基于模型的定義(MBD)設計資源庫的建設與應用

朱金榮，胡秦贛，廖子祥

(中國直升機設計研究所，江西景德鎮 333001)

0 引言

信息技術標準化［1］是指在開發和利用信息技術的各種實踐活動中，通過制定、修訂、管理、宣貫和實施各種信息技術標準，達到各單位需要的統一局面，以獲得最佳經濟效益和社會效益。信息技術標準化是圍繞信息技術開發、信息產品的研制和信息系統建設、運行與管理而展開的一系列標準化工作。其中，信息技術標準是開展信息化活動的基礎和核心，而標準化信息資源庫的構建與應用作為通用基礎，則是保障信息化綜合效益，提升工程化應用水平的基石。

在某型號數字化研制的最新實踐——應用“基于模型的定義(MBD［2］，Model Based Definition)”技術中，標準化不僅通過制定、宣貫和實施MBD標準，保障型號全新的數字化研制，而且通過升級、改造和拓展各項設計資源庫，實現MBD的單一數據源、規范化和集成化等應用要求。在設計資源庫的建設和應用中，積極貫徹集團公司基礎數據庫的建設標準，在功能結構、接口設計、編碼定義和數據格式等方面符合通用化、統一化要求，使設計資源庫具備與集團對接的能力和在行業內推廣的潛力。

1 MBD設計資源庫的建設

MBD是波音公司在787項目上采用的全新三維研制方式，是產品數字化定義技術的一大飛躍。MBD主要是通過多種信息集成方式，實現以三維實體模型完整表達產品定義信息，即以標準的形式詳細規定三維實體模型中產品尺寸和公差的標注規則、技術和工藝信息的表達方法，在設計、制造和裝配各環節加以貫徹實施。具體應用在某型號的數字化定義中，不僅是取消二維圖樣，對產品模型進行三維標注，將其直接傳遞給制造部門，而且要實現MBD數據定義的規范化、集成化以及MBD數據集的單一數據源管理。

為達到上述目標，標準化部門在制定MBD標準及MBD模板的同時，針對設計資源庫的MBD應用要求，大膽探索，發揮標準化基礎資源庫開放性和擴展性優勢，升級標準件數據庫，改造材料數據庫，拓展開發技術注釋數據庫，以實現MBD數據規范化、集成化定義，保障MBD數據集的完整性和唯一性。

1.1 升級標準件數據庫

在MBD技術應用之前，通過“航空工業三維數字化通用零部件/標準件庫”項目已經建立了基于CATIA V5 CATALOG(一種CAD系統的零件集管理工具)的三維實體工程設計工程應用的數據庫，該標準件庫可為CATIA V5(一種CAD系統)提供無縫連接、直接集成的應用環境。但是隨著MBD技術的應用，僅采用傳統的CATALOG進行標準件三維數模的管理難以滿足某型號使用要求。為了提高設計效率、縮短產品研制周期，需要針對MBD應用要求全面升級標準件數據庫。

升級的標準件數據庫，應用國際通用的標準件分類方法進行數據組織和管理，采用了便于理解和操作的樹形目錄視圖界面，使得操作簡捷而高效。對具體功能進行了全面優化，具體如下:

1)優化了查詢方法，可根據標準號、標準件名稱、材料、性能等級、規格等屬性進行方便靈活的查詢檢索;

2)擴充了標準件圖文管理功能，把標準件的三維模型與詳細規格尺寸信息結合在一起，用戶在設計過程中對標準件進行選型后即可得到該規格的模型文件;

3)補充了型號管理功能，能夠方便快捷地形成型號可選標準件列表，滿足型號標準件管控要求;

4)提高與三維CATIA的集成效率，把客戶端程序加載到CATIA的軟件界面中，設計人員在VPM系統(一種產品數據管理系統)中可快速調用標準件數據庫管理系統中的標準件;

5)完善了管理流程，標準件的數據導入、導出、更改等更簡單、快捷，而且為了保證數據質量，對即將發布供型號使用的標準件數據還有審簽流程;

6)增加了安全環節，對數據庫的每一步操作都有跡可查，可進行實時追蹤，技術狀態清晰;

7)提供了交流平臺，系統管理員和用戶之間、用戶與用戶之間有溝通交流的渠道。

系統功能框架見圖1。

標準件庫的數據項涵蓋了直升機常用的國內、國外標準件，目前入庫的標準件有300多種，規格數量達到13400多項，完全能夠滿足型號的設計需求。標準件模型也采用MBD方式進行定義，符合集團有關標準的要求;此外還通過參數化建模和參數化驅動，生成標準件的所有規格的模型，并能顯示出每一個規格標準件的所有業務屬性:標準件實例名、標準件名稱、標準件標記、標準件級別、標準件類別、標準號、規格、表面處理、集團公司物品碼、重量等，如圖2所示。

圖1 系統功能框架

同時，標準件數據庫管理系統作為唯一的數據源，為VPM系統和緊固件快速設計系統提供數據，并能保持同步更新，保證設計人員調用的標準件處于最新狀態。標準件數據庫管理系統作為獨立的數據源，包含的標準件規格品種齊全，只要接口程序建立，便可根據需要進行批量添加，然后批量導入VPM，簡單快捷。接口架構如圖3所示。

圖2 標準件MBD模型

圖3 接口架構

1.2 改造材料數據庫

材料數據庫是設計類基礎數據庫之一，是構成型號BOM(物料清單)的最基本要素。以往型號零部件的材料選用(包括品種、規格、標準等)及相關信息是在LCA系統(VPM系統早期)中進行管理，與CATIA模型沒有直接關聯。而某型號采用VPM系統進行數據管理，應用MBD技術，原材料數據庫已不適應該型號的應用要求，為此，基于MBD使用環境全面改造材料數據庫。MBD材料數據庫功能框架如圖4所示，其功能簡要如下:

1)型號管理功能，能夠方便快捷地形成型號可選材料列表，滿足型號材料管控要求;

2)材料數據導入及修改功能，型號材料實例表列出所選型號所有零件用材料，管理員可通過導入數據表文件、手動創建和從通用材料數據庫選擇添加的方式添加材料實例記錄，并可直接在實例表中修改實例信息。

3)型號材料實例表提供查詢、導出和統計功能，能根據材料牌號、材料名稱、品種代號、規格尺寸等屬性對材料實例進行查詢，導出功能把表中的內容導出生成數據表文件和CATIA材料庫文件，統計功能對材料實例的數量進行統計。

4)CATIA客戶端提供添加材料功能，系統根據當前零部件所在的型號列出該型號的材料實例表，選擇一個材料實例賦予當前零件，根據MBD材料表達方式自動創建材料節點及其子節點。

1.3 開發技術注釋數據庫

國內，MBD技術應用處于起步階段，沒有成熟的技術注釋管理系統，二維圖樣上的技術注釋沒有管理規范，針對技術注釋描述或要求的更改時有發生。國外，波音公司采用的iPSM系統(集成產品標準管理系統)包含技術注釋庫內容，但沒有對技術注釋進行完全管理，只對表面處理、熱處理、焊接等技術注釋加以控制，設計人員仍可以直接在數模上標注和修改技術注釋。

技術注釋:技術注釋是在產品設計過程中，設計需要對制造以及后續環節提出的產品技術要求，如熱處理、表面防護、標印、引用的工藝規范和技術條件等信息。

根據技術注釋在新型號中應用的業務需求和技術注釋管理需求，以及計算機軟、硬件資源合理利用要求，技術注釋數據庫系統設計成由技術注釋庫管理系統和技術注釋應用系統兩部份組成。系統架構設計如圖5所示。

根據技術注釋的分類，若每一注釋類別均設計成一個子庫，在使用和管理上會造成不便。可按照功能和同類相近原則，對技術注釋進行管理合并，如表面處理注釋和表面涂層注釋合在一個庫管理，密封注釋和隔離注釋合在一個庫管理等，一共分成16個技術注釋子庫模塊，見圖6。

圖4 MBD材料數據庫功能框架

圖5 系統架構

圖6 技術注釋庫模塊

在編碼規則設計上，為今后與集團公司的技術注釋庫整合，達到全行業的統一，直升機所技術注釋編號設計與中航工業集團的技術注釋編號規劃保持一致，對直升機技術注釋數據庫系統技術注釋編碼進行了規劃，注釋編號由對象類別，注釋類別，明細類別和順序號構成。

技術注釋庫的MBD數據表達形式見圖7。

圖7 技術注釋庫的MBD數據表達形式

2 MBD設計資源庫的應用

通過標準件數據庫、材料數據庫和技術注釋庫的整體建設，型號標準化工作從“事后、事中”走到了“事前”，即在型號方案階段，就要將設計的選用范圍進行信息化，以保障各階段設計的順利展開。從中，型號標準化水平也得到了質的提升，優化了標準件的品種和規格，控制了材料的選用范圍并統一了材料數據性能出口，規范統一了技術注釋，從而提高了型號設計質量。

2.1 標準件數據庫的應用

以前，要在VPM系統里添加一個標準件，必須挨個填寫標準件的所有業務屬性，然后將畫好的CATIA模型導入，步驟多，耗時長，而且出錯率高，特別是通過衍生創建的標準件。而使用升級后的標準件數據庫管理系統，通過查詢找到相應規格的標準件，添加型號屬性后，點擊導入VPM系統即可，標準件的所有業務屬性會完全自動映射到VPM系統上顯示出來，再也無需人工編輯，簡單、快捷。

升級后的標準件數據庫管理系統功能完備，數據齊全、規范，涵蓋了直升機常用的國家標準、航空標準、企業標準和國外標準，滿足新型號上關于標準件的MBD技術使用要求。標準件數據庫管理系統是獨立數據源，可同時為多個型號提供標準件，而且系統數據檢索、輸入、輸出和更新等方面的操作簡單、快捷，省時省力，大大提高了工作效率;另外，系統還設置了審簽流程和權限控制，保證了工作質量。

2.2 材料數據庫的應用

以往，設計人員在CATIA設計環境中對一個零件進行賦材時，在VPM材料庫中進行檢索，復制材料標識粘貼到零件材料屬性下，材料與零件模型無關聯關系。但是，應用基于MBD環境的材料數據庫后，設計人員在CATIA零件設計環境中可直接選擇點擊添加主材和添加輔材按鈕加載材料信息。

應用該數據庫效果如下:

1)有效保證了型號設計過程中材料信息的正確、規范引用，實現單一數據源管理。

2)便捷的批量導入/導出功能和靈活的復制編輯功能，以及型號屬性管理的可擴充性，極大地減少了數據庫管理維護人員的工作量。

3)基于WEB的信息查詢功能和CATIA環境的客戶端軟件，方便了設計人員快速搜索所需材料信息，并在CATIA環境中實現了材料數據的快速調用。

4)基于MBD建模對材料的表達要求，實現了結構材料材質的自動賦值、計算以及消耗性材料用量的輸入，實現了最大外廓尺寸節點的創建與賦值，減少了設計工作量和錯誤率，有效提高了零件設計效率和質量。

2.3 技術注釋數據庫的應用

技術注釋庫系統應用效果如下:

1)技術注釋標注的變革

在傳統設計過程中，通常由設計人員標注在圖紙右側。采用MBD技術后，實現無圖設計，過去技術注釋自行添加和修改的情況不存在了，而是從注釋庫提取相關注釋，標注在MBD數模的結構樹上。

2)實現技術注釋業務管理

通過技術注釋庫可以讓標準化部門及相關的技術部門(工藝)提前介入到設計中，規范技術注釋的應用;技術注釋應用子系統使設計人員能通過特定方法選用技術注釋數據庫中的技術注釋，并將其加載到MBD模型指定的附注中，實現CATIA MBD模型技術注釋的高效、規范，大幅提高產品設計的技術注釋質量和工作效率。

3)方便信息化自動處理

系統在總體設計時，充分考慮了后續制造環節的應用，采用統一信息編碼，并提供開放式標準接口，將為制造方工藝分工、工藝設計等信息的自動化處理及設計制造信息集成提供便利。

4)提供優良的客戶操作界面

在整個技術注釋數據庫系統建設過程中，始終秉承“人性化、客戶化”的設計原則，通過在每類子庫中增加幫助文檔和在操作中進行提示，使用戶無需培訓和參考《用戶手冊》，即可順暢使用。

5)形成了可共享的基礎知識庫

技術注釋既反映設計對制造的要求，同時也反映產品設計制造的知識積累。通過技術注釋庫可將設計知識、經驗加以總結、提煉、規范，再結合新材料、新技術、新工藝，通過統一技術注釋編碼，通過不斷地積累和完善，形成企業的智力資產——直升機技術注釋數據庫，以有效規范、管理產品設計過程中的技術注釋信息，并具備向行業推廣的潛力。

3 結束語

信息技術標準化和標準的信息化貫穿預先研究和型號設計、開發、應用、產業化的全過程。通過開展信息技術標準化和標準的信息化，建立以MBD設計資源庫為典型代表的基礎數據庫，提高產品設計和研制效率，確保產品質量。如同標準化在型號研制中的作用一樣，“一代裝備、一代標準”，“型號研制、標準先行”，信息技術飛速發展和快速應用離不開標準的技術支持。只有切實地開展信息技術標準化和標準的信息化才能從根本上提升產品研制能力，獲得巨大的社會和經濟效益。

［1］童友好，李 蕊.關于我國信息技術標準化建設的思考［J］.中國信息導報，2002，10.

［2］馮潼能，王錚陽，宋婭.MBD技術在協同設計制造中的應用［J］.航空制造技術，2010.(18).