基于MBSE的三维工艺设计与制造技术研
究
摘要： 航空制造能力建设涉及领域多、范围广，多学科、多专业交叉融合特点显著，是一项复杂的系统工程，需以正向研发、以需求为导向，应用MBSE方法，以系统工程理论、方法和过程模型为指导，面向复杂产品和系统的改进改型、技术研发和原创设计等为场景，吸收各种现有技术和成果，最终达到所需的性能指标，提升企业自主创新能力。
关键词：MBSE、模型、三维工艺设计 1 前言
随着数字化、信息化技术的飞速发展，航空制造业竞争的重点不再是产品本身，而是从以产品为中心向以能力为中心转变，趋于形成以需求为中心的模式。航空制造能力建设涉及领域多、范围广，多学科、多专业交叉融合特点显著，是一项复杂的系统工程，需以正向研发、以需求为导向，以系统工程理论、方法和过程模型为指导，面向复杂产品和系统的改进改型、技术研发和原创设计等为场景，吸收各种现有技术和成果，最终满足客户需求，达到所需的性能指标，提升企业自主创新能力。
2 MBD到MBSE的发展
经过多型飞机的研制，现阶段行业已实现数据传递从模拟量向数字量的转变，形成了贯穿飞机制造全周期、全流程应用MBD的能力。 实现了三维工艺设计与仿真、三维工装设计与制造、零件全三维模型下数字化加工与检测、基于全三维模型的部件数字化装配与系统集成等技术应用。建立了基于MBD的数字化并行协同信息化系统，打通了行业各领域之间基于三维模型的数据传输路径，构建成了基于三维模型的数字化制造体系。
2.1 MBD技术
MBD的优势为基于特征的三维表达，重点关注模型几何信息的完整性和准确性，提高产品定义的设计质量和利用效率，使设计制造一体化成为现实。 但也存在明显不足，MBD未建立与其他模型系统之间的联系与交互，知识应用主要靠经验，仿真验证方法缺少需求的承接逻辑和相互印证支撑方法。
2.2 MBSE方法
应用MBSE方法可大量应用专业化和知识化的模型，最大程度解决经验的知识化存储和复用问题，加速型号研制；推动物理验证到基于实物模型的全过程联合仿真验证的转变，定义各阶段仿真和评估的手段，提升验证准确性和效率，提升产品研发的效能和品质； 制定统一的由需求-系统-子系统-元器件的需求分解模型，并最大程度加实现各阶段内对上一阶段需求的确认和系统方案的完善，加速方案循环迭代，促进装备能力形成，最终缩短产品研制周期、提高产品质量以及降低研制成本。
在MBD方法基础上融入知识工程、专业工程和工艺工程，在系统开展实物研制前，将各系统模型化，提前开展全生命周期中多领域模型的集成仿真与验证，对复杂系统中各类变更影响进行综合分析并纠正，形成完整且无歧义的标准化系统模型。应用MBSE，实现由传统基于原型系统和试验的逆向跟随式设计向基于模型和仿真的正向创新研发转变。提升基于作战需求的武器研发能力，形成体系化装备研制思路，从研究“装备设计”转变为研究、试验、生产、培训、使用、维护保障等全生命周期的设计，提升了高质量装备研制能力。
图1 航空制造V模型
3 基于MBSE的三维工艺设计和制造 3.1需求分解
以飞机产品为对象，开展对设计需求的分解，按“整机-部件-零件”三个层级分析制造需求。
3.2零件级
应用知识驱动的三维工艺设计方法开展全流程的数字化工艺设计，验证产品设计需求，并进行迭代优化；开展基于模型驱动的加工过程仿真验证，提高工艺设计的可靠性，优化产品设计合理性。基于实测数据的零件制造过程闭环控制，实现产品数字化制造。
3.3部件级
应用基于模型驱动的三维工艺仿真技术，开展装配过程多专业在线联合仿真。开展基于实测数据的部件装配，制造过程实现设备动态测量、数据实时分析、系统自主决策、微循环精准补偿执行等操作特征，完成装配过程的闭环控制，实现产品实物数字化装配。
3.4整机级
开展整机级的系统工艺设计，包括工艺流程设计、系统仿真设计、线缆安装设计、系统集成与测试工艺设计等。应用基于模型驱动的工艺仿真技术，开展整机集成过程多专业在线联合仿真，包括系统联合仿真、系统试验仿真等。通过系统仿真，验证整机工艺设计的可靠性。开展基于实测数据的整机系统集成，包括自动调姿测量、光学智能布线引导、线缆自动化检测、系统集成测试等，各阶段实现过程数据闭环，完成系统集成过程的闭环控制，实现产品实物与制造数据的并行交付，以及向设计端的数据反馈。
4 结束语
应用MBSE方法，在制造开始前期对设计需求进行详细分析，逐级明确产品实现的技术需求和制造能力需求；构建基于制造过程的多领域模型，应用知识驱
动的三维工艺设计和多专业在线联合仿真，对设计需求不断验证优化；开展虚实融合的制造过程验证，实现产品实物和模型实时在线交互。MBSE的应用，构建了以模型驱动的设计制造一体化环境和产品研制创新模式，可缩短产品研制周期，降低研制成本，提高产品的研制效能。
