mbd技術應用

1、MBD技術在飛機制造中的應用,馮潼能ftn77@sina.com tel：18018519535,一.MBD概論:,工程定義需要清晰、準確、明白和無歧義的表達，中國古代就有用物理實體模型（如：故宮“樣式雷”）和二維繪圖法以及工程范例法（如“營造法式”）等表達工程思想，但缺乏通用、簡單和標準方法，模型制作成本高昂，信息的傳遞和復制也相當困難。從1795年法國科學家蒙日系統(tǒng)的提出畫法幾何原理，1840年發(fā)明藍圖以來，工程師們一直使

2、用標準二維平面工程視圖來描述產品，使其成為第一代通用標準工程語言。令人驚異的是雖然數百年間，人類的工程技術發(fā)生了天翻地覆的變化，但工程設計工具卻沒有發(fā)生根本性的進步，我們使用與哥倫布時代設計航海船時幾乎相同的設計工具來設計航天飛機！受制與紙制二維圖表現力的限制,在從實體形象向抽象的二維視圖表達方式相互轉換浪費了設計師/工程師大量的精力,也不可避免的出現歧義和偏差,也使得繪制和判讀工程圖成為需經嚴格專業(yè)訓練的高度復雜的技術工作。,,,隨著

3、計算機的廣泛應用，CAD技術越來越成為工程表達的標準方式，逐漸成為第二代工程語言。隨著數字化設計、制造技術的發(fā)展，基于特征表述和特征關系的MBD將成為第三代工程語言。 MBD(Model Based Definition):是目前波音推行的新一代產品定義方法。其核心思想是：全三維基于特征的表述方法，基于文檔的過程驅動；融入知識工程、過程模擬和產品標準規(guī)范等。它用一個集成的三維實體模型可完整的表達產品定義信

4、息。即將制造信息和設計信息（三維尺寸標注及各種制造信息和產品結構信息）共同定義到產品的三維數字化模型中，從而可以取消二維工程圖，保證設計數據的唯一性。MBD不是簡單的三維標注+三維模型，它不僅描述設計幾何信息而且定義了三維產品制造信息和非幾何的管理信息（產品結構、PMI、BOM….etc)，使用人員僅需一個數模既可獲取全部信息減少了對其他信息系統(tǒng)的過度依賴，使設計/制造廠/供應商之間的信息交換可不完全依賴信息系統(tǒng)的集成而保持有效連接。,

5、一.MBD概論:,三代設計語言的比較：第一代：手工二維圖。按照畫法幾何原理用標準化的手繪二維圖表達三維實體的定義方法，定義有可能存在歧義。繪制和解讀均需專門訓練，要求工程人員具有良好的空間想象能力（這需要一定的天賦）。圖紙的再利用能力幾乎沒有。定義的質量完全依賴設計人員的個人能力。第二代：計算機輔助繪圖。包括二維和三維數模，其中二維數模僅僅是手工二維圖的計算機化，三維數模極大的改善了設計意圖的解讀效率，但仍然未解決定義不規(guī)范、單源數

6、據問題，解讀人員仍然需要參考多個技術文件方能 完全解讀。仍然完全依賴人工解讀。模型有一定的再利用能力。定義的質量嚴重依賴設計人員的個人能力。第三代：MBD?；谔卣鞯臉藴驶x?？煞奖愕谋挥嬎銠C和人員解讀，使數字化設計/制造一體化成為可能。單源數據，文檔驅動。解讀人員僅需一個文檔便能獲得全部的技術信息。模型的再利用能力強。定義的質量比較依賴設計人員的個人能力。它通過一系列規(guī)范的方法能夠更好的表達設計思想和更強的表現力，同時打破了設計制

7、造的壁壘，其設計、制造特征能夠方便的為計算機和工程人員解讀，而不是傳統(tǒng)的定義方法只能被工程人員解讀。有效的解決設計/制造一體化的問題。,一.MBD概論:,回到起點，設計是什么？如何表達設計？ 設計不是發(fā)明，它是將已有的技術轉化為有用產品的過程。 產品的好壞和特點從設計角度來說是用設計特征（元素)來表達。 現代復雜技術產品的設計如汽車、飛機、高鐵、船舶等，日益成為“范式”設計?；旧鲜亲裱嗤拖嗨频脑O

8、計技術規(guī)范來設計。同類產品的相似度在80%以上。設計實際是遵循技術規(guī)范進行“范式”設計滿足產品基本要求和用少量產品特征表達產品不同的過程。 如何快速準確的進行“范式”設計以及 如何有效的表達設計特征成為設計技術發(fā)展的重要課題。,一.MBD概論:,特征是80年代中、后期為了CAD技術表達產品的完整信息而提出的一個新概念。在產品數據交換標準STEP中這樣來定義形狀特征（以下簡稱為特征）：形狀特征是為了某種應用的目的，而預先構想的模

9、型。在一個產品中，它是整個產品形狀的一部分，是模板的一個體現。 現代大型CAD軟件均支持面向特征的建模.也支持UDF(用戶定義特征),用戶模版,功能模型、知識管理工具等。也只有與MBD實施結合起來才能發(fā)揮這些功能。 MBD的特征不僅僅是幾何特征,而是指真實設計業(yè)務對象,因此更能貼近用戶用途.特征的參數就是業(yè)務 知識和設計目的的具體體現.如果使用恰當的特征分析工具,可有效的收集設計知識和經驗.

10、 MBD技術實際上是基于特征設計的CAD技術、現代信息技術的綜合應用的結果（KNOW HOW).,一.MBD概論:,DESIGN FOR WHAT? DESIGN FOR BULIDING! 設計必須是能夠制造和易于制造的，不能制造的設計都是空談。將設計與制造分離的做法是“中國制造”不能升級為“中國創(chuàng)造”的重要障礙之一。,一.MBD概論:,Overview:MBD + Parts List provides y

11、ou with 100% Design Characteristics needed to build and inspect. A capability is required to assure all design characteristics aremeasured, inspected or verified,一.MBD概論:,典型的波音MBD例子：,一.MBD的概述:,MBD技術的歷程,,二.MBD技術的應用現狀和

12、技術優(yōu)勢分析,1.MBD應用現狀: 波音公司從九十年代初的777型飛機開始，全面采用CATIA軟件進行飛機的結構設計和數字化預裝配，開創(chuàng)了數字化設計的技術體系。90年代中期開展的737-NX項目中波音先后實施了數字化定義、并行工程和PLM應用。建立和實施了飛機構型定義與控制/制造資源管理（DCAC/MRM）應用，使數字化設計和應用技術達到了一個新的高度。在DCAC/MRM技術體系中就已經提出了MBD的思想，由于在技術轉型期間，

13、波音內部的某些生產流程及大量的供應商的設計、制造和檢驗手段還未達到MBD技術體系的要求，因此，仍保留部分二維圖為制造依據，承包商可選擇使用三維或二維圖紙等。 DCAC/MRM的成功應用使飛機的研制周期縮短50%，更改減少一半，成本降低25%，較大的提高了用戶滿意度，但是波音并沒有停止先進技術應用的腳步。決定將787項目的數字化環(huán)境由DCAC/MRM改為全新的，適合787研制需要的GCE（全球協同環(huán)境）平臺。GCE平臺繼

14、承了DCAC/MRM的模塊化思想，其最重要的進步是全面應用了MBD技術，基于網絡建立了關聯的單一數據源的核心流程和系統(tǒng)框架，實現了飛機研制的全生命周期的管理。這一體系顯著的特點是在三維數據集中定義了所有的產品信息，完全取代了二維工程圖紙的作用。使得MBD技術體系無論從產品定義到數據組織管理控制上都有質的飛躍，目前在787項目的帶動下，波音公司及其主要承包商正向MBD制造技術體系過渡之中。,目前世界上包括我國航空工業(yè)在內的大部分型號項目中

15、，仍處于以二維圖為中心，三維模型為輔的管理方式，這種方式造成數據傳遞過程中管理復雜，效率低下，成本高昂，信息利用率低?？湛驮贏380，A400M，BOEING在737-NX為代表的飛機研制中普遍采用了三維模型為主，簡化二維圖為輔的管理方式。直到ASME Y14.41和BDS-600系列標準制定后，波音才在787項目中全面推行獨立三維模型定義的MBD方式。 目前在我國航空工業(yè)新研項目中幾乎全部進行了MBD技術的研究和應用，

16、有些項目從立項開始就將MBD技術作為重點突破的關鍵技術，獨立三維模型定義的MBD方式在某些型號中得到了試用和推廣，取得了初步的應用經驗，也暴露出許多問題。 MBD將設計、制造、檢驗、管理信息溶為一體是目前被航空業(yè)普遍認同的解決數字化設計、制造的先進技術是數字化制造的關鍵技術之一。MBD是產品定義方式的一次革命，它以更為豐富強大的表現力和易于理解定義方式的極大的提高了產品定義的設計質量和利用效率。使設計、制造融為一體，是未

17、來設計技術的發(fā)展方向，必將對航空制造業(yè)有著深遠的影響。,二.MBD技術的現狀和技術優(yōu)勢分析,,波音MBD應用分析,,,,,,,,,,,,波音MBD模型的分類:?MDF：Master Datum File，主基準面文件；?MDS：Master Dimension Suface，主尺寸表面模型；?ICM：Interface Control Model，界面控制模型；?RLM：Relational Layout Model，關系分配

18、模型等；?ARM：Assembly Requirements Model，裝配要求模型；?CARM：Component Assembly Requirements Model，組件裝配要求模型；?IRM：Installation requirements models，安裝要求模型；?IARM：Interface Assembly Requirements Model，界面裝配要求模型；?零件模型：CATPart文件的零件詳細

19、模型。,,,INTRODUCTION TO THE 787 PROGRAM,FAMILIARIZATION,Here’s a discreet assemblyFor FAI, You will need:1. ARM (Assembly Requirements Model) 2. Detail Parts3. Design Characteristics4. EBOM (engineering)5. MBOM (man

20、ufacturing),,,INTRODUCTION TO THE 787 PROGRAM,Boeing is also going to make available the correct “Configured” model data to Tier 1 partners through a mechanism called “Split Bridge” inside the to allow Tier 1 par

21、tners the same level of data needed to manufacture parts and assemblies for any particular tail number.,FAMILIARIZATION,,An Assembly Requirements Model (ARM) is simply a 3D Parts List.,,,,,,,Reported by an Aberdeen Group

22、 study:? When manufacturers use 3D models, they build only half the number of prototypes（模具減少一半）? 3D tools reduce the development cycle by 30-50%（研發(fā)周期減少30-50%）? Standard parts libraries provide significant reductio

23、n in component assembly time (design time),二.MBD技術的應用現狀和技術優(yōu)勢分析,? 3D models reduce non-conformance issues by 30-40%（減少30-40%的歧義性錯誤）? 40% of non-conformances are due to 2D drawing inaccuracies and ambiguities（40%的歧義性

24、錯誤源于2D圖的不準確和表達不清）? 85% of companies still use 2D drawings in their operations or with their suppliers,二.MBD技術的應用現狀和技術優(yōu)勢分析,2. MBD的特點和技術優(yōu)勢分析： 基于特征的建模方法： 不同與其他工程定義方法只關注幾何定義，MBD是完全基于特征定義的，MBD不是簡單的理解為三維實體+三維標注而是特征的定義和

25、控制，這是它與其他工程定義方法本質的區(qū)別，使它有更強的表現力，更真實的表現現實工程特征，更好、更準確、更容易的表達設計意圖。也使得工程信息的抽取和知識的挖掘變的更為容易。數字化信息集成： 在MBD中，數據集以三維模型為核心集成了完整的產品數字化定義信息，MBD數據集內容包含設計、工藝、制造、檢驗等各部門的信息，形成單數據源，避免多源數據的信息不一致，多余等問題更適合信息的傳遞和應用，打破長期存在設計/制造/服務的信息壁壘。

26、,二.MBD技術的應用現狀和技術優(yōu)勢分析,2. MBD的特點和技術優(yōu)勢分析： 知識工程的融合 長期以來知識工程僅停留在理論和研究階段，未能有效的在企業(yè)實際應用并體現價值，其重要的原因之一是缺乏有效的知識表述工具并將其融入到設計、生產環(huán)節(jié)中?；跇藴实奶卣鞅硎龅腗BD技術可有效的描述設計、制造等工程特征，并將蘊涵與其中的知識通過標準的數字化的方式表達。 MBD可融入工程知識、過程模擬 和產品標準規(guī)范等將抽象、分散

27、的知識更加形象和集中，使得設計、制造的過程演變?yōu)橹R積累和技術創(chuàng)新的過程，成為企業(yè)工程知識的最佳載體。 文檔驅動，信息集成統(tǒng)一，簡化信息的傳遞和使用 MBD是基于文檔驅動的集設計、制造、檢驗等關聯過程為一體工作方式。這種方式極大簡化了數據傳遞的復雜性，避免了對信息管理系統(tǒng)的過度依賴，一般情況下只需BOM表+MBD數模即可完成工作。非常適合工程環(huán)境下的使用。使其在任何應用環(huán)境都可有效使用。,二.MBD技術的應用現狀和技術優(yōu)

28、勢分析,三.實施MBD的困難與挑戰(zhàn),MBD的實施是一項長期、復雜而有艱巨的工作。不僅僅要解決技術問題，更主要的是要有效解決由此帶來的對企業(yè)文化、管理體制、生產方式的沖突。波音公司早在上世紀90年代中期就已提出MBD的概念，由于在技術轉型期間，波音內部的某些生產流程及大量的供應商的設計、制造和檢驗手段還未達到MBD技術體系的要求，因此，為保證生產的穩(wěn)定和平穩(wěn)過渡，在此期間波音推行MBD技術并沒有進行激進的改革，而是采取了許多“容忍”措施，

29、如：仍保留部分二維圖為制造依據，承包商可選擇使用三維或二維圖紙等。目的是循序漸進而又堅定不移的推行MBD技術。 這些問題不僅僅是技術問題或管理問題而是復雜的綜合問題。解決它是一個漫長和艱苦的過程，需要做非常多涉及眾多技術和學科的集成，需要做艱難而又細致的工作。MBD的研究和應用工作目前仍然處于“初級階段”，很難短期內解決這些問題，如同任何新事物一樣，發(fā)展都是充滿曲折的。 MBD技術是場革命，而實施它卻可能是緩慢

30、的進化。,三.實施MBD的困難與挑戰(zhàn),MBD實施中的若干問題探討：1. 產品/工藝設計協同 MBD的重要特點之一是設計信息和工藝信息的融合和一體化，它將PMI（Product Manufacturing Information）及非幾何信息（包括產品結構、技術標準、工藝、檢驗、管理等信息）融為一體。使技術人員以清晰明白的方式使用MBD數模獲取需要的信息。這就不可避免的改變過去產品設計和工藝設計分離的局面。波音公司目前已實

31、現LIPT（生命周期集成產品團隊）來設計產品從功能到檢驗方法到維護的全過程。但在我國航空工業(yè)普遍存在著廠所分離的情況，設計、工藝分屬不同的單位，交流和溝通存在著天然的障礙。而且目前航空制造廠的制造流程中也沒有明顯的工藝設計過程，在協同設計中普遍存在工藝設計目的不明，業(yè)務范圍劃分不清，也無相應的標準可依。設計員中也大量存在著設計經驗欠缺，缺乏起碼的工藝知識，與工藝技術人員交流困難，而且目前設計權控制過嚴，許多可以放權給工藝決定的特征也只有

32、設計才能決定，造成很大的不便。 這些障礙都是目前國內航空企業(yè)普遍存在的，解決它們不是一朝一夕的事，也不是某個部門和專業(yè)的事。在目前MBD實施實踐中也有一些好的辦法：比如臨時抽調工藝代表參與聯合設計，舉辦設計-工藝雙向技術交流活動、廠所共同制定標準、設計部門向制造廠開放部分PDM功能等。這些措施雖然能起到相當的作用，暫時緩解一些矛盾但畢竟是治標不治本，也不是長效機制，難以從根本上解決問題。隨著國家提出科學研究恢復“舉國體

33、制”和中航工業(yè)整合步伐的加速，相信這些問題會逐步得到解決。,三.實施MBD的困難與挑戰(zhàn),MBD實施中的若干問題探討：2. MBD標準制定不統(tǒng)一 目前，MBD標準制定不僅沒有上升到國家高度，連航標也沒有統(tǒng)一的計劃。各機型項目自行制定各自的MBD標準，對下游制造廠的使用和數據提取程序的開發(fā)造成很大的困難。3.工廠現場使用問題 MBD數據的特性和數據使用方法必然對現行的生產體制形成巨大的沖擊。由于MBD使用數字量傳遞，

34、對于使用數字化設備的生產作業(yè)的如數控加工、數控測量等當然沒有問題，會大幅度提高生產效率。對于多工序使用非數字化設備的裝配、普通機加、鈑金、特種加工作業(yè)，如何在MBD環(huán)境下形成指導零件制造過程的工藝規(guī)劃和工藝規(guī)程仍然是需要解決的重要問題。 由于習慣于以往的由三維模型表示詳細幾何形狀信息，由二維工程圖表示制造工藝信息的工作方式，采用全三維數字化無圖設計，將給中航工業(yè)企業(yè)的工藝、檢驗，零件、裝配等各個部門帶來全新的理念與工作模式

35、。在現有條件下，實施MBD將面臨諸多問題，以下是筆者實施MBD調研時收集的一些典型問題：大型裝配件，層層覆蓋，在整個三維裝配模型中查找困難；屏幕顯示三維裝配模型時，整體顯示太小，放大顯示只能看清局部細節(jié)，對于需要了解三維裝配模型整體形狀的人來說，瀏覽較困難。與現行生產，檢驗制度有很大的沖突。比如有些廠工人生產時必須已設計圖紙為依據，實施MBD后大量取消二維圖，生產無依據。企業(yè)能夠應用MBD技術的工程師、工人嚴重缺乏。由于MBD包

36、含的信息遠多于傳統(tǒng)圖紙，而具體的工作卻只需要確定的局部信息，缺乏有效的數據提取工具和技巧將有可能比原來更低的效率來完成工作。,MBD實施中的若干問題探討,4.MBD與管理信息系統(tǒng)的關系?如何解決數據冗余? MBD與PDM系統(tǒng)的管理信息劃分與映射? 建議:MBD偏重與技術信息,PDM偏重與管理信息,良好的信息規(guī)劃才能保證應用的成功.MBD中的管理信息盡量鏈接信息系統(tǒng),而不要直接寫入,會造成連鎖更改.

37、 MBD單源數據只是針對現場使用技術數據而言,并不是在整個設計\工藝\管理過程中,在這個過程中不可避免的需要與各種信息系統(tǒng)交互.按波音的說法:工程師只需要MBD+BOM即可.這里BOM指的是技術數據(數模)的狀態(tài)和有效性控制信息.MBD有可能簡化PDM的功能.也可能與現有的”強”PDM(介入設計/工藝/制造)沖突.劃分功能界限,可能不止是技術問題,更需要處理的藝術.未來隨著技術的發(fā)展,PDM/ERP 走向面向特征的管理,(DS V

38、6).那么工作方式可能變?yōu)?MBD是面向特征管理的信息系統(tǒng)的一個工作集.,MBD實施中的若干問題探討,5.MBD應用的難題: 信息的的有效跟蹤: MBD的使用過程是一個內容不斷擴充完善\分解\派生的過程,如:工藝數模/檢驗數模\測量點……. 如何在使用MBD中保持相關信息的可跟蹤性也是需要重點考慮的問題.KUTDKUTD – Keep Up To Date. This is the pr

39、ocess to assure that only the latest dataset released will be used to create derivative media. Derivative media will be controlled and updated to reflect the latest change.,MBD實施中的若干問題探討,6.MBD應用的難題:企業(yè)上下游CAD格式和信息統(tǒng)一問題。某

40、航空發(fā)動機公司系統(tǒng)集成時收到5種軟件12個版本的數模。如何面對94%的企業(yè)仍然使用二維圖進行設計和生產。7.產品周期越來越長（B-52生命周期長達94年），軟件版本更新越來越快，如何解決兼容性問題？,四.MBD實施的一般方法,1.MBD標準體系的建立： 由于傳統(tǒng)的工程定義標準很不適合MBD在生產中的應用，因此必須建立起一套適合MBD應用的全新標準體系。目前各型號實施MBD均首先建立MBD標準體系。一飛院、成飛、商飛由于

41、均有波音轉包經驗和均使用CATIA作為CAD工具，因此MBD設計標準均參考波音BDS-600系列，比較相似。但工藝、檢驗標準均在探索中，差異較大也不完善。2.CATIA 應用環(huán)境建設： 一般包括IPSM、標準件庫（形式取決與是否實例化）、材料庫、模板等。,四.MBD實施的一般方法,3. 特征提取工具。由于下游的工藝設計、檢驗質保等需要提取相關的特征來完成相關的工作，手工提取提取費時費力且難以保證質量。因此需要高效的、多種多樣特

42、征提取工具來滿足需要。這也是MBD實施過程中開發(fā)量最大的部分，是MBD中看也中用的重要環(huán)節(jié)。BOEING就設有專門的研發(fā)團隊進行CATIA二次開發(fā)來適合本公司的應用需求。4.知識工程與用戶自定義特征的應用 在設計方法規(guī)范和成熟的企業(yè)可進一步推行基于特征的知識工程應用，如設計規(guī)則庫、工藝規(guī)則庫等規(guī)范和優(yōu)化設計。對于設計技術成熟零部件還可定制UDF（用戶自定義特征）進行創(chuàng)成式設計。,五.MBD技術應用展望,產業(yè)的創(chuàng)新與革命本質上源

43、于技術的創(chuàng)新，而且往往由少數關鍵技術的發(fā)明應用而引發(fā)。正如蒸汽機的發(fā)明導致工業(yè)革命，來復線和自動武器的發(fā)明徹底改變了戰(zhàn)爭的方式方法一樣，MBD技術也將深刻的改變產品設計的方式和方法。MBD的技術標準體系建立 MBD技術從來就不是一個獨立和專有的技術，它是CAD技術、特征建模技術、信息管理等技術綜合應用的產物。未來MBD的技術標準體系將從項目標準、行業(yè)標準向國家標準過渡，成為取代現行基于幾何定義制圖標準的設計標準體系。設

44、計真正成為設計藝術，而不是設計技術 長期以來設計師將大量的精力和時間花在制圖等與設計無關的工作。MBD基于特征的設計方式更直接表現真實世界，使設計師以更強大的表現力更便捷的方式抓住轉瞬既逝的靈感。,五.MBD技術應用展望,3. PDM/PLM與CAD/CAM的結合也越來越緊密，信息管理系統(tǒng)逐步實現從文檔級管理過渡到特征級管理。 MBD基于特征控制的建模特點使產品的精細化管理成為可能，這也促使PD

45、M/PLM與CAD/CAM的結合也越來越緊密，并使這些信息系統(tǒng)由面向文檔的管理轉變到面向特征的管理。 MBD技術使設計/制造/質保融為一體也使得ERP、MES、質保等走向融合，打破PDM/PLM和ERP的業(yè)務界限，成為統(tǒng)一于企業(yè)信息總線的企業(yè)綜合信息系統(tǒng)。4.知識工程成為可能 長期以來知識工程應用一直處于研究多應用少的狀況，究其原因是缺乏能夠融入企業(yè)研發(fā)、制造環(huán)境中的知識表達和收集工具。MBD基于特征控