面向航天產品的全三維產品KBE設計制造模式研究

熊丹丹，楊海成，萬 能

（西北工業大學 現代設計與集成制造技術教育部重點實驗室，西安 710072）

0 引言

KBE以知識驅動工程設計為基本思想，將人工智能(包括知識庫、知識規則、邏輯推理等)與CAX設計系統有機地結合起來，使其應用對象從幾何造型、分析以及制造等延伸擴展到工程設計領域。目前基于KBE的設計可以在三維環境下完成，但通常其設計結果不能直接利用全數字化產品模型，需要手工維護大量3D到2D轉換等不增值環節。目前很多新項目（如Boeing 787、MRJ和C919等）都采用基于模型定義（Model Based Definition,MBD）技術。以全三維的MBD模型為數據源，傳遞給下游的工藝、質量等，是克服二維工藝規劃結果與上游的全三維數字化設計和下游的先進制造工藝及裝備不相適應的現狀的有力工具[1]。

日本豐田汽車在2004年開始研發數字化環境支持下的發動機組件無圖紙制造項目[2]。Verisurf軟件公司的Metrology Software就是基于MBD的制造過程檢驗軟件[3]。波音公司的787項目構建的GCE（全球協同環境）平臺全面應用了MBD技術，其顯著的特點是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。

雖然MBD具備數據集成和共享的天然特性，但在應用過程中還存在一些亟待解決的問題。目前MBD研究面臨問題有[4]：

1）MBD數據容量問題。 基于MBD的制造過程輸出和管理非常多的零件模型和裝配模型數據。

2）數據格式。MBD模型文件涉及設計制造的諸多環節，CAD平臺支持有限。

3）數據轉換。從設計到客戶的數據轉換要求IT建設和相應工具。

4）數據展示。MBD數據廣泛應用的技術之一是其表現方式的設計。

航天產品由于批量小，產品結構變化跟隨型號變更快，所以實現設計制造過程數據的快速準確傳遞就顯得特別重要。

如果基于KBE的設計和基于模型定義兩者能相互結合，基于KBE的設計就有了數據源，其知識驅動過程對數據信息的需求就有了保證。整個設計結果借助基于模型定義有了更好的呈現方式和向下游流轉的載體。目前，現有CAD平臺普遍支持在三維幾何模型上添加尺寸、公差和標注等信息[5,6]，使得基于模型定義技術借助KBE平臺在三維環境下易于呈現、表示和應用。

1 關鍵技術

MBD技術體系是以MBD數據集為核心的應用體系，借助標準管理系統、標準工藝管理系統、CAD系統、工藝設計和分析以及產品數據管理等系統，通過MBD數據集集成產品的設計制造信息，并建立了一套基于MBD數據集的工藝設計分析方法和數據管理辦法，使工程制造能夠在脫離圖紙的環境下，按照設計系統給出的內容組織框架實現對產品生產和檢驗的監督控制。結合MBD技術體系的構架，基于MBD技術的產品設計平臺在已有KBE產品設計平臺基礎上，全三維數字化KBE產品設計制造過程研究涉及如下關鍵技術。

圖 1 全三維產品KBE設計平臺流程

1.1 MBD建模技術

建立適合產品設計制造過程的MBD模型。KBE知識驅動的產品設計過程，強調對設計經驗和設計過程的知識積累和推理，然后將推理結果顯示或輸出為三維模型表示和二維工藝表達。缺少與設計初始模型的交互和融合。此外，用于設計的元模型都已為各類KBE設計平臺以標準件庫、智能組件庫等形式參與設計過程。面對復雜產品設計過程，必須在組件層次的基礎上擴展元模型，建立符合產品協同設計的MBD模型，實現產品信息與知識模型之間的信息轉換。

1.2 支持MBD模型的產品設計平臺

MBD模型作為設計和制造的唯一一致數據源，在產品設計平臺中具有核心的基礎地位。同理，支持MBD模型的KBE產品設計平臺是平臺智能演化的基礎。產品設計平臺不僅兼容MBD模型，而且，需要具備不同應用階段層次輕量級模型的MBD數據集量級轉化技術，以為設計過程和設計結果提供數據傳輸機制和可視化處理機制。

該平臺還需要支持MBD數據同步。產品設計的不同階段對應不同的MBD模型，設計平臺通過三維模型變更反映設計意圖，這種三維模型從設計源的變化或引起相應工藝過程和工裝的連鎖反應。建立設計MBD模型、工裝MBD模型和檢驗MBD模型的同步聯動機制，是實時精確的產品設計平臺的首要任務。

1.3 支持MBD技術的KBE驅動技術

MBD技術在產品設計過程的應用，改變了產品設計平臺依靠外部數據被對推理的過程，使得平臺可以捕捉產品設計不同階段的數據信息，自驅動的參與產品設計過程。現有KBE知識推理過程是將知識單元掛接在具體構件層次，以構件的選擇、計算、推理完成基于知識的設計和推理[11]。這需要改變知識單元與應用模型的高耦合特性，將知識推理過程面向產品的智能設計，從產品設計制造的角度實現知識庫應用。

基于KBE設計和MBD技術相結合的思想，全三維數字化產品KBE設計制造過程平臺，將MBD技術與知識驅動技術相結合，按照CAD行業設計標準，在Intranet/Internet環境下實現MBD技術下的知識驅動工程應用方法，建立產品/工裝設計與制造使用過程的知識驅動的MBD模型演化過程，作為產品工裝設計過程和結果的輸出模型，充分實現了知識數字化應用與企業業務和工程實際的融合，改變了傳統知識服務平臺“知識推理與工程化應用相對脫離”的局面。

2 全三維數字化KBE產品設計制造研究

2.1 全三維KBE設計平臺框架

全三維數字化產品KBE設計平臺，將MBD技術與知識驅動技術相結合，按照CAD行業設計標準，在Intranet/Internet環境下實現MBD技術下的知識驅動的產品設計工程應用方法，通過建立基于MBD的三維數字化產品信息模型，以MBD數據集和MBD模型間交互為核心處理流程，以產品設計使用過程的知識建模、集成和重用過程為手段，實現在三維數字化產品定義基礎上的三維數字化工藝設計和數據應用。

系統以產品MBD模型（即計算模型，MBD模型通過MBD數據處理器完成計算過程）和知識庫交互并參與知識重用過程。以MBD模型實現知識驅動的設計單元與應用對象對接，基于知識驅動的知識推理機制建立面向產品制造過程的知識層次結構知識推理，在對設計知識的推理過程不斷反饋基礎上，實現知識推理結果轉化到產品MBD模型上，實現設計知識的閉環管理以及知識推理和產品信息的無縫對接。

MBD方法下的工藝設計軟件與傳統突出工藝過程的工藝設計軟件相比，集成化、智能化的特點更加突出。在KBE產品設計平臺基礎上，結合航天企業數字化應用現狀，設計如圖2所示的全三維數字化KBE設計軟件總體框架。

圖2 全三維數字化KBE設計軟件總體框架

2.2 MBD建模過程

從CAD系統支撐技術的角度來看，特征造型技術與參數化、變量化技術有機結合，是目前CAD系統建模普遍采用的技術。產品信息模型除了包含實體造型中已有的幾何和拓撲信息，還應含有設計人員的設計經驗、設計意圖、技術要求等其它相關信息。傳統的特征只能表述零件的局部信息，無法使產品的功能設計、工程領域知識等信息與幾何模型關聯起來。將傳統的特征概念進行擴展，從語義層面上使產品信息模型成為產品信息工程智能化服務的功能性對象。基于擴展特征的MBD建模過程如圖3所示。

圖3 基于擴展特征的MBD建模過程

2.3 MBD方法下的知識驅動技術

以MBD模型為基礎的知識驅動技術主要包括知識驅動過程初始數據的準備，知識驅動單元的設計，知識驅動結果的存儲和反饋等。依據上述研究要點，設計如圖4所示的MBD模型下的知識驅動流程框架。

圖4 知識驅動流程

2.4 MBD方法下的產品設計模式

基于MBD的產品設計模式如圖5所示。在這種產品設計模式中，通過CAD系統及相關標注工具完成產品設計對象的MBD數據集設計，并納入PDM系統進行管理。產品設計平臺以該MBD模型為設計對象，綜合知識工程等通過CAE/CAM實現產品分析和設計全過程，并將設計結果通過相關模型轉換器也存儲到MBD對象中。基于MBD的產品數據和工藝、制造數據最終傳遞到生產和檢驗的現場終端。

MBD模型不是單純的三維模型，具有強大的表現力，在MBD工藝設計模式的應用環境中，產品設計人員以三維模型為核心集成完整的產品數字化定義信息， MBD模型包含三維實體模型、標注（包括產品尺寸、工差、工藝處理等）、工程注釋等信息。工藝設計等后續環節添加制造、檢驗等部門的信息，構成更完整的MBD數據集，并且數字化的產品信息表達提高了數據表達和傳遞的準確性。在工藝設計中這種模式要求設計過程兼容MBD數據模型，即對產品信息的獲取來自MBD模型，建立的工藝設計信息也能添加到MBD數據集中。此外，結合工藝信息的復雜性特點，需要建立可視化MBD數據集的工具。

3 結論

MBD技術給KBE推理的設計制造過程提供了唯一性和一致性的數據，提高設計推理過程的效率、保證設計質量。全三維數字化的KBE設計制造集成模式使得設計制造過程在統一的數據表現層實現智能化的應用，是未來設計技術的發展方向，必將對航天制造業有著深遠的影響。

[1] 于勇, 陶劍, 范玉青.大型飛機數字化設計制造技術應用綜述[J].航空制造技術.2009 (11).

[2] Dassault-Systemes, Toyota Motorsport Uses Automotive Industry PLM Solution from Dassault Systemes for 2004 F1 Season, http://www.3ds.com/news-events/press-room/release/ 203/1/, 2004.

[3] http://www.verisurf.com.[OL].

[4] Will Model-based Definition replace engineering drawings throughout the product lifecycle? A global perspective from aerospace industry.Computers in Industry 61 (2010) 497–508.

[5] Clark Briggs Gerald Brown David Siebenaler.Model Based Definition.51st AIAA/ASME/ ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference 18th AIAA 2010-3138.12-15 April 2010, Orlando,Florida.

[6] Siemens PLM Software, http://www.plm.automation.siemens.com.

[7] 黃琛, 范玉順.基于知識的企業CIMS框架及關鍵技術研究[J].計算機集成制造系統-CIMS.2003.9(10): 829-833.

[8] David Olson.Model-Based Definition Speeds Manufacturing.Manufacturing Engineering.Jan 2010: 22.

[9] 馮潼能, 王錚陽, 宋婭.MBD在協同制造技術中的應用[J].航空制造技術.2010 (18).

[10] 羅煒, 童秉樞.基于模型定義的飛機數字化工藝規劃驗證及執行技術[J].航空制造技術.2010 (18).

[11] 陳永當, 楊海成, 莫蓉, 王增強.基于知識的機械產品開發集成技術研究[J].設計與研究.2006 (5): 64-67.