)價(jià)和符合性評(píng)定的方法；④用數(shù)字化方法給出了產(chǎn)品幾何精度和幾何質(zhì)量的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證方法；⑤用數(shù)字化方法給出了幾何技術(shù)規(guī)范的傳遞方法和風(fēng)險(xiǎn)控制方法。

圖3 PMI表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)是智能制造系統(tǒng)的使能器

我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)上述標(biāo)準(zhǔn)體系也進(jìn)行了相應(yīng)的轉(zhuǎn)化工作，對(duì)ISO最新標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化的覆蓋率已近70%，在一定程度上直接對(duì)接了國(guó)際最先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)。

其次，ISO TC 10標(biāo)準(zhǔn)化團(tuán)體在GPS標(biāo)準(zhǔn)和GD&T標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步定義如何在人機(jī)交互的情況下準(zhǔn)確表達(dá)人的設(shè)計(jì)意圖，確保可讀性。如圖4所示，包括如何在模型放大、縮小、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，即使在數(shù)據(jù)復(fù)雜的情況下仍能保證PMI信息的可讀性；還包括在模型的輕量化過(guò)程中，如何確保PMI信息的準(zhǔn)確傳遞。這對(duì)于由人主導(dǎo)、人機(jī)交互、多人協(xié)同的智能制造場(chǎng)景尤為重要，對(duì)于中小規(guī)模企業(yè)接入智能制造系統(tǒng)來(lái)說(shuō)更是必不可少的先決條件。形成標(biāo)準(zhǔn)ISO Technical Product Documentation，簡(jiǎn)稱TPD，即技術(shù)產(chǎn)品文件。這同樣是一個(gè)由150多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組成的技術(shù)體系，技術(shù)上同樣基于數(shù)字化、面向信息化及智能化，內(nèi)容上涵蓋2D工程圖樣、3D標(biāo)注、基于模型的定義、技術(shù)文件（數(shù)字化、信息化）管理等。

圖4 ISO 16792三維模型標(biāo)注示例

再次，ISO TC 184/SC 4標(biāo)準(zhǔn)化團(tuán)隊(duì)會(huì)再根據(jù)PMI信息定義和表達(dá)的標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)發(fā)并發(fā)布以ISO 10303為代表的指導(dǎo)機(jī)器之間進(jìn)行PMI信息交互的標(biāo)準(zhǔn)。目前，該組織最新發(fā)布的ISO STEP AP 242為這種工業(yè)應(yīng)用帶來(lái)了比之前的AP 203和AP 214更多的應(yīng)用價(jià)值。比如，3D PMI可以將PMI數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至多種應(yīng)用軟件，自動(dòng)地傳遞數(shù)據(jù)與信息。這使得CAM工藝設(shè)計(jì)人員可以直接調(diào)用PMI信息進(jìn)行切削特征、基準(zhǔn)、公差、表面紋理等要求，進(jìn)而根據(jù)預(yù)設(shè)的規(guī)則自動(dòng)選擇切削夾具、刀具、冷卻液、切深、進(jìn)給率等工藝信息，而不需要由人另行填寫(xiě)，在提高效率的同時(shí)避免了人為錯(cuò)誤的發(fā)生；三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)也可以直接調(diào)用類似的信息來(lái)自動(dòng)的執(zhí)行測(cè)量和質(zhì)量控制計(jì)劃。進(jìn)而將這些測(cè)量過(guò)程安排進(jìn)加工過(guò)程，以開(kāi)展在機(jī)測(cè)量與實(shí)時(shí)反饋控制，也可以被安排在加工后，進(jìn)行離線測(cè)量來(lái)確認(rèn)技術(shù)要求的滿足情況。而基于ISO STEP AP 242標(biāo)準(zhǔn)對(duì)3D PMI信息進(jìn)行表達(dá)，是實(shí)現(xiàn)這些自動(dòng)化應(yīng)用的先決條件。

3 國(guó)內(nèi)外MBD標(biāo)準(zhǔn)體系工程應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 MBD標(biāo)準(zhǔn)體系的推廣

在相關(guān)PMI標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，空客、波音、洛克希德馬丁、通用電氣、羅羅發(fā)動(dòng)機(jī)、西門(mén)子、寶馬、奔馳、奧迪、通用汽車、卡特比勒等各大公司均針對(duì)各自的產(chǎn)品特點(diǎn)，分解了產(chǎn)品功能與PMI信息（尤其是公差）之間的映射關(guān)系，并制定了面向產(chǎn)品的企業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)體系，進(jìn)一步明確了產(chǎn)品在產(chǎn)品功能、零部件結(jié)合部接口、工裝定位裝夾接口、測(cè)量驗(yàn)收采樣點(diǎn)等具體的技術(shù)規(guī)范，統(tǒng)一了供應(yīng)鏈上下游對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的觀測(cè)點(diǎn)與控制點(diǎn)。另一方面，以Siemens PLM為代表的各大工業(yè)軟件也以上述ISO標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，提供了基于ISO標(biāo)準(zhǔn)的軟件功能體系，以便于各大公司根據(jù)自身特點(diǎn)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)與集成應(yīng)用。形成了以PLM系統(tǒng)為平臺(tái)打通一切基于ISO PMI標(biāo)準(zhǔn)的研發(fā)活動(dòng)，以CAD設(shè)計(jì)軟件為工具進(jìn)行基于ISO GPS（或GD&T）標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)特征公差標(biāo)注， 以 CAT（Computer Aided Tolerance Design）幾何容差分配與公差仿真軟件為工具進(jìn)行基于ISO GPS（或GD&T）的幾何公差仿真驗(yàn)證，以CAI（Computer Aided Inspection）檢測(cè)軟件為工具進(jìn)行基于ISO GPS（或GD&T）標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量規(guī)劃與測(cè)量數(shù)據(jù)采集，以及以CAQ（Computer Aided Quality Analysis）質(zhì)量分析軟件為工具進(jìn)行基于ISO GPS（或GD&T）標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量過(guò)程能力分析與可靠性分析。

ISO GPS不僅給出了先進(jìn)的幾何精度設(shè)計(jì)與控制理念、思路和方法，更通過(guò)準(zhǔn)確描述產(chǎn)品功能與公差體系的映射關(guān)系，提供了可實(shí)際操作應(yīng)用的先進(jìn)工具。當(dāng)復(fù)雜的研制活動(dòng)，攜帶著面向產(chǎn)品功能的公差標(biāo)注標(biāo)準(zhǔn)，在基于ISO PMI標(biāo)準(zhǔn)體系的工業(yè)軟件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)跨供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行流動(dòng)的時(shí)候，研制產(chǎn)品的功能穩(wěn)定性與制造經(jīng)濟(jì)性得到了快速的迭代，收斂于全局最優(yōu)。

3.2 MBD在企業(yè)內(nèi)的應(yīng)用研究

在實(shí)際應(yīng)用中，各工業(yè)軟件響應(yīng)ISO標(biāo)準(zhǔn)均存在著一定的滯后，標(biāo)準(zhǔn)化的3D PMI數(shù)據(jù)并不能在所有軟件中實(shí)現(xiàn)無(wú)損交互。從單一企業(yè)視角來(lái)看，通常企業(yè)會(huì)選擇一家數(shù)字化工程研制領(lǐng)域產(chǎn)品鏈盡量廣的軟件公司，部署同一軟件平臺(tái)下的PDM、CAD、CAM系統(tǒng)來(lái)支持產(chǎn)品的研制活動(dòng)。由于同一軟件平臺(tái)擁有相同的數(shù)據(jù)格式與接口，CAD系統(tǒng)中創(chuàng)建的PMI信息可以在不同的功能模塊中實(shí)現(xiàn)繼承，基于PMI信息實(shí)現(xiàn)進(jìn)行面向特征的CAM加工規(guī)劃，基于PMI信息實(shí)現(xiàn)幾何公差仿真與可制造性分析，基于PMI信息實(shí)現(xiàn)CAI測(cè)量仿真軌跡規(guī)劃，關(guān)聯(lián)PMI信息實(shí)現(xiàn)加工質(zhì)量可視化顯示與超差分析等。

從產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的視角來(lái)看，基于模型的PMI不僅降低了進(jìn)行2D制圖的需求，還可以使下游應(yīng)用直接獲取這些信息以實(shí)現(xiàn)任務(wù)的自動(dòng)化完成。比如基于幾何特征的PMI進(jìn)行刀具選擇、工藝規(guī)劃與數(shù)控加工程序的編制，進(jìn)行公差仿真與三坐標(biāo)測(cè)量程序的編制。通過(guò)在企業(yè)范圍內(nèi)對(duì)3D PMI的價(jià)值產(chǎn)生廣泛的理解與認(rèn)同，數(shù)據(jù)在整個(gè)研制流程中的傳遞效率大幅提升，企業(yè)研制效率與研制質(zhì)量得到了保障。

然而，由于同一軟件平臺(tái)下所擁有的產(chǎn)品模塊有限，當(dāng)需要接入第三方軟件時(shí)，第三方軟件與平臺(tái)的接口至關(guān)重要。大多數(shù)第三方軟件均采用了在平臺(tái)軟件端開(kāi)發(fā)應(yīng)用插件與用戶界面的方式，在用戶使用時(shí)接管PMI創(chuàng)建與管理功能，以實(shí)現(xiàn)在該軟件導(dǎo)入3D模型時(shí)，實(shí)現(xiàn)PMI信息的繼承。顯然，這種集成方式只適合那些只需接入一個(gè)第三方軟件的使用場(chǎng)景。對(duì)于需要同時(shí)接入多個(gè)第三方軟件的情況，這種通過(guò)占有PMI創(chuàng)建權(quán)的集成方式便無(wú)所適從。圖5為不同數(shù)據(jù)格式與統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式在數(shù)字交互中的對(duì)比。

圖5 不同數(shù)據(jù)格式（左）與統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式（右）在數(shù)據(jù)交互中的對(duì)比

3.3 MBD在供應(yīng)鏈上的應(yīng)用研究

MBD在供應(yīng)鏈間的應(yīng)用，必然會(huì)遇到模型在不同軟件間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的問(wèn)題，PMI數(shù)據(jù)的通用性和自動(dòng)轉(zhuǎn)換能力成為了MBD跨供應(yīng)鏈應(yīng)用的關(guān)鍵因素。2017年5月，普度大學(xué)、洛克希德馬丁和羅-羅發(fā)動(dòng)機(jī)公司聯(lián)合ITI數(shù)據(jù)公司共同開(kāi)發(fā)了一個(gè)真實(shí)完整的MBD產(chǎn)品全生命周期案例。項(xiàng)目組基于NAS3500、MIL-STD-31000A和ASME Y14.41等工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，基于語(yǔ)義的PMI信息與技術(shù)屬性數(shù)據(jù)，使用當(dāng)時(shí)最新版的三維CAD建模軟件（NX11、CatiaV5R26）、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與有效性驗(yàn)證軟件（ITI DEXcenter和CADIQ、Anark 3D PDF）、數(shù)據(jù)與應(yīng)用軟件（Zeiss三坐標(biāo)幾何測(cè)量軟件、增材制造軟件3MF reader），針對(duì)基于平板電腦的可視化產(chǎn)品技術(shù)數(shù)據(jù)包（TPD），測(cè)試了多種中間格式的模型（STEP AP 242、3D PDF、JT）在供應(yīng)鏈間無(wú)損傳遞的可行性，并形成了經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)與最佳實(shí)踐，對(duì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)價(jià)值所需要的前提條件進(jìn)行了總結(jié)：①設(shè)計(jì)要求的創(chuàng)建必須可以支持業(yè)務(wù)需求與數(shù)據(jù)使用價(jià)值；②數(shù)據(jù)質(zhì)量至關(guān)重要，數(shù)據(jù)可信，強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)重用性、提升的效率；③文化的改變，理解產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)的使用，推薦通過(guò)培訓(xùn)與管理命令來(lái)支持PMI信息的創(chuàng)建；④數(shù)據(jù)必須是經(jīng)驗(yàn)證有效的。

每個(gè)CAD軟件在功能實(shí)現(xiàn)上都有所不同，實(shí)現(xiàn)某一建?；騊MI標(biāo)注目標(biāo)的方式也不唯一。在供應(yīng)鏈場(chǎng)景下，組織需要聚焦如何使用這些CAD工具軟件以使得下游用戶可以直接使用這些數(shù)據(jù)。一個(gè)至關(guān)重要條件是將不同格式的模型轉(zhuǎn)換成輕量化的中間格式，以使得3D模型可以真正代替2D圖紙?jiān)谙掠胃鳝h(huán)節(jié)真正發(fā)揮價(jià)值。為此，模型必須至少承載以下內(nèi)容：①標(biāo)題、歷史版本信息以及其它合法的信息；②按特征或元素進(jìn)行管理的GD&T幾何與尺寸公差；③面向使用目的而分層呈現(xiàn)的標(biāo)注與注釋信息；④保存好的視圖或組合視圖以呈現(xiàn)恰當(dāng)?shù)臉?biāo)注信息。

項(xiàng)目組模擬了從原廠商到供應(yīng)商之間的數(shù)據(jù)傳遞，測(cè)試了不同軟件之間的機(jī)器可讀性。雖然其表現(xiàn)并不完美，比如部分PMI數(shù)據(jù)丟失了顯示方向與視窗大小等信息，輸入的PMI信息是圖形化的，缺少了語(yǔ)義信息等等，制約了制造端直接應(yīng)用PMI信息。但其制約因素非常清晰，即MBD的質(zhì)量、對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的遵守程度仍然是主要制約因素。隨著STEP AP 242的語(yǔ)義表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越完善與成熟，基于語(yǔ)義的PMI表達(dá)也會(huì)越來(lái)越完善。

4 航天幾何量研制MBD應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

4.1 現(xiàn)狀

近年來(lái)，航天各廠所陸續(xù)推行了“三維模型下廠”工作，但大部分處于三維模型下的二維標(biāo)注水平。相對(duì)于國(guó)際一流宇航公司，對(duì)MBD應(yīng)用的探索處于起步階段。具體表現(xiàn)如下。

a）在進(jìn)行幾何公差設(shè)計(jì)中，對(duì)面向功能的ISO GPS（或GD&T）幾何公差標(biāo)注標(biāo)準(zhǔn)較為陌生，基于模型的PMI數(shù)據(jù)不具備科學(xué)表達(dá)的基礎(chǔ)。

b）在基于模型的PMI信息標(biāo)注中，對(duì)面向支持多場(chǎng)景協(xié)同的ISO TPD產(chǎn)品技術(shù)數(shù)據(jù)包標(biāo)注標(biāo)準(zhǔn)尚未采納，基于模型的PMI數(shù)據(jù)不便于分場(chǎng)景傳遞。

c）在軟件選型、二次開(kāi)發(fā)等工作中，對(duì)面向數(shù)據(jù)自動(dòng)交互與處理的ISO PDRE產(chǎn)品數(shù)據(jù)表達(dá)與交換標(biāo)準(zhǔn)尚未涉及，下游軟件產(chǎn)品的數(shù)據(jù)交互性尚未考慮。

由于未采用先進(jìn)的幾何特性標(biāo)注標(biāo)準(zhǔn)，模型工程信息的表述在精確程度、完備程度方面存在缺陷，無(wú)法承載各研制環(huán)節(jié)的工程意圖，并未完全發(fā)揮三維模型的優(yōu)勢(shì)。

4.2 展望

展望未來(lái)，迫切需要在以下幾個(gè)方面展開(kāi)工作。

a）研究面向設(shè)計(jì)功能與制造能力的航天產(chǎn)品GPS幾何公差標(biāo)注方法，從產(chǎn)品裝配要實(shí)現(xiàn)的幾何功能要求和制造過(guò)程能力出發(fā)，基于GPS標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)零件產(chǎn)品幾何誤差的允許程度進(jìn)行分解。

b）研究面向制造場(chǎng)景的PMI信息分包方法，基于TPD標(biāo)準(zhǔn)，從產(chǎn)品下游研制環(huán)節(jié)對(duì)PMI信息的需求出發(fā)，按場(chǎng)景對(duì)PMI信息進(jìn)行打包。

c）研究面向數(shù)據(jù)跨組織自動(dòng)交互的PMI數(shù)據(jù)表達(dá)方法，基于PDRE標(biāo)準(zhǔn)，從CAM加工自動(dòng)編程與CAI測(cè)量自動(dòng)編程的需求出發(fā)，對(duì)PMI數(shù)據(jù)在不同軟件中的交互接口進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

d）研究基于MBSE的數(shù)字化研制流程，實(shí)現(xiàn)基于模型的PMI信息在研制流程中的自動(dòng)化交互。

MBD是解決航天產(chǎn)品快速研制的重要基礎(chǔ)技術(shù)，PMI數(shù)據(jù)在研制流程的自動(dòng)化交互是其典型特征；同時(shí)，MBD也是一項(xiàng)非常龐大的系統(tǒng)工程，國(guó)際上對(duì)MBD的實(shí)踐與總結(jié)已有近40年的歷史，并形成了較為成熟的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)體系，可供借鑒?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在引進(jìn)吸收相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，MBD技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)為建設(shè)國(guó)際一流宇航企業(yè)提供有效的技術(shù)支撐。