MBD技术应用.ppt

MBD技术在飞机制造中的应用 冯潼能ftn77 tel一 MBD概论 工程定义需要清晰 准确 明白和无歧义的表达 中国古代就有用物理实体模型 如 故宫 样式雷 和二维绘图法以及工程范例法 如 营造法式 等表达工程思想 但缺乏通用 简单和标准方法 模型制作成本高昂 信息的传递和复制也相当困难 从1795年法国科学家蒙日系统的提出画法几何原理 1840年发明蓝图以来 工程师们一直使用标准二维平面工程视图来描述产品 使其成为第一代通用标准工程语言 令人惊异的是虽然数百年间 人类的工程技术发生了天翻地覆的变化 但工程设计工具却没有发生根本性的进步 我们使用与哥伦布时代设计航海船时几乎相同的设计工具来设计航天飞机 受制与纸制二维图表现力的限制 在从实体形象向抽象的二维视图表达方式相互转换浪费了设计师 工程师大量的精力 也不可避免的出现歧义和偏差 也使得绘制和判读工程图成为需经严格专业训练的高度复杂的技术工作 随着计算机的广泛应用 CAD技术越来越成为工程表达的标准方式 逐渐成为第二代工程语言 随着数字化设计 制造技术的发展 基于特征表述和特征关系的MBD将成为第三代工程语言 MBD ModelBasedDefinition 是目前波音推行的新一代产品定义方法 其核心思想是 全三维基于特征的表述方法 基于文档的过程驱动 融入知识工程 过程模拟和产品标准规范等 它用一个集成的三维实体模型可完整的表达产品定义信息 即将制造信息和设计信息 三维尺寸标注及各种制造信息和产品结构信息 共同定义到产品的三维数字化模型中 从而可以取消二维工程图 保证设计数据的唯一性 MBD不是简单的三维标注 三维模型 它不仅描述设计几何信息而且定义了三维产品制造信息和非几何的管理信息 产品结构 PMI BOM etc 使用人员仅需一个数模既可获取全部信息减少了对其他信息系统的过度依赖 使设计 制造厂 供应商之间的信息交换可不完全依赖信息系统的集成而保持有效连接 一 MBD概论 三代设计语言的比较 第一代 手工二维图 按照画法几何原理用标准化的手绘二维图表达三维实体的定义方法 定义有可能存在歧义 绘制和解读均需专门训练 要求工程人员具有良好的空间想象能力 这需要一定的天赋 图纸的再利用能力几乎没有 定义的质量完全依赖设计人员的个人能力 第二代 计算机辅助绘图 包括二维和三维数模 其中二维数模仅仅是手工二维图的计算机化 三维数模极大的改善了设计意图的解读效率 但仍然未解决定义不规范 单源数据问题 解读人员仍然需要参考多个技术文件方能完全解读 仍然完全依赖人工解读 模型有一定的再利用能力 定义的质量严重依赖设计人员的个人能力 第三代 MBD 基于特征的标准化定义 可方便的被计算机和人员解读 使数字化设计 制造一体化成为可能 单源数据 文档驱动 解读人员仅需一个文档便能获得全部的技术信息 模型的再利用能力强 定义的质量比较依赖设计人员的个人能力 它通过一系列规范的方法能够更好的表达设计思想和更强的表现力 同时打破了设计制造的壁垒 其设计 制造特征能够方便的为计算机和工程人员解读 而不是传统的定义方法只能被工程人员解读 有效的解决设计 制造一体化的问题 一 MBD概论 回到起点 设计是什么 如何表达设计 设计不是发明 它是将已有的技术转化为有用产品的过程 产品的好坏和特点从设计角度来说是用设计特征 元素 来表达 现代复杂技术产品的设计如汽车 飞机 高铁 船舶等 日益成为 范式 设计 基本上是遵循相同和相似的设计技术规范来设计 同类产品的相似度在80 以上 设计实际是遵循技术规范进行 范式 设计满足产品基本要求和用少量产品特征表达产品不同的过程 如何快速准确的进行 范式 设计以及如何有效的表达设计特征成为设计技术发展的重要课题 一 MBD概论 特征是80年代中 后期为了CAD技术表达产品的完整信息而提出的一个新概念 在产品数据交换标准STEP中这样来定义形状特征 以下简称为特征 形状特征是为了某种应用的目的 而预先构想的模型 在一个产品中 它是整个产品形状的一部分 是模板的一个体现 现代大型CAD软件均支持面向特征的建模 也支持UDF 用户定义特征 用户模版 功能模型 知识管理工具等 也只有与MBD实施结合起来才能发挥这些功能 MBD的特征不仅仅是几何特征 而是指真实设计业务对象 因此更能贴近用户用途 特征的参数就是业务知识和设计目的的具体体现 如果使用恰当的特征分析工具 可有效的收集设计知识和经验 MBD技术实际上是基于特征设计的CAD技术 现代信息技术的综合应用的结果 KNOWHOW 一 MBD概论 DESIGNFORWHAT DESIGNFORBULIDING 设计必须是能够制造和易于制造的 不能制造的设计都是空谈 将设计与制造分离的做法是 中国制造 不能升级为 中国创造 的重要障碍之一 一 MBD概论 Overview MBD PartsListprovidesyouwith100 DesignCharacteristicsneededtobuildandinspect Acapabilityisrequiredtoassurealldesigncharacteristicsaremeasured inspectedorverified 一 MBD概论 典型的波音MBD例子 一 MBD的概述 MBD技术的历程 二 MBD技术的应用现状和技术优势分析 1 MBD应用现状 波音公司从九十年代初的777型飞机开始 全面采用CATIA软件进行飞机的结构设计和数字化预装配 开创了数字化设计的技术体系 90年代中期开展的737 NX项目中波音先后实施了数字化定义 并行工程和PLM应用 建立和实施了飞机构型定义与控制 制造资源管理 DCAC MRM 应用 使数字化设计和应用技术达到了一个新的高度 在DCAC MRM技术体系中就已经提出了MBD的思想 由于在技术转型期间 波音内部的某些生产流程及大量的供应商的设计 制造和检验手段还未达到MBD技术体系的要求 因此 仍保留部分二维图为制造依据 承包商可选择使用三维或二维图纸等 DCAC MRM的成功应用使飞机的研制周期缩短50 更改减少一半 成本降低25 较大的提高了用户满意度 但是波音并没有停止先进技术应用的脚步 决定将787项目的数字化环境由DCAC MRM改为全新的 适合787研制需要的GCE 全球协同环境 平台 GCE平台继承了DCAC MRM的模块化思想 其最重要的进步是全面应用了MBD技术 基于网络建立了关联的单一数据源的核心流程和系统框架 实现了飞机研制的全生命周期的管理 这一体系显著的特点是在三维数据集中定义了所有的产品信息 完全取代了二维工程图纸的作用 使得MBD技术体系无论从产品定义到数据组织管理控制上都有质的飞跃 目前在787项目的带动下 波音公司及其主要承包商正向MBD制造技术体系过渡之中 目前世界上包括我国航空工业在内的大部分型号项目中 仍处于以二维图为中心 三维模型为辅的管理方式 这种方式造成数据传递过程中管理复杂 效率低下 成本高昂 信息利用率低 空客在A380 A400M BOEING在737 NX为代表的飞机研制中普遍采用了三维模型为主 简化二维图为辅的管理方式 直到ASMEY14 41和BDS 600系列标准制定后 波音才在787项目中全面推行独立三维模型定义的MBD方式 目前在我国航空工业新研项目中几乎全部进行了MBD技术的研究和应用 有些项目从立项开始就将MBD技术作为重点突破的关键技术 独立三维模型定义的MBD方式在某些型号中得到了试用和推广 取得了初步的应用经验 也暴露出许多问题 MBD将设计 制造 检验 管理信息溶为一体是目前被航空业普遍认同的解决数字化设计 制造的先进技术是数字化制造的关键技术之一 MBD是产品定义方式的一次革命 它以更为丰富强大的表现力和易于理解定义方式的极大的提高了产品定义的设计质量和利用效率 使设计 制造融为一体 是未来设计技术的发展方向 必将对航空制造业有着深远的影响 二 MBD技术的现状和技术优势分析 波音MBD应用分析 波音MBD模型的分类 MDF MasterDatumFile 主基准面文件 MDS MasterDimensionSuface 主尺寸表面模型 ICM InterfaceControlModel 界面控制模型 RLM RelationalLayoutModel 关系分配模型等 ARM AssemblyRequirementsModel 装配要求模型 CARM ComponentAssemblyRequirementsModel 组件装配要求模型 IRM Installationrequirementsmodels 安装要求模型 IARM InterfaceAssemblyRequirementsModel 界面装配要求模型 零件模型 CATPart文件的零件详细模型 INTRODUCTIONTOTHE787PROGRAM FAMILIARIZATION Here sadiscreetassemblyForFAI Youwillneed 1 ARM AssemblyRequirementsModel 2 DetailParts3 DesignCharacteristics4 EBOM engineering 5 MBOM manufacturing INTRODUCTIONTOTHE787PROGRAM Boeingisalsogoingtomakeavailablethecorrect Configured modeldatatoTier1partnersthroughamechanismcalled SplitBridge insidethetoallowTier1partnersthesamelevelofdataneededtomanufacturepartsandassembliesforanyparticulartailnumber FAMILIARIZATION AnAssemblyRequirementsModel ARM issimplya3DPartsList ReportedbyanAberdeenGroupstudy Whenmanufacturersuse3Dmodels theybuildonlyhalfthenumberofprototypes 模具减少一半 3Dtoolsreducethedevelopmentcycleby30 50 研发周期减少30 50 Standardpartslibrariesprovidesignificantreductionincomponentassemblytime designtime 二 MBD技术的应用现状和技术优势分析 3Dmodelsreducenon conformanceissuesby30 40 减少30 40 的歧义性错误 40 ofnon conformancesaredueto2Ddrawinginaccuraciesandambiguities 40 的歧义性错误源于2D图的不准确和表达不清 85 ofcompaniesstilluse2Ddrawingsintheiroperationsorwiththeirsuppliers 二 MBD技术的应用现状和技术优势分析 2 MBD的特点和技术优势分析 基于特征的建模方法 不同与其他工程定义方法只关注几何定义 MBD是完全基于特征定义的 MBD不是简单的理解为三维实体 三维标注而是特征的定义和控制 这是它与其他工程定义方法本质的区别 使它有更强的表现力 更真实的表现现实工程特征 更好 更准确 更容易的表达设计意图 也使得工程信息的抽取和知识的挖掘变的更为容易 数字化信息集成 在MBD中 数据集以三维模型为核心集成了完整的产品数字化定义信息 MBD数据集内容包含设计 工艺 制造 检验等各部门的信息 形成单数据源 避免多源数据的信息不一致 多余等问题更适合信息的传递和应用 打破长期存在设计 制造 服务的信息壁垒 二 MBD技术的应用现状和技术优势分析 2 MBD的特点和技术优势分析 知识工程的融合长期以来知识工程仅停留在理论和研究阶段 未能有效的在企业实际应用并体现价值 其重要的原因之一是缺乏有效的知识表述工具并将其融入到设计 生产环节中 基于标准的特征表述的MBD技术可有效的描述设计 制造等工程特征 并将蕴涵与其中的知识通过标准的数字化的方式表达 MBD可融入工程知识 过程模拟和产品标准规范等将抽象 分散的知识更加形象和集中 使得设计 制造的过程演变为知识积累和技术创新的过程 成为企业工程知识的最佳载体 文档驱动 信息集成统一 简化信息的传递和使用MBD是基于文档驱动的集设计 制造 检验等关联过程为一体工作方式 这种方式极大简化了数据传递的复杂性 避免了对信息管理系统的过度依赖 一般情况下只需BOM表 MBD数模即可完成工作 非常适合工程环境下的使用 使其在任何应用环境都可有效使用 二 MBD技术的应用现状和技术优势分析 三 实施MBD的困难与挑战 MBD的实施是一项长期 复杂而有艰巨的工作 不仅仅要解决技术问题 更主要的是要有效解决由此带来的对企业文化 管理体制 生产方式的冲突 波音公司早在上世纪90年代中期就已提出MBD的概念 由于在技术转型期间 波音内部的某些生产流程及大量的供应商的设计 制造和检验手段还未达到MBD技术体系的要求 因此 为保证生产的稳定和平稳过渡 在此期间波音推行MBD技术并没有进行激进的改革 而是采取了许多 容忍 措施 如 仍保留部分二维图为制造依据 承包商可选择使用三维或二维图纸等 目的是循序渐进而又坚定不移的推行MBD技术 这些问题不仅仅是技术问题或管理问题而是复杂的综合问题 解决它是一个漫长和艰苦的过程 需要做非常多涉及众多技术和学科的集成 需要做艰难而又细致的工作 MBD的研究和应用工作目前仍然处于 初级阶段 很难短期内解决这些问题 如同任何新事物一样 发展都是充满曲折的 MBD技术是场革命 而实施它却可能是缓慢的进化 三 实施MBD的困难与挑战 MBD实施中的若干问题探讨 1 产品 工艺设计协同MBD的重要特点之一是设计信息和工艺信息的融合和一体化 它将PMI ProductManufacturingInformation 及非几何信息 包括产品结构 技术标准 工艺 检验 管理等信息 融为一体 使技术人员以清晰明白的方式使用MBD数模获取需要的信息 这就不可避免的改变过去产品设计和工艺设计分离的局面 波音公司目前已实现LIPT 生命周期集成产品团队 来设计产品从功能到检验方法到维护的全过程 但在我国航空工业普遍存在着厂所分离的情况 设计 工艺分属不同的单位 交流和沟通存在着天然的障碍 而且目前航空制造厂的制造流程中也没有明显的工艺设计过程 在协同设计中普遍存在工艺设计目的不明 业务范围划分不清 也无相应的标准可依 设计员中也大量存在着设计经验欠缺 缺乏起码的工艺知识 与工艺技术人员交流困难 而且目前设计权控制过严 许多可以放权给工艺决定的特征也只有设计才能决定 造成很大的不便 这些障碍都是目前国内航空企业普遍存在的 解决它们不是一朝一夕的事 也不是某个部门和专业的事 在目前MBD实施实践中也有一些好的办法 比如临时抽调工艺代表参与联合设计 举办设计 工艺双向技术交流活动 厂所共同制定标准 设计部门向制造厂开放部分PDM功能等 这些措施虽然能起到相当的作用 暂时缓解一些矛盾但毕竟是治标不治本 也不是长效机制 难以从根本上解决问题 随着国家提出科学研究恢复 举国体制 和中航工业整合步伐的加速 相信这些问题会逐步得到解决 三 实施MBD的困难与挑战 MBD实施中的若干问题探讨 2 MBD标准制定不统一目前 MBD标准制定不仅没有上升到国家高度 连航标也没有统一的计划 各机型项目自行制定各自的MBD标准 对下游制造厂的使用和数据提取程序的开发造成很大的困难 3 工厂现场使用问题MBD数据的特性和数据使用方法必然对现行的生产体制形成巨大的冲击 由于MBD使用数字量传递 对于使用数字化设备的生产作业的如数控加工 数控测量等当然没有问题 会大幅度提高生产效率 对于多工序使用非数字化设备的装配 普通机加 钣金 特种加工作业 如何在MBD环境下形成指导零件制造过程的工艺规划和工艺规程仍然是需要解决的重要问题 由于习惯于以往的由三维模型表示详细几何形状信息 由二维工程图表示制造工艺信息的工作方式 采用全三维数字化无图设计 将给中航工业企业的工艺 检验 零件 装配等各个部门带来全新的理念与工作模式 在现有条件下 实施MBD将面临诸多问题 以下是笔者实施MBD调研时收集的一些典型问题 大型装配件 层层覆盖 在整个三维装配模型中查找困难 屏幕显示三维装配模型时 整体显示太小 放大显示只能看清局部细节 对于需要了解三维装配模型整体形状的人来说 浏览较困难 与现行生产 检验制度有很大的冲突 比如有些厂工人生产时必须已设计图纸为依据 实施MBD后大量取消二维图 生产无依据 企业能够应用MBD技术的工程师 工人严重缺乏 由于MBD包含的信息远多于传统图纸 而具体的工作却只需要确定的局部信息 缺乏有效的数据提取工具和技巧将有可能比原来更低的效率来完成工作 MBD实施中的若干问题探讨 4 MBD与管理信息系统的关系 如何解决数据冗余 MBD与PDM系统的管理信息划分与映射 建议 MBD偏重与技术信息 PDM偏重与管理信息 良好的信息规划才能保证应用的成功 MBD中的管理信息尽量链接信息系统 而不要直接写入 会造成连锁更改 MBD单源数据只是针对现场使用技术数据而言 并不是在整个设计 工艺 管理过程中 在这个过程中不可避免的需要与各种信息系统交互 按波音的说法 工程师只需要MBD BOM即可 这里BOM指的是技术数据 数模 的状态和有效性控制信息 MBD有可能简化PDM的功能 也可能与现有的 强 PDM 介入设计 工艺 制造 冲突 划分功能界限 可能不止是技术问题 更需要处理的艺术 未来随着技术的发展 PDM ERP走向面向特征的管理 DSV6 那么工作方式可能变为 MBD是面向特征管理的信息系统的一个工作集 MBD实施中的若干问题探讨 5 MBD应用的难题 信息的的有效跟踪 MBD的使用过程是一个内容不断扩充完善 分解 派生的过程 如 工艺数模 检验数模 测量点 如何在使用MBD中保持相关信息的可跟踪性也是需要重点考虑的问题 KUTDKUTD KeepUpToDate Thisistheprocesstoassurethatonlythelatestdatasetreleasedwillbeusedtocreatederivativemedia Derivativemediawillbecontrolledandupdatedtoreflectthelatestchange MBD实施中的若干问题探讨 6 MBD应用的难题 企业上下游CAD格式和信息统一问题 某航空发动机公司系统集成时收到5种软件12个版本的数模 如何面对94 的企业仍然使用二维图进行设计和生产 7 产品周期越来越长 B 52生命周期长达94年 软件版本更新越来越快 如何解决兼容性问题 四 MBD实施的一般方法 1 MBD标准体系的建立 由于传统的工程定义标准很不适合MBD在生产中的应用 因此必须建立起一套适合MBD应用的全新标准体系 目前各型号实施MBD均首先建立MBD标准体系 一飞院 成飞 商飞由于均有波音转包经验和均使用CATIA作为CAD工具 因此MBD设计标准均参考波音BDS 600系列 比较相似 但工艺 检验标准均在探索中 差异较大也不完善 2 CATIA应用环境建设 一般包括IPSM 标准件库 形式取决与是否实例化 材料库 模板等 四 MBD实施的一般方法 3 特征提取工具 由于下游的工艺设计 检