自1799年法國學者蒙日發表《畫法幾何》以來，機械圖樣中的圖形開始嚴格按照《畫法幾何》的投影理論繪制，工程師們一直使用二維平面工程視圖來表達產品并逐漸演變為第一代通用標準工程語言，由于受到紙制二維工程圖表現力的限制，這種二維視圖表達方式浪費了設計師/工程師大量的精力去定義和識別，很難避免出現歧義和偏差，使得繪制和判讀二維工程圖特別是復雜裝配圖成了需經嚴格專業訓練的高難度技術工作。絕大多數情況下只有在產品制造時才能發現設計或識圖錯誤所導致的問題，嚴重拖延了研制進度并導致成本大幅增加，特別是對于像飛機這樣高度復雜的產品，以前不得不花費大量資金制造物理樣機進行設計協調和裝配協調。隨著計算機軟硬件技術的進步，借助計算機輔助設計技術，采用電子化二維方式表達越來越成為工程表達主要方式，但限于二維工程圖的表現力局限，手工繪制的二維工程圖中固有缺陷在電子化二維圖中依然存在，故其依然屬于第一代工程語言的范疇。
隨著數字化設計、制造技術的發展，在飛機設計領域逐漸采用三維數字化實體設計加電子化二維投影工程圖的表達方法，大幅度提高了設計質量，使得設計及制造技術人員可在有三維實體模型參考的情況下進行二維工程圖判讀，工程技術人員可以非常直觀地進行工藝設計工作。三維數字化實體設計相對于第一代二維工程圖設計來說是革命性的進步，屬于第二代工程語言，當前大多數機電產品設計都是屬于此類。隨著大型三維協同設計軟件以及基礎標準研究的進步和成熟，在航空制造領域逐漸采用了基于全三維數字化模型的協同設計（即基于模型的設計，簡稱MBD）并逐步成為第三代工程語言。
MBD(Model Based Definition)是美國機械工程師協會及波音公司等經過近10年的基礎研究并在波音787飛機上正式全面推行的新一代產品定義方法。在基于MBD技術的產品設計中，用一個集成的三維數字化實體模型完整地表達產品信息，即將制造信息和設計信息（三維尺寸標注及各種制造信息和產品結構信息）共同定義到產品的三維數字化模型中，同時融人知識工程和產品設計/制造標準規范等，從而取消二維工程圖，保證了設計數據的唯一性。MBD不是簡單的三維標注+三維模型，它不僅描述產品幾何信息而且定義了三維產品幾何信息和非幾何的管理信息（產品結構、產品制造要求、BOM等），使用人員僅需一個數模即可獲取全部信息，減少了對其他信息系統的過度依賴。由于產品信息全部存在于三維模型中，上一代采用以三維數字化實體設計+二維電子工程圖為工程語言，原來適用于第一代和第二代工程設計的體系和流程已無法適用于采用MBD技術的第三代工程設計，因此MBD對整個飛機的研制體系提出了需要重大變革的要求。
MBD在國內飛機研制中的應用現狀
我國飛機研制從仿制到自主研發經過了數十年，飛機設計所采用的技術也從模線樣板、手繪二維工程圖逐步過渡到三維數字化設計直至目前在新機研制中采用的MBD技術，不管是飛機工程設計還是工藝設計都有了較大進步，但與波音等公司相比，我國飛機設計制造的技術能力在高度和廣度上都還存在一定的差距，尤其是在基礎標準和規范上的差距更大。下文分別就MBD技術在我國飛機研制中的工程設計和工藝設計兩個方面進行探討。
1.MBD在國內飛機工程設計上的應用
我國最早涉及三維數字化設計技術的型號是飛豹飛機，一飛院曾經完成了飛豹飛機的全機結構數字化建模工作，但其數據來源于飛豹飛機原有的二維圖紙、模線樣板以及工裝等，實際上屬于逆向工程范疇，還不屬于真正意義上的數字化設計，其工程表達及制造依據仍然是二維工程圖等紙質技術資料。我國最早真正采用三維數字化設計技術是從ARJ21支線客機開始的，該機采用的是三維數字化模型+二維工程圖+零組件明細表。三維數字化設計技術的采用，大幅度提高了ARJ21飛機設計協調性，通過借助計算機技術進行干涉檢查、運動機構仿真模擬等，極大地減少了結構之間、結構與系統之間以及系統與系統之間的不協調因素，但ARJ21產品三維數字化模型中沒有定義零組件的制造屬性，這些屬性以及加工要求等全部在二維工程圖等技術文件上體現，嚴格來說依然不屬于MBD范疇。ARJ21客機采用的設計方法對于工程設計技術來說是一項革命性的進步，而對于制造系統來說，除了工藝審查和裝配工藝設計等方面受益于三維數字化設計外，其他如數據管理、工藝設計規范和標準等與制造體系相關的領域并沒有因此受到沖擊，故在這種情況下，原有的設計標準、規范以及數據管理體系依然可以繼續運行。
近幾年隨著波音公司等在波音787飛機設計中全面采用MBD技術后，我國相關高校和研究所對MBD技術進行了跟蹤并開展了初步研究，通過對波音公司等在MBD方面相關標準的研究，相關單位制定了一系列MBD設計、管理等方面的標準和規范。在此基礎上，我國新一代大型運輸機全面采用MBD的方法進行全機三維數字化定義，飛機設計單位借助達索公司的VPM協同設計平臺實現了各專業并行設計，同時實現了設計領域的并行工程。采用MBD技術的飛機產品定義方法，徹底結束了二維工程圖的使用，大幅度減少了設計工作量，使得研制周期縮短了50%以上，在某大型運輸機研制批的制造中發揮了重要作用。目前我國正在研制中的民用飛機如大型客機C919和大型水陸兩柄飛機TA600也采用了MBD技術進行全機三維數字化定義。
2.MBD在國內飛機制造工藝設計上的應用
在相當一段時間里，我國各主機廠大都是在對老型號進行改進改型，新型號非常少，原有型號大都是20世紀甚至是20世紀五六十年代的產品，其設計技術水平較低，基本上采用模線樣板、紙質二維工程圖以及零組件明細表等進行飛機產品的表達。由于產品圖紙和工裝圖紙數量非常龐大，制造單位的工藝設計人員要有很高的識圖能力和極大耐心才能較好進行工藝審查、裝配工藝設計、工藝協調以及物料統計等工作，同時由于二維圖紙表現力的局限，再加上設計本身有很多不協調的地方，導致工藝設計等工作量非常大，耗費時間長，很多產品、工裝以及工藝方面的不協調問題只有到了實際制造時才被發現，造成時間和資金上的極大浪費；工藝文件如裝配指令等全部為文字表達，工人在現場施工時既要仔細判讀二維工程圖，又要逐字理解裝配指令等文件，故現場使用體驗很差，效率很低，最后導致普遍存在師傅干什么徒弟干什么的現象，很多人既不看圖紙也不看裝配指令，頻繁出現飛機設計及工藝更改被遺漏的情況，飛機裝配故障層出不窮。如某飛機艙門一處結構有6個鉚釘，被飛機設計人員更改圖紙時漏掉，工藝人員沒有發現，現場工人裝配時絕大多數都沒有看圖紙，有的繼續安裝，有的安裝5個或者4個，極少數人發現了則沒有安裝，上述此類情況都是整批次出現，涉及數十架飛機，客戶對此非常不滿。
隨著ARJ21飛機等逐步采用三維數字化設計，特別是近幾年在最新型號上全面采用了MBD技術進行飛機產品的定義，極大地降低了飛機工藝審查、工藝協調等工作的難度。工藝技術人員可以在三維數字化的環境下進行飛機零組件的形狀、位置、施工空間等分析，同時可以借助三維仿真軟件進行裝配過程、人機功效、廠房布局的仿真，預先發現產品、工裝以及工藝設計方面的問題并提前解決，大幅度提高了工藝設計工作的效率和質量并降低了成本。特別是以某大型運輸機和C919為代表的型號全面采用MBD技術后，其產品采用標準化形式定義了設計信息和制造信息，使得制造工藝技術員無需翻閱大量二維工程圖紙等技術文件便可全面掌握所需產品的制造等信息。采用MBD技術的三維數字化模型體現出來的所見即所得的表現力和操作體驗也極大地降低了一線工人的理解難度，特別是一些主機廠開發了基于MBD技術的裝配工藝設計系統并可發布三維可視化的裝配指令，如成飛開發的三維CAPP系統和西飛在DELMIA基礎上開發的基于MBD的三維數字化裝配工藝設計系統等均實現了工藝設計過程的三維數字化和裝配指令的三維可視化（如圖1所示），改變了過去枯燥難懂的文字表達形式，使得工人從復雜的圖紙判讀中解放出來，僅通過簡單易懂的三維可視化裝配指令即可指導其裝配工作。隨著先進制造設備如機器人自動化制孔系統逐步應用，先進的編程軟件可以直接讀取采用MBD技術定義模型中的制造信息進行數控編程，然后借助專業仿真軟件進行數控程序的虛擬仿真和優化，最終生成自動化設備可以讀取的NC代碼，實現了飛機自動化裝配的離線編程，大大提高了工藝設計效率，因此MBD技術的實施也為普及自動化裝配設備打下了必要基礎。
圖1 三維可視化裝配指令
MBD在國內飛機研制中的問題探討
目前MBD技術在我國個別最新型號研制中進行了初步應用，在縮短研制周期、提高裝配效率和質量方面取得了明顯效果。但在型號的實際制造中發現了很多技術、管理等方面問題，有些問題甚至導致了較嚴重后果。針對這些問題，需要進一步開展更深入和廣泛的研究加以改進。
1.MBD技術相關的標準規范體系問題
最早提出MBD思想的是波音公司，但其真正實施MBD技術卻經歷了十幾年的時間。在美國機械工程師協會及波音公司等經過近10年的基礎研究并發布了ASME Y14.41-2003和BDS系列等與MBD相關的技術規范和標準后，波音公司才在波音787上全面實施MBD技術。MBD技術的實施不是一蹴而就的，需要經過嚴謹細致的基礎研究，包括飛機設計標準和規范、制造商的制造技術管理體系和信息化水平、飛機自動化制造裝備的技術要求等。MBD技術的實施必須要對相應基礎標準和規范進行全面、細致的前期研究，制定統一的基于MBD的基礎標準規范體系，并在此基礎上制定相互協調的設計技術、工藝技術和生產等管理體系，同時整合產品設計、工藝設計、數據管理以及生產管控等系統（如圖2所示）。以ARJ21客機為代表的三維數字化設計是對設計技術和二維工程設計技術的革命，也是新的生產力對舊生產力的革命，整個飛機研制體系內的相關方也都是受益者，其實施過程幾乎沒有阻力。MBD技術則對整個研發體系提出了變革要求，它推動整個研發體系的進步，但是這個體系中的很多部門和流程必須進行改革才能適應MBD技術發展要求，有很多部門和人員要做出利益上的妥協甚至犧牲，故全面實施MBD技術將會面對一定阻力。要真正發揮MBD技術作用，必須研究制定一系列與之相適應的設計、制造規范和標準并形成完整合理的基于MBD技術研發體系。然而在已經實施了MBD技術的型號中，設計部門制定與MBD相關的標準時極少甚至沒有吸收制造部門的要求，設計和制造部門也沒有像波音那樣提前多年進行基礎性研究和實踐。制造部門對MBD技術不了解，在型號設計決定采用MBD技術后才開始相關標準的制定，雖然參考了波音等公司和機構的技術經驗，但由于沒有對其技術背景和制造體系進行深入研究和前期準備，導致制造部門在飛機開始設計后才開始進行相關數字化技術管理體系建設，包括飛機研制協同平臺及生產管控系統等開發、工藝標準和規范的編制等。由于設計與制造部門缺乏緊密協同特別是缺乏基層技術人員參與，使得開發相關系統的使用體驗很差，基層工藝等技術人員在使用過程中浪費大量時間，比如數據管理系統中很多可以由系統自動完成數據的提取、填寫和管理，卻需要使用人員手動進行操作，這些功能本該在系統開發前就通過相關規范來約束。缺乏緊密的部門整體協調結果就是各部門各系統之間無法有效銜接，扯皮嚴重，導致生產數據與實際數據不符，有時差距很大，沒有很好地體現數字化體系應有的作用。波音公司在實施MBD技術工程中遇到了很多阻力不同，我國在某型號實施MBD技術的過程中并未遇到過多阻力，但這不是現有的研發系統更加先進，相反是相關單位沒有去改變現有體系去適應MBD技術要求，而是基本上維持現狀。
圖2 基于MBD的標準規范體系和流程
設計部門雖制定了一系列標準，但是設計人員并沒有嚴格按照標準要求貫徹執行，采用MBD描述的產品信息和制造信息格式不統一，數據遺漏、錯誤現象很多，標準化審查不嚴，流于形式，致使不規范的MBD產品數據發放到制造部門，同時產品設計特別是標準件大量存在只定義一側而另一側僅進行簡單對稱說明的錯誤做法，最終導致制造部門產生很多數據統計等方面偏差。例如某飛機設計部門統計的全機標準件數量為60萬件左右，而其中一個制造商統計出來的標準件竟高達上百萬件，如此大的偏差進一步證明了產品設計數據和制造數據在管理方面存在的問題較為嚴重。
2.飛機研制體制問題
事實上，研發體制問題在國內已經討論很多年，但由于我國航空工業一直以研制生產軍用飛機為主，依然是由國家下達研制任務然后各設計、制造單位分工進行實施的計劃經濟，在這種情況下企業缺乏來自市場的壓力進行體制改革。實際上這種發源于原蘇聯的體制已經不適應現代企業制度的發展要求，甚至于俄羅斯都已開始拋棄這種體制，例如成立的蘇霍伊航空軍工聯合體就將設計和制造、軍機和民機進行了整合。
飛機設計本身包括功能設計和工藝設計，功能設計保證技術成功，而后者則是保證造得出、造得起、買得起，兩者本是協調統一的整體，然而我國這種設計和制造分離的體制導致了設計與制造在行政和利益上的分離，致使兩者在技術、標準規范體系上難以真正融合統一。MBD技術在實施過程中，其標準和規范是整個MBD技術的核心內容，由于采用MBD設計的產品既要涵蓋設計信息又要表達制造信息，同時還要將設計和制造知識融人其中，因此MBD技術標準和規范不僅僅是設計部門的責任和權力，制造部門也必須深度融人其中。但是對已經實施了的MBD標準和規范，在其制定過程中制造部門的話語權微乎其微，即便是參與也只是協助角色，因此我國現在的MBD標準和規范在一定程度上反映出來的還是上一代的設計思想，即新技術舊思路。MBD是實施并行工程的最佳工程語言和技術載體，但設計與制造分體制下制定的MBD標準和規范難以實現制造與設計思想的融合，因而很難實現功能設計與工藝設計的統一和實施真正的并行工程。在軍機研制過程中也許原有的設計與制造分離的體制依然可以存續，但是對于競爭非常激烈、市場反應要求敏銳的民機特別是通用飛機產業來說，設計與制造分離的體制是沒有競爭力的。波音公司、塞斯納公司以及西銳公司等都是設計制造一體化，這種體制下設計必然對工藝方法等直接影響成本的因素予以高度重視，進而及時改進產品設計以參與市場競爭并占有一席之地。
3.飛機設計及制造信息化技術的問題
MBD的設計方法，集成了大量設計信息和制造信息，對于大型飛機來說，整個飛機產品在MBD數模中包含龐大的數據量，然而在最先采用MBD技術的某運輸機設計中，零組件的MBD信息幾乎全部是手工創建和填寫，比如在用點線等元素表達的標準件模型設計中，不同的設計人員有不同的建模方法和喜好，導致模型很不標準。事實上，產品MBD數據的信息是所有下游制造系統的最重要的數據源和唯一的協調依據，產品數據不標準將導致制造數據管理系統的混亂，即便數據管理人員耗費大量精力進行數據的修改和校對，在面對大量的數據時也無法從根本上保證數據的準確性和完整性。因此采用MBD技術進行產品設計，必須要開發專用的MBD設計加速工具集，且這些輔助工具要集成包含設計標準、規范的數據庫，特別是要集成制造知識，比如現在MBD表達標準件只是給出牌號規格，但要明確其對應的孔徑大小、公差要求和制孔方法，仍然需要查詢其他的技術條件和工藝規范，如果將此類數據作為標準化的知識集成到設計工具集中，必然會保證產品設計信息的規范、準確和完整，同時也大大減少設計人員和工藝設計人員的工作量并提高效率，見圖3。對于要發放的數據也必須借助標準化程序對設計數據進行自動化檢測，保證發送到制造部門的數據標準和規范，事實上前文討論設計標準化存在的問題也是與設計部門缺乏先進的軟件工具有很大關系。
圖3 緊固件設計工具
制造部門其實也面對與設計類似的困難，實際上制造部門的數據管理比設計部門更加復雜，因為制造部門不但要管理設計發出的EBOM及其更改數據，還要管理在EBOM數據基礎上產生的PBOM、MBOM及其更改數據等，故制造部門的數據更為龐大。裝配工藝設計人員現在依然還是依靠數數的原始方法進行裝配指令的編制和物流信息的統計，出錯幾率很大，在這種情況下如果MBD產品設計數據也存在錯誤，就很容易造成物料缺失或浪費問題。故在保證設計數據標準、完整、準確的前提下，制造部門也必須借助先進的軟件工具進行工藝設計和數據管理，如圖4所示，特別是把已有的可以標準化的工藝知識庫集成到工藝設計工具中，必將大幅度提高工藝設計質量和效率。
圖4 采用DELMIA軟件進行標準件的劃分
當前設計、工藝技術人員能方便地借助工作站等對產品MBD數據進行查詢，而現場施工的操作人員對電腦等信息終端的需求則更加迫切。各大主機廠普遍存在一線較少配置電腦甚至不配置的現象，特別是禁止使用便攜式計算機，由此導致負責大部件裝配的工人不得不頻繁上下飛機部件參閱飛機數模，這對生產效率有著極大損害，與所提倡的精益制造背道而馳，這些不必要的動作造成的損失遠遠大于購買電腦等產品所花費的資金。實際上在滿足保密等工作的基礎上，配備足夠數量的便攜式計算機并加強管理是沒有技術難度的，如圖5所示。
圖5 基于平板電腦的三維裝配指令
結束語
MBD技術不但是設計技術的革命，也是設計制造體系的革命，其產品信息和制造信息集成的特點對設計與制造體系提出了明確改革方向，也對設計與制造的融合提出了非常緊迫的要求，以波音公司為代表的先進航空制造企業在MBD技術及其體系建設中已走在世界最前沿，我國要在航空特別是民用航空領域迎頭趕上，必須在基礎技術方面加大研發力度，在研發體制方面加快改革步伐。
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