隨著數字化技術的發展，飛機產品設計已實現基于全三維數字化定義，特別是基于模型定義（Model based Definition，MBD）技術的實施，使三維模型取代二維圖紙成為可能，促使新一代機型甚至無紙化制造需求的提出。隨著MBD技術的深入應用，必然會對工藝規劃設計、車間生產應用等產生重大影響，引起數字化制造技術的重大變革，真正開啟三維數字化制造時代。
近10余年，隨著飛機制造技術的發展，以波音、洛·馬和空客公司為代表的飛機制造業在數字化技術應用領域取得了巨大的成功。波音公司在以波音787為代表的新型客機研制過程中，全面采用了MBD技術，將三維產品制造信息（Product Manufacturing Information，PMI）與三維設計信息共同定義到產品的三維數模中，摒棄二維圖樣，直接使用三維標注模型作為制造依據，使工程技術人員從百年來的二維文化中解放出來，實現了產品設計（含工藝設計）、工裝設計、零件加工、部件裝配、零部件檢測檢驗的高度集成、協同和融合，建立了三維數字化設計制造一體化集成應用體系，開創了飛機數字化設計制造的嶄新模式，確保了波音787客機的研制周期和質量。
三維工藝設計作為支撐基于MBD的三維數字化設計、制造一體化研制模式的關鍵環節，負責確定產品制造過程以及制造所需的制造資源、制造時間等，是連接產品設計與制造的橋梁。它一方面通過解析上游設計數模中的相關信息來開展工藝設計，另一方面為下游生產制造提供現場的指導和依據，因此，工藝設計對縮短產品研制周期、提高產品質量和降低制造成本具有重要影響，屬于飛機研制的關鍵基礎技術之一。
國內航空基于MBD技術現狀及存在問題
當前，我國航空制造業的數字化技術應用發展迅速，MBD技術的引入和工程實踐雖處于起步階段但也已開展多年，建立了MBD 應用規范及相關標準，并且目前航空工業主要廠所已經開始，甚至深入三維數字化設計制造的應用，建立適應我國航空制造企業的MBD技術應用推廣路線和技術體系，使得MBD數字化模型貫穿于整個產品生命周期的數字化制造過程中，建立基于MBD模型的數字化設計制造一體化集成應用體系，達到無圖紙、無紙質工作指令的三維數字化集成制造，是縮短產品研制周期，提高產品質量，保證產品研制節點的迫切需求。
在建設MBD的整個環節過程中，隨著基于MBD三維設計規范的制定和完善，為三維工藝的建設和實施奠定了基礎，三維工藝逐漸成為MBD建設的重點和關鍵，也代表著企業生產和制造的最高水平。但大部分國內航空制造企業的現狀是，由于三維工藝建設過程復雜，技術難度高，特別是以機加工藝為代表，因此企業還是停留在設計采用三維，而工藝還沿用原有的二維CAPP。但二維工藝存在以下缺點和不足：
（1）二維工藝系統的工藝卡片主要以二維簡圖和描述信息表達為主，對于稍微復雜的工藝，這種表達方式很難進行清晰直觀有效的表達，增大生產制造環節出錯的概率，影響產品的質量。
（2）對于特征標注較多的產品，二維圖紙難以全面地表達設計信息，經常出現標注遺漏的情況，增加工藝規劃的難度和出錯幾率，并缺少進行工藝驗證的手段，經常在制造階段才發現工藝設計存在缺陷，拖延了產品交付進度。
（3）二維圖紙無法有效地利用現代的電子樣機技術對產品進行虛擬仿真，更無法清晰流暢地進行各種性能分析，無法在工藝規劃階段消除問題，導致問題出現后續的生產制造環節，造成設計更改周期和成本的提高。
基于MBD三維工藝設計系統開發的必要性
傳統的二維工藝設計系統（Computer Aided Process Planning，CAPP）存在與數字化產品設計不銜接的弊端，不能充分利用上游三維CAD設計數據，不能完全消除工藝設計轉換造成與產品設計數據的不一致性，難以實現工藝設計的繼承性、規范性、標準化和最優化。且二維的工藝設計指導現場的可操作性不強，易產生操作者解讀困難，產生二義性等諸多弊端。
開發基于MBD三維工藝設計系統成為實現基于MBD協同平臺（即：三維設計、工藝和制造）必不可少、承上啟下的階段性任務，而現有通用成熟的大型設計軟件沒有三維CAPP系統，因此必須構建基于MBD三維工藝設計系統（圖1），通過對三維CAD設計數據的充分利用，高效地完成工藝的設計和管理，并實現與PDM和其他信息化系統的集成，充分發揮數據流、信息流集成優勢，可以提高效率、保證型號工程的質量和工藝的標準化規范化，可以縮短工藝準備和生產技術準備周期，并最終達到縮短產品研制周期、生產周期和提高產品質量的目的。
三維工藝設計系統采用基于三維CAD模型的設計技術，增加了產品的可讀性和一致性，減少了理解圖紙的時間，進一步提高了工藝設計方式、工藝資源及制造數據管理模式等的合理性與科學性，實現設計、工藝、制造數據源的唯一性。
基于MBD三維工藝設計系統的主要意義如下：
（1）面向飛機制造過程中完整的工藝設計，支持頂層工藝設計及詳細工藝設計，可實現指令性工藝文件、管理性工藝文件以及生產性工藝文件的制定、管理和發放，以及工藝文件的審批流程控制與管理；
（2）對工藝設計過程進行管理，對于特征標注較多產品的工藝設計可以減少出錯幾率，提高工藝設計效率和準確度，同時對工作任務進行分派與跟蹤，支持各類工藝設計業務相關的工藝設計流程；
（3）工藝設計系統可支持上游的基于MBD技術設計的三維設計數據，能夠最大限度傳遞和繼承設計的信息，有效減少工藝和設計理解上的偏差，降低出錯概率，能將三維設計成果融入到對應的工藝設計過程中，支持三維工藝需求；
（4）滿足裝配（部裝、總裝）和零件制造實際業務需求，通過三維仿真驗證手段，可以對產品裝配、機加過程進行全程仿真驗證，最大限度地將問題暴露在設計工藝規劃環節，降低后端更改的成本和時間，滿足工藝設計與工藝管理需要；
（5）通過車間現場可視化系統與制造執行系統（MES）的集成，實現三維工藝指令向車間現場的數據發放，采用直觀的三維工藝表達方式，增強了工藝信息的可讀性，提高生產制造階段的效率。
基于MBD三維工藝設計系統的設計開發
1 系統總體框架設計
三維工藝設計系統包含9個業務功能模塊，包括：工藝設計門戶、PPR數據管理模塊、項目管理模塊、工藝文件管理模塊、頂層工藝設計模塊、結構化工藝設計模塊、三維工藝設計模塊、工藝基礎庫和基礎配置管理模塊（圖2）。
用于解決型號工藝設計工作中的項目管理、流程管理、設計過程中的任務制定、下達、跟蹤以及監控等問題。
（2）PPR數據管理模塊。
工藝設計過程是對產品（Product）、工藝過程（Process）和資源（Resource）數據進行組織、重構和再造的過程。實現以PPR數據為核心，3類數據之間進行組織與關聯，構建一個能夠統一展示3類數據的功能模塊。
（3）項目管理模塊。
實現工藝項目工作包分解、工作流驅動、后臺任務推送和工作進度反饋、統計及展示。
（4）工藝文檔管理模塊。
此模塊是對工藝相關的所有文檔類對象進行統一的管理，在此模塊可創建并維護文檔對象，管理文檔對象的屬性、類型和某類文檔對象所對應的文檔模板等信息。
（5）頂層工藝設計模塊。
主管工藝人員需要編制大量的指導性工藝文件，需提供一個在線文檔編制模塊，模塊采取B/S架構，工藝人員可在網頁環境中基于完成上述頂層工藝方案的設計工作。
（6）結構化工藝設計模塊。
需要定義大量的工藝文檔，如工裝申請單、工裝返修單、工藝處理單、工藝更改單、超差單、代料單等。實現文檔結構化管理和較細顆粒度的信息統一管理、檢索、統計和分析。
（7）三維工藝設計模塊。
實現模型輕量化轉換、MBD模型數據提取、基于MBD模型的裝配工藝設計、基于MBD模型的零件工藝設計、三維工藝設計結果發布以及查看二維工藝設計結果發布與查看等。
（8）基礎數據管理模塊。
此模塊是對整個系統的基礎數據進行統一配置、管理的，重點面向系統管理員。
2 系統技術架構及開發環境
三維工藝設計系統是基于J2EE平臺、采用面向構件技術實現企業級應用開發、運行、管理、監控、維護的基礎平臺，系統開發設計環境如表1所示。這是應用軟件層次上一個新的層次，一方面承接底層的 J2EE 技術，一方面以更業務化的形式面向最終應用。
業務基礎平臺從體系結構上可分為3層，從下往上分別為系統平臺層、技術架構層及業務架構層。
（1）系統平臺層。
系統框架層主要指基礎軟件，如操作系統、數據庫及 J2EE 應用服務器。業務基礎平臺支持多種操作系統（Solaris、Linux、Windows 等），可運行于符合 J2EE 規范的多種應用服務器（Tomcat、JBoss、IBM WebSphere、Oracle WebLogic等），數據庫支持Oracle和Sqlserver。
（2）技術架構層。
技術架構層是在系統平臺層（操作系統、數據庫及應用服務器）和業務架構層之間建立的一層技術封裝層和系統資源監控和管理層。技術架構層屏蔽不同具體技術實現的細節，減少直接使用系統資源帶來的復雜性、異構性、不安全性及不穩定性；技術架構層監控和管理系統資源，保證系統資源的可用性及其合理使用；技術框架層提供最佳編程模式，加快在不同技術平臺上開發和部署應用的速度，保證應用的健壯性。技術架構層所屏蔽技術實現細節包括界面風格、多數據庫適配、事務處理、并發處理、緩存處理、安全管理等。
（3）業務架構層。
應用框架層是基于企業建模理論的、以業務導向和驅動的、可快速構建應用軟件的軟件平臺。將應用軟件的業務邏輯和開發技術相對分開，使得應用軟件的開發者可以只需關注應用的業務邏輯，而不必關注其繁瑣的技術實現。應用框架層基于業務和管理層面，以業務建模（組織、流程、功能、資源、信息）為基本手段，從而構造、開發和維護業務應用系統。
3 主要功能模塊功能及實現
基于MBD三維工藝設計系統以三維工藝設計管理模塊為核心，下面以三維工藝設計模塊為例，對其功能及實現進行描述。
（1）基于MBD模型的零件工藝設計模塊分為機加工藝設計及鈑金工藝設計。機加工藝包括使用傳統人工操作的車、銑、刨、磨工藝設備及數控設備進行零件制造；鈑金工藝種類繁多，在航空制造企業中主要用到的鈑金工藝有閘壓、滾壓、液壓成形等。無論零件采用何種加工設備和加工方式，其工藝設計信息的載體和工藝設計的過程是類似的。
基于MBD模型的零件工藝在傳統二維工藝的基礎上，更注重的是對輕量化模型和MBD數據集利用，并在零件三維模型基礎上實現相關零件工藝仿真分析軟件結合，將結構化工藝過程信息與是三維模型、視圖、動畫等信息緊密結合，形成三維零件工藝指令的電子數據包，以提高零件工藝設計效率和水平。
（2）基于MBD模型的裝配工藝設計是指以輕量化的三維模型為基礎，有效地利用MBD數據集信息，以三維化、數字化、結構化的手段定義并展示整個工藝過程，實現高效、合理的裝配工藝設計。基于MBD模型的裝配工藝設計主要過程首先是進行產品裝配規劃，定于其裝配次序，形成裝配工藝模型，再建立與結構化裝配工藝信息的互聯，構建三維化的裝配指令數據包等。
在基于MBD模型的零件工藝設計和基于MBD模型的裝配工藝設計的工藝指令中，操作步驟都與三維視圖相關聯，以三維視圖及三維動畫為主，結構化的文字信息為輔的方式描述工藝過程，三維條件下的工藝指令也不再是傳統的電子表格或紙質文檔，結構化工藝過程信息以XML的標準結構化格式來存儲，三維模型、視圖、動畫等三維相關信息以SMG文件格式儲存，兩者緊密結合，形成三維裝配工藝指令的電子數據包。
（3）模型輕量化轉換模塊：在產品設計過程中所采用的三維CAD文件存在著數據龐大、瀏覽速度慢，在工藝設計、產品制造、檢驗階段中產品建模過程信息冗余等問題，為實現基于MBD的三維工藝設計及車間現場的無紙化做業，需要提供一種三維實體模型輕量化優化手段，縮減產品數據體積，釋放系統資源，以提供工藝設計效率，并滿足車間現場能夠以三維工藝數據作為工作指導依據的需求。
本模塊采用達索公司3DVIA-Composer第三方控件進行嵌入方式，針對三維工藝設計的需求，在系統后臺實現對CATIA模型的自動輕量化轉換，其轉換過程中的精度可控，保證模型幾何失真降到最小，即轉換后得到模型精度要能滿足后續裝配、零件工藝設計要求；同時，模型轉換的信息可按需配置，設定CATIA模型中的點、曲線、自由面、坐標系、慣性軸、三維標注（PMI）等數據是否保留至輕量化模型中，在避免數據冗余的前提下，實現CATIA模型中定義產品的尺度、表面粗糙度、行為公差、定位基準、標準件、連接件等信息獲得有效繼承，滿足MBD設計信息在產品制造過程中的使用、加工和嚴拓的需要。3DVIAPlayerActiveX控件接口常用方法見表2。
要實現數據集信息有效地向設計下游傳遞、重用，首先解決的是MBD模型數據捕獲及提取問題。CATIA模型中能以幾何圖形集的方式定義在模型中，同時基于MBD模型中還包含其他數字化定義集，主要包括：產品數據集、工藝數據集、工裝數據集、制造數據集合和檢測數據集，它們全部存儲在CATIA后臺ENOVIA VPM系統的數據庫中，也是后續工作所需單一產品數據源的基礎和源頭。
MBD模型數據提取模塊核心功能是進入CATIA模型數據集的后臺ENOVIA VPM系統的數據庫中，再進行有效處理，并提取這部分定義在幾何圖形集中的非幾何信息，捕獲后進行有效管理，將這些信息組織量構，在三維工藝設計模塊中，以結構化的樹狀結構進行信息展示和調用，實現基于MBD的裝配及零件工藝設計技術落地（圖3）。
在系統中除了提供三維工藝的設計環境，還需要提供一種有效的、基于網頁瀏覽器的三維工藝發布、查看環境。系統中通過定義HTML模板，實現了三維工藝指令的在線查看。以此為基礎，通過將三維工藝設計系統與PDM系統及MES系統有效集成，可依托PDM系統實現對三維裝配指令電子審簽過程，在數據定版后向下游MES系統發布，在車間現場通過MES 系統進行瀏覽和使用，可以在生產現場指導工人對飛機進行裝配或加工制造，幫助工人直觀了解工藝全過程，實現可視化裝配或加工制造（圖4）。
展望
工藝數字化系統是企業管理信息系統的重要組成部分，工藝信息模型是工藝數字化系統的基礎，是實現產品信息集成與管理的關鍵。一個產品從需求調研、設計成功到設計工藝、工裝，從加工制造到售后服務，其間要涉及很多工藝設計與管理方面的工作。以現有基于MBD三維工藝設計系統為基礎與達索DELMIA的虛擬制造與仿真平臺進行集成，可以構建基于MBD三維數字化工藝設計與仿真系統，并不僅僅局限于工藝文件的編制，還要實現工藝設計全過程的管理、數據分析和工藝流程的驗證，更重要的是還可以實現基于三維數據信息的3D工藝規劃，可以進行零件的加工3D工藝及仿真、驗證；裝配件的裝配3D工藝及仿真、驗證；加工或裝配工位3D工藝規劃及仿真、驗證；裝配線或生產線3D工藝規劃及仿真、驗證；生產車間或廠房的3D規劃及仿真、驗證。
而且，在進行各種工藝規劃、仿真和驗證的同時，可以生成3D的、圖形化的工藝文檔和過程演示視頻，使工藝方案的評審更加直觀和科學。如果條件具備，DELMIA可以生成3D可視化的AO（裝配大綱）和動態的操作說明，發放到生產現場供工作人員使用，提高工作效率，減少失誤，提高產品質量。此外，DELMIA還可生成3D維護手冊，用于指導現場操作，提高產品服務與支持的質量。
甚至還可以幫助企業建立一個完整的3D數字工廠（廠房）環境，并結合人機工程模塊，將虛擬的人體模型放置到數字工廠環境當中，進行人機工效的評估，同時結合QUEST模塊，進行人員流、物流以及生產線的分析、模擬，從而真實反映產品從零件到裝配、工位、流水線、工廠的生產過程，直觀分析產品的可制造性、可裝配性、可拆卸性和可維護性，并生成相關的分析報告，為企業的決策提供支持。
結束語
航空復雜產品在產品設計上具有產品結構復雜、設計更改頻繁、零部件數量龐大、材料種類繁多等特點;在產品制造上具有工藝專業種類多、加工/裝配工藝復雜、制造流程長、零部件配套關系復雜等特點;在管理上具有工程更改頻繁、供應鏈復雜、協作協同復雜、產品質量要求高、按架次管理等特點，并且航空復雜產品在其產品生命周期涉及到多產品、多企業、多部門、多業務之間的復雜協作。隨著MBD技術在航空領域的深入應用，基于MBD三維工藝設計系統在航空企業的設計開發和應用只起到拋磚引玉的作用，如何高效地完成工藝的設計和管理，并實現與PDM和其他信息化系統的集成，充分發揮數據流、信息流集成優勢，提高效率、保證型號工程的質量和工藝的標準化規范化，縮短工藝準備和生產技術準備周期并最終達到縮短產品研制周期、生產周期和提高產品質量的目的，還需要不斷的研究和探索。
近10余年，隨著飛機制造技術的發展，以波音、洛·馬和空客公司為代表的飛機制造業在數字化技術應用領域取得了巨大的成功。波音公司在以波音787為代表的新型客機研制過程中，全面采用了MBD技術，將三維產品制造信息（Product Manufacturing Information，PMI）與三維設計信息共同定義到產品的三維數模中，摒棄二維圖樣，直接使用三維標注模型作為制造依據，使工程技術人員從百年來的二維文化中解放出來，實現了產品設計（含工藝設計）、工裝設計、零件加工、部件裝配、零部件檢測檢驗的高度集成、協同和融合，建立了三維數字化設計制造一體化集成應用體系，開創了飛機數字化設計制造的嶄新模式，確保了波音787客機的研制周期和質量。
三維工藝設計作為支撐基于MBD的三維數字化設計、制造一體化研制模式的關鍵環節，負責確定產品制造過程以及制造所需的制造資源、制造時間等，是連接產品設計與制造的橋梁。它一方面通過解析上游設計數模中的相關信息來開展工藝設計，另一方面為下游生產制造提供現場的指導和依據，因此，工藝設計對縮短產品研制周期、提高產品質量和降低制造成本具有重要影響，屬于飛機研制的關鍵基礎技術之一。
國內航空基于MBD技術現狀及存在問題
當前，我國航空制造業的數字化技術應用發展迅速，MBD技術的引入和工程實踐雖處于起步階段但也已開展多年，建立了MBD 應用規范及相關標準，并且目前航空工業主要廠所已經開始，甚至深入三維數字化設計制造的應用，建立適應我國航空制造企業的MBD技術應用推廣路線和技術體系，使得MBD數字化模型貫穿于整個產品生命周期的數字化制造過程中，建立基于MBD模型的數字化設計制造一體化集成應用體系，達到無圖紙、無紙質工作指令的三維數字化集成制造，是縮短產品研制周期，提高產品質量，保證產品研制節點的迫切需求。
在建設MBD的整個環節過程中，隨著基于MBD三維設計規范的制定和完善，為三維工藝的建設和實施奠定了基礎，三維工藝逐漸成為MBD建設的重點和關鍵，也代表著企業生產和制造的最高水平。但大部分國內航空制造企業的現狀是，由于三維工藝建設過程復雜，技術難度高，特別是以機加工藝為代表，因此企業還是停留在設計采用三維，而工藝還沿用原有的二維CAPP。但二維工藝存在以下缺點和不足：
（1）二維工藝系統的工藝卡片主要以二維簡圖和描述信息表達為主，對于稍微復雜的工藝，這種表達方式很難進行清晰直觀有效的表達，增大生產制造環節出錯的概率，影響產品的質量。
（2）對于特征標注較多的產品，二維圖紙難以全面地表達設計信息，經常出現標注遺漏的情況，增加工藝規劃的難度和出錯幾率，并缺少進行工藝驗證的手段，經常在制造階段才發現工藝設計存在缺陷，拖延了產品交付進度。
（3）二維圖紙無法有效地利用現代的電子樣機技術對產品進行虛擬仿真，更無法清晰流暢地進行各種性能分析，無法在工藝規劃階段消除問題，導致問題出現后續的生產制造環節，造成設計更改周期和成本的提高。
基于MBD三維工藝設計系統開發的必要性
傳統的二維工藝設計系統（Computer Aided Process Planning，CAPP）存在與數字化產品設計不銜接的弊端，不能充分利用上游三維CAD設計數據，不能完全消除工藝設計轉換造成與產品設計數據的不一致性，難以實現工藝設計的繼承性、規范性、標準化和最優化。且二維的工藝設計指導現場的可操作性不強，易產生操作者解讀困難，產生二義性等諸多弊端。
開發基于MBD三維工藝設計系統成為實現基于MBD協同平臺（即：三維設計、工藝和制造）必不可少、承上啟下的階段性任務，而現有通用成熟的大型設計軟件沒有三維CAPP系統，因此必須構建基于MBD三維工藝設計系統（圖1），通過對三維CAD設計數據的充分利用，高效地完成工藝的設計和管理，并實現與PDM和其他信息化系統的集成，充分發揮數據流、信息流集成優勢，可以提高效率、保證型號工程的質量和工藝的標準化規范化，可以縮短工藝準備和生產技術準備周期，并最終達到縮短產品研制周期、生產周期和提高產品質量的目的。
三維工藝設計系統采用基于三維CAD模型的設計技術，增加了產品的可讀性和一致性，減少了理解圖紙的時間，進一步提高了工藝設計方式、工藝資源及制造數據管理模式等的合理性與科學性，實現設計、工藝、制造數據源的唯一性。
基于MBD三維工藝設計系統的主要意義如下：
（1）面向飛機制造過程中完整的工藝設計，支持頂層工藝設計及詳細工藝設計，可實現指令性工藝文件、管理性工藝文件以及生產性工藝文件的制定、管理和發放，以及工藝文件的審批流程控制與管理；
（2）對工藝設計過程進行管理，對于特征標注較多產品的工藝設計可以減少出錯幾率，提高工藝設計效率和準確度，同時對工作任務進行分派與跟蹤，支持各類工藝設計業務相關的工藝設計流程；
（3）工藝設計系統可支持上游的基于MBD技術設計的三維設計數據，能夠最大限度傳遞和繼承設計的信息，有效減少工藝和設計理解上的偏差，降低出錯概率，能將三維設計成果融入到對應的工藝設計過程中，支持三維工藝需求；
（4）滿足裝配（部裝、總裝）和零件制造實際業務需求，通過三維仿真驗證手段，可以對產品裝配、機加過程進行全程仿真驗證，最大限度地將問題暴露在設計工藝規劃環節，降低后端更改的成本和時間，滿足工藝設計與工藝管理需要；
（5）通過車間現場可視化系統與制造執行系統（MES）的集成，實現三維工藝指令向車間現場的數據發放，采用直觀的三維工藝表達方式，增強了工藝信息的可讀性，提高生產制造階段的效率。
基于MBD三維工藝設計系統的設計開發
1 系統總體框架設計
三維工藝設計系統包含9個業務功能模塊，包括：工藝設計門戶、PPR數據管理模塊、項目管理模塊、工藝文件管理模塊、頂層工藝設計模塊、結構化工藝設計模塊、三維工藝設計模塊、工藝基礎庫和基礎配置管理模塊（圖2）。
用于解決型號工藝設計工作中的項目管理、流程管理、設計過程中的任務制定、下達、跟蹤以及監控等問題。
（2）PPR數據管理模塊。
工藝設計過程是對產品（Product）、工藝過程（Process）和資源（Resource）數據進行組織、重構和再造的過程。實現以PPR數據為核心，3類數據之間進行組織與關聯，構建一個能夠統一展示3類數據的功能模塊。
（3）項目管理模塊。
實現工藝項目工作包分解、工作流驅動、后臺任務推送和工作進度反饋、統計及展示。
（4）工藝文檔管理模塊。
此模塊是對工藝相關的所有文檔類對象進行統一的管理，在此模塊可創建并維護文檔對象，管理文檔對象的屬性、類型和某類文檔對象所對應的文檔模板等信息。
（5）頂層工藝設計模塊。
主管工藝人員需要編制大量的指導性工藝文件，需提供一個在線文檔編制模塊，模塊采取B/S架構，工藝人員可在網頁環境中基于完成上述頂層工藝方案的設計工作。
（6）結構化工藝設計模塊。
需要定義大量的工藝文檔，如工裝申請單、工裝返修單、工藝處理單、工藝更改單、超差單、代料單等。實現文檔結構化管理和較細顆粒度的信息統一管理、檢索、統計和分析。
（7）三維工藝設計模塊。
實現模型輕量化轉換、MBD模型數據提取、基于MBD模型的裝配工藝設計、基于MBD模型的零件工藝設計、三維工藝設計結果發布以及查看二維工藝設計結果發布與查看等。
（8）基礎數據管理模塊。
此模塊是對整個系統的基礎數據進行統一配置、管理的，重點面向系統管理員。
2 系統技術架構及開發環境
三維工藝設計系統是基于J2EE平臺、采用面向構件技術實現企業級應用開發、運行、管理、監控、維護的基礎平臺，系統開發設計環境如表1所示。這是應用軟件層次上一個新的層次，一方面承接底層的 J2EE 技術，一方面以更業務化的形式面向最終應用。
業務基礎平臺從體系結構上可分為3層，從下往上分別為系統平臺層、技術架構層及業務架構層。
（1）系統平臺層。
系統框架層主要指基礎軟件，如操作系統、數據庫及 J2EE 應用服務器。業務基礎平臺支持多種操作系統（Solaris、Linux、Windows 等），可運行于符合 J2EE 規范的多種應用服務器（Tomcat、JBoss、IBM WebSphere、Oracle WebLogic等），數據庫支持Oracle和Sqlserver。
（2）技術架構層。
技術架構層是在系統平臺層（操作系統、數據庫及應用服務器）和業務架構層之間建立的一層技術封裝層和系統資源監控和管理層。技術架構層屏蔽不同具體技術實現的細節，減少直接使用系統資源帶來的復雜性、異構性、不安全性及不穩定性；技術架構層監控和管理系統資源，保證系統資源的可用性及其合理使用；技術框架層提供最佳編程模式，加快在不同技術平臺上開發和部署應用的速度，保證應用的健壯性。技術架構層所屏蔽技術實現細節包括界面風格、多數據庫適配、事務處理、并發處理、緩存處理、安全管理等。
（3）業務架構層。
應用框架層是基于企業建模理論的、以業務導向和驅動的、可快速構建應用軟件的軟件平臺。將應用軟件的業務邏輯和開發技術相對分開，使得應用軟件的開發者可以只需關注應用的業務邏輯，而不必關注其繁瑣的技術實現。應用框架層基于業務和管理層面，以業務建模（組織、流程、功能、資源、信息）為基本手段，從而構造、開發和維護業務應用系統。
3 主要功能模塊功能及實現
基于MBD三維工藝設計系統以三維工藝設計管理模塊為核心，下面以三維工藝設計模塊為例，對其功能及實現進行描述。
（1）基于MBD模型的零件工藝設計模塊分為機加工藝設計及鈑金工藝設計。機加工藝包括使用傳統人工操作的車、銑、刨、磨工藝設備及數控設備進行零件制造；鈑金工藝種類繁多，在航空制造企業中主要用到的鈑金工藝有閘壓、滾壓、液壓成形等。無論零件采用何種加工設備和加工方式，其工藝設計信息的載體和工藝設計的過程是類似的。
基于MBD模型的零件工藝在傳統二維工藝的基礎上，更注重的是對輕量化模型和MBD數據集利用，并在零件三維模型基礎上實現相關零件工藝仿真分析軟件結合，將結構化工藝過程信息與是三維模型、視圖、動畫等信息緊密結合，形成三維零件工藝指令的電子數據包，以提高零件工藝設計效率和水平。
（2）基于MBD模型的裝配工藝設計是指以輕量化的三維模型為基礎，有效地利用MBD數據集信息，以三維化、數字化、結構化的手段定義并展示整個工藝過程，實現高效、合理的裝配工藝設計。基于MBD模型的裝配工藝設計主要過程首先是進行產品裝配規劃，定于其裝配次序，形成裝配工藝模型，再建立與結構化裝配工藝信息的互聯，構建三維化的裝配指令數據包等。
在基于MBD模型的零件工藝設計和基于MBD模型的裝配工藝設計的工藝指令中，操作步驟都與三維視圖相關聯，以三維視圖及三維動畫為主，結構化的文字信息為輔的方式描述工藝過程，三維條件下的工藝指令也不再是傳統的電子表格或紙質文檔，結構化工藝過程信息以XML的標準結構化格式來存儲，三維模型、視圖、動畫等三維相關信息以SMG文件格式儲存，兩者緊密結合，形成三維裝配工藝指令的電子數據包。
（3）模型輕量化轉換模塊：在產品設計過程中所采用的三維CAD文件存在著數據龐大、瀏覽速度慢，在工藝設計、產品制造、檢驗階段中產品建模過程信息冗余等問題，為實現基于MBD的三維工藝設計及車間現場的無紙化做業，需要提供一種三維實體模型輕量化優化手段，縮減產品數據體積，釋放系統資源，以提供工藝設計效率，并滿足車間現場能夠以三維工藝數據作為工作指導依據的需求。
本模塊采用達索公司3DVIA-Composer第三方控件進行嵌入方式，針對三維工藝設計的需求，在系統后臺實現對CATIA模型的自動輕量化轉換，其轉換過程中的精度可控，保證模型幾何失真降到最小，即轉換后得到模型精度要能滿足后續裝配、零件工藝設計要求；同時，模型轉換的信息可按需配置，設定CATIA模型中的點、曲線、自由面、坐標系、慣性軸、三維標注（PMI）等數據是否保留至輕量化模型中，在避免數據冗余的前提下，實現CATIA模型中定義產品的尺度、表面粗糙度、行為公差、定位基準、標準件、連接件等信息獲得有效繼承，滿足MBD設計信息在產品制造過程中的使用、加工和嚴拓的需要。3DVIAPlayerActiveX控件接口常用方法見表2。
要實現數據集信息有效地向設計下游傳遞、重用，首先解決的是MBD模型數據捕獲及提取問題。CATIA模型中能以幾何圖形集的方式定義在模型中，同時基于MBD模型中還包含其他數字化定義集，主要包括：產品數據集、工藝數據集、工裝數據集、制造數據集合和檢測數據集，它們全部存儲在CATIA后臺ENOVIA VPM系統的數據庫中，也是后續工作所需單一產品數據源的基礎和源頭。
MBD模型數據提取模塊核心功能是進入CATIA模型數據集的后臺ENOVIA VPM系統的數據庫中，再進行有效處理，并提取這部分定義在幾何圖形集中的非幾何信息，捕獲后進行有效管理，將這些信息組織量構，在三維工藝設計模塊中，以結構化的樹狀結構進行信息展示和調用，實現基于MBD的裝配及零件工藝設計技術落地（圖3）。
在系統中除了提供三維工藝的設計環境，還需要提供一種有效的、基于網頁瀏覽器的三維工藝發布、查看環境。系統中通過定義HTML模板，實現了三維工藝指令的在線查看。以此為基礎，通過將三維工藝設計系統與PDM系統及MES系統有效集成，可依托PDM系統實現對三維裝配指令電子審簽過程，在數據定版后向下游MES系統發布，在車間現場通過MES 系統進行瀏覽和使用，可以在生產現場指導工人對飛機進行裝配或加工制造，幫助工人直觀了解工藝全過程，實現可視化裝配或加工制造（圖4）。
展望
工藝數字化系統是企業管理信息系統的重要組成部分，工藝信息模型是工藝數字化系統的基礎，是實現產品信息集成與管理的關鍵。一個產品從需求調研、設計成功到設計工藝、工裝，從加工制造到售后服務，其間要涉及很多工藝設計與管理方面的工作。以現有基于MBD三維工藝設計系統為基礎與達索DELMIA的虛擬制造與仿真平臺進行集成，可以構建基于MBD三維數字化工藝設計與仿真系統，并不僅僅局限于工藝文件的編制，還要實現工藝設計全過程的管理、數據分析和工藝流程的驗證，更重要的是還可以實現基于三維數據信息的3D工藝規劃，可以進行零件的加工3D工藝及仿真、驗證；裝配件的裝配3D工藝及仿真、驗證；加工或裝配工位3D工藝規劃及仿真、驗證；裝配線或生產線3D工藝規劃及仿真、驗證；生產車間或廠房的3D規劃及仿真、驗證。
而且，在進行各種工藝規劃、仿真和驗證的同時，可以生成3D的、圖形化的工藝文檔和過程演示視頻，使工藝方案的評審更加直觀和科學。如果條件具備，DELMIA可以生成3D可視化的AO（裝配大綱）和動態的操作說明，發放到生產現場供工作人員使用，提高工作效率，減少失誤，提高產品質量。此外，DELMIA還可生成3D維護手冊，用于指導現場操作，提高產品服務與支持的質量。
甚至還可以幫助企業建立一個完整的3D數字工廠（廠房）環境，并結合人機工程模塊，將虛擬的人體模型放置到數字工廠環境當中，進行人機工效的評估，同時結合QUEST模塊，進行人員流、物流以及生產線的分析、模擬，從而真實反映產品從零件到裝配、工位、流水線、工廠的生產過程，直觀分析產品的可制造性、可裝配性、可拆卸性和可維護性，并生成相關的分析報告，為企業的決策提供支持。
結束語
航空復雜產品在產品設計上具有產品結構復雜、設計更改頻繁、零部件數量龐大、材料種類繁多等特點;在產品制造上具有工藝專業種類多、加工/裝配工藝復雜、制造流程長、零部件配套關系復雜等特點;在管理上具有工程更改頻繁、供應鏈復雜、協作協同復雜、產品質量要求高、按架次管理等特點，并且航空復雜產品在其產品生命周期涉及到多產品、多企業、多部門、多業務之間的復雜協作。隨著MBD技術在航空領域的深入應用，基于MBD三維工藝設計系統在航空企業的設計開發和應用只起到拋磚引玉的作用，如何高效地完成工藝的設計和管理，并實現與PDM和其他信息化系統的集成，充分發揮數據流、信息流集成優勢，提高效率、保證型號工程的質量和工藝的標準化規范化，縮短工藝準備和生產技術準備周期并最終達到縮短產品研制周期、生產周期和提高產品質量的目的，還需要不斷的研究和探索。
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