摘 要：近年來，基于模型的定義（Model-Based Definition，MBD）技術(shù)在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)得到普遍應(yīng)用，為應(yīng)用基于MBD的三維工藝提供了肥沃土壤。鑒于此，探討研究了基于MBD的三維工藝在生產(chǎn)線中應(yīng)用的要點(diǎn)，即基于MBD的三維工藝設(shè)計(jì)、三維工藝執(zhí)行的可視化和制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）的三維工藝執(zhí)行控制。通過編制葉輪零件三維工藝，并將其應(yīng)用于指導(dǎo)生產(chǎn)線的生產(chǎn)，輔以工藝執(zhí)行控制，展開基于MBD的三維工藝的應(yīng)用實(shí)踐，真正將三維工藝應(yīng)用到生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)用于指導(dǎo)生產(chǎn)，體現(xiàn)出三維工藝在可視化及便于開展生產(chǎn)控制方面的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：MBD；三維工藝；生產(chǎn)線；可視化

中圖分類號(hào)：TH164" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2025）01-0082-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.01.020

0" " 引言

自2006年以來，我國(guó)航空工業(yè)投入大量資源開展科研生產(chǎn)數(shù)字化建設(shè)，在數(shù)字仿真、數(shù)字制造、協(xié)同研發(fā)、數(shù)據(jù)管理等方面取得較大進(jìn)展。但是，面對(duì)航空產(chǎn)品多品種、小批量的特點(diǎn)，我國(guó)航空企業(yè)仍然存在研發(fā)、工藝、裝配、維保缺乏統(tǒng)籌，產(chǎn)品研發(fā)周期不能滿足客戶需求，生產(chǎn)管控能力不足，產(chǎn)品質(zhì)量提升空間較大等問題。航空企業(yè)進(jìn)一步開展數(shù)字化建設(shè)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品裝備性能提升、效率提高、創(chuàng)新加快、成本降低的必由之路。

近年來，航空企業(yè)普遍開展了科研生產(chǎn)數(shù)字化應(yīng)用建設(shè)，基于模型的定義（Model-Based Definition，MBD）技術(shù)受到廣泛關(guān)注，成為最受中國(guó)航空企業(yè)關(guān)注的技術(shù)之一。MBD技術(shù)是在產(chǎn)品三維模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步集成管理信息、屬性信息、制造信息等產(chǎn)品定義信息的技術(shù)方法[1]。傳統(tǒng)基于二維工程圖的設(shè)計(jì)制造過程面臨一系列問題，例如產(chǎn)品定義信息難以完全表述、信息傳遞效率較低、信息表達(dá)的直觀性較差，這些不足使得二維工程圖已不能支持企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，而MBD技術(shù)的出現(xiàn)提供了一種有效的解決方案。

MBD技術(shù)首先在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)得到普遍應(yīng)用[2]，這為開展基于MBD的三維工藝技術(shù)研究與應(yīng)用提供了土壤?；贛BD的三維工藝將MBD三維模型作為唯一的數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)和制造的協(xié)同，保證了各種信息能夠始終被準(zhǔn)確定義到以模型為核心的技術(shù)數(shù)據(jù)包中，并保持上下游信息的直接重用，使源頭信息一直延伸到生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)。同時(shí)，基于MBD的三維工藝對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率的提高起著至關(guān)重要的作用，尤其是在航空產(chǎn)品多品種、小批量的需求趨勢(shì)下，成為提高競(jìng)爭(zhēng)力的有效途徑[3]。除此之外，基于MBD的三維工藝也是航空產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)向精益制造、敏捷制造、智能制造轉(zhuǎn)型的助推劑和墊腳石。

本文以航空裝備關(guān)鍵零件——葉輪為例，在MBD三維模型基礎(chǔ)上開展三維工藝設(shè)計(jì)，在生產(chǎn)線中實(shí)現(xiàn)可視化的三維工藝指導(dǎo)生產(chǎn)，并結(jié)合制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）平臺(tái)實(shí)現(xiàn)工藝執(zhí)行控制。

1" " 基于MBD的三維工藝設(shè)計(jì)

基于MBD三維模型開展三維工藝設(shè)計(jì)，通過對(duì)設(shè)計(jì)要素的直接引用，既能夠提高工藝設(shè)計(jì)的質(zhì)量，避免信息傳遞和轉(zhuǎn)換過程中的錯(cuò)誤，同時(shí)也能避免重復(fù)繪制設(shè)計(jì)要素造成的重復(fù)勞動(dòng)。

三維工藝設(shè)計(jì)中的模型直接源自于三維設(shè)計(jì)模型，在此基礎(chǔ)上開展工藝路線設(shè)計(jì)、工序模型構(gòu)建、加工特征定義、可視化定義，最終發(fā)布并用于指導(dǎo)生產(chǎn)線的生產(chǎn)加工。三維工藝設(shè)計(jì)的典型路徑如圖1所示。

在葉輪零件三維工藝的編制中，工序模型三維設(shè)計(jì)起到關(guān)鍵作用。工序模型是工藝設(shè)計(jì)思路的最直接體現(xiàn)，常用的工序模型的設(shè)計(jì)方式有兩種，即正向設(shè)計(jì)、逆向設(shè)計(jì)[4]。正向設(shè)計(jì)就是模擬從毛坯到零件演變的過程，通過增加細(xì)節(jié)特征的方法體現(xiàn)加工過程的實(shí)現(xiàn)。逆向設(shè)計(jì)就是模擬從零件到毛坯演變的過程，通過刪除細(xì)節(jié)特征的方法反向體現(xiàn)加工過程的實(shí)現(xiàn)。采用逆向設(shè)計(jì)的方法構(gòu)建典型葉輪零件工序模型，圖2為葉輪三維設(shè)計(jì)模型，圖3為采用逆向設(shè)計(jì)方法構(gòu)建的葉輪三維工序模型。

在三維工序模型的基礎(chǔ)上需進(jìn)一步定義加工特性，包括工序?qū)傩远x、PMI三維標(biāo)注、工序資源匹配，完成制造信息與幾何模型的關(guān)聯(lián)，組成完整的工藝方案。圖4為葉型銑加工工序的特性定義。

2" " 工藝執(zhí)行的可視化

傳統(tǒng)二維工藝中往往使用單一剖切平面、單一剖切柱面、平行剖切平面、相交剖切平面等方式表達(dá)零件內(nèi)部結(jié)構(gòu)[5]，而在三維工藝中不僅能對(duì)剖切后的實(shí)體進(jìn)行展示，而且能通過顏色渲染、定制視圖等方法對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)和工序加工內(nèi)容進(jìn)行準(zhǔn)確且清晰的表達(dá)。

為便于三維工藝生產(chǎn)線的應(yīng)用，經(jīng)審簽發(fā)布的三維工藝需滿足以下要求：

1）工序模型以輕量化數(shù)據(jù)的方式輸出，減輕系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。

2）三維模型和三維標(biāo)注做到直觀且易于理解。

3）工序模型可用于旋轉(zhuǎn)、縮放、剖切、測(cè)量等。

本文中的葉輪三維工藝經(jīng)過電子審批流程后，通過產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（Product Data Management，PDM）系統(tǒng)和企業(yè)數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的集成發(fā)布。生產(chǎn)線上，員工通過MES平臺(tái)中的數(shù)據(jù)接口，即可直觀、高效、準(zhǔn)確地獲取工藝信息，如圖5所示，并以此為依據(jù)完成現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)加工，實(shí)現(xiàn)基于模型的現(xiàn)場(chǎng)制造。

圖6為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)查看的葉輪工序信息，在剖切的基礎(chǔ)上通過色彩渲染體現(xiàn)需加工區(qū)域，同時(shí)產(chǎn)線員工能夠使用現(xiàn)場(chǎng)終端對(duì)三維工藝模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放、剖切、測(cè)量、標(biāo)注等操作。

3" " 制造執(zhí)行系統(tǒng)的工藝執(zhí)行控制

現(xiàn)代制造企業(yè)的車間生產(chǎn)過程管理主要采用MES系統(tǒng)，它的作用就是動(dòng)態(tài)跟蹤采集制造信息，實(shí)現(xiàn)制造過程管理規(guī)范化、透明化?；贛ES系統(tǒng)開展的生產(chǎn)制造過程管理，既可從上級(jí)信息化系統(tǒng)接收指令，也可向下級(jí)系統(tǒng)傳遞指令，是制造企業(yè)信息化建設(shè)的核心環(huán)節(jié)[6]。

眾所周知，零件制造業(yè)務(wù)中工藝執(zhí)行控制的重要性尤為顯著，嚴(yán)守工藝紀(jì)律是生產(chǎn)線確保產(chǎn)品質(zhì)量的基本原則。MES系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能之一就是工藝執(zhí)行控制，而基于MBD的三維工藝最大優(yōu)勢(shì)就是將設(shè)計(jì)三維模型作為唯一的數(shù)據(jù)源，使設(shè)計(jì)信息一直延伸到生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)，這就確保了生產(chǎn)線所用工藝的準(zhǔn)確性。

本文中的葉輪三維工藝借助生產(chǎn)線MES終端得以展示和運(yùn)用。生產(chǎn)管理人員根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行任務(wù)派發(fā)，將工序指派給不同的人員或加工設(shè)備。加工人員通過MES終端接收任務(wù)，如圖7所示，嚴(yán)格按照三維工藝相應(yīng)工序指令完成工作內(nèi)容并在系統(tǒng)中記錄工序質(zhì)量信息。工序流轉(zhuǎn)同樣通過MES平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)同時(shí)記錄各類執(zhí)行信息、流轉(zhuǎn)信息和質(zhì)量信息，通過數(shù)據(jù)分析即可直觀展示安全（S）、質(zhì)量（Q）、成本（C）、交付（D）和人員（P）等關(guān)鍵指標(biāo)，在保證工序執(zhí)行力和工序質(zhì)量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)車間管理整體透明化。

4" " 總結(jié)及展望

本文通過編制葉輪零件三維工藝，并借助MES平臺(tái)直接運(yùn)用于指導(dǎo)生產(chǎn)，真正實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)和制造的協(xié)同，在保證生產(chǎn)線執(zhí)行力和工序質(zhì)量的同時(shí)提升了信息集成水平，對(duì)航空制造業(yè)應(yīng)用MBD技術(shù)實(shí)現(xiàn)基于單一數(shù)據(jù)源的設(shè)計(jì)制造一體化，縮短研制周期具有一定的指導(dǎo)作用。

同時(shí)，基于MBD的三維工藝不僅能夠被看到，還能被計(jì)算機(jī)所解析。因此，在三維工藝的基礎(chǔ)上開發(fā)數(shù)字化檢測(cè)系統(tǒng)、智能化生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管控系統(tǒng)、智能工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)、工藝知識(shí)管理系統(tǒng)、工藝仿真驗(yàn)證系統(tǒng)等更加集成化、智能化的工具是下一步的研究方向。

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收稿日期：2024-08-16

作者簡(jiǎn)介：趙康（1990—），男，江蘇南京人，工程師，研究方向：機(jī)械工程。