MBD技術(shù)在我國飛機(jī)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)的應(yīng)用研究

本文作者：余志強(qiáng)，陳嵩，孫煒，王鴻慶

隨著數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)在航空制造業(yè)的廣泛應(yīng)用，特別是三維CAD技術(shù)的日益普及，飛機(jī)研制模式正在發(fā)生根本性變化，傳統(tǒng)的以數(shù)字量為主、模擬量為輔的協(xié)調(diào)工作法開始被全數(shù)字量傳遞的協(xié)調(diào)工作法代替，三維數(shù)模已經(jīng)取代二維圖紙， 成為新機(jī)研制的唯一制造依據(jù)。

在梟龍飛機(jī)和ARJ21飛機(jī)機(jī)頭的制造過程中，中航工業(yè)成飛公司結(jié)合數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展方向，傳統(tǒng)的以數(shù)字量為主、模擬量為輔的協(xié)調(diào)工作法開始被全數(shù)字量傳遞的協(xié)調(diào)工作法代替，并取得了一些階段性成果。

但是，與國外發(fā)達(dá)航空企業(yè)相比，仍然存在很大的差距，主要表現(xiàn)在三維數(shù)模并沒有貫穿于整個(gè)飛機(jī)數(shù)字化制造過程中，基于MBD（Model-Based Design）技術(shù)的產(chǎn)品定義工作尚處于探索階段，以MBD為核心的數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造模式尚不成熟，MBD的設(shè)計(jì)、制造和管理規(guī)范還有待完善，三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化集成應(yīng)用體系尚未貫通。

因此，為了縮短飛機(jī)研制周期，提高飛機(jī)研制質(zhì)量，有必要以三維數(shù)模為載體，借鑒國外發(fā)達(dá)航空制造企業(yè)MBD技術(shù)的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合飛機(jī)數(shù)字化制造流程，開展適合于我國國情的飛機(jī)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)應(yīng)用研究。

MBD內(nèi)涵

美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)于1997年在波音公司的協(xié)助下開始了有關(guān)MBD標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定工作，并于2003年使之成為美國國家標(biāo)準(zhǔn)。MBD的主導(dǎo)思想不只是簡單地將二維圖紙的信息反映到三維數(shù)據(jù)中，而是充分利用三維模型所具備的表現(xiàn)力，去探索便于用戶理解且更具效率的設(shè)計(jì)信息表達(dá)方式。它用集成的三維數(shù)模完整地表達(dá)了產(chǎn)品定義信息的方法，詳細(xì)規(guī)定了三維數(shù)模中產(chǎn)品尺寸、公差的標(biāo)注規(guī)則和工藝信息的表達(dá)方法。MBD改變了傳統(tǒng)用三維數(shù)模描述幾何形狀信息的方法，而用二維工程圖紙來定義尺寸、公差和工藝信息的分步產(chǎn)品數(shù)字化定義方法。同時(shí)，MBD使三維數(shù)模作為生產(chǎn)制造過程中的唯一依據(jù)，改變了傳統(tǒng)以工程圖紙為主、以三維實(shí)體模型數(shù)模為輔的制造方法。

基于MBD的三維數(shù)模通過圖形和文字表達(dá)的方式，直接或間接地揭示了一個(gè)物料（BOM）項(xiàng)的物理和功能需求。MBD模型分為零件與裝配模型，零件模型由以簡單幾何元素構(gòu)成的、用圖形方式表達(dá)的幾何信息和以文字表達(dá)的屬性、注釋等非幾何信息組成。屬性數(shù)據(jù)表達(dá)了產(chǎn)品的原材料規(guī)范、分析數(shù)據(jù)、測試需求等產(chǎn)品內(nèi)置信息；而注釋數(shù)據(jù)包含了產(chǎn)品尺寸與公差范圍、制造工藝和精度要求等生產(chǎn)必需的工藝約束信息。裝配模型則由一系列MBD零件模型組成的裝配零件列表加上以文字表達(dá)的屬性和注釋數(shù)據(jù)組成。

國外發(fā)達(dá)航空企業(yè)MBD技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

近10余年，隨著飛機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展，以波音、洛·馬和空客公司為代表的飛機(jī)制造業(yè)在數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)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(jī)研制過程中，全面采用了MBD技術(shù)，將三維產(chǎn)品制造信息(Product Manufacturing Information，PMI)與三維設(shè)計(jì)信息共同定義到產(chǎn)品的三維數(shù)模型中，摒棄二維圖樣，直接使用三維標(biāo)注模型作為制造依據(jù)，使工程技術(shù)人員從百年來的二維文化中解放出來，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)（含工藝設(shè)計(jì)）、工裝設(shè)計(jì)、零件加工、部件裝配、零部件檢測檢驗(yàn)的高度集成、協(xié)同和融合，建立了三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化集成應(yīng)用體系，開創(chuàng)了飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造的嶄新模式，確保了波音787客機(jī)的研制周期和質(zhì)量。

基于MBD的數(shù)字化制造流程

飛機(jī)的研制必須經(jīng)歷產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造和檢驗(yàn)檢測等5個(gè)主要環(huán)節(jié)，并在產(chǎn)品制造和檢驗(yàn)檢測環(huán)節(jié)中，由三維設(shè)計(jì)數(shù)模分別派生出三維工藝數(shù)模和檢驗(yàn)數(shù)模。

?在工藝設(shè)計(jì)過程中，工藝部門依據(jù)設(shè)計(jì)部門按基線預(yù)發(fā)放的三維設(shè)計(jì)數(shù)模進(jìn)行工藝分析，并向設(shè)計(jì)部門反饋工藝審查意見；依據(jù)設(shè)計(jì)部門正式發(fā)放的EBOM（產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)）和三維設(shè)計(jì)數(shù)模，建立PBOM（產(chǎn)品工藝結(jié)構(gòu)），制定裝配工藝協(xié)調(diào)方案，劃分工藝分離面，進(jìn)行全機(jī)裝配工藝仿真，最終形成經(jīng)過裝配仿真驗(yàn)證的MBOM（產(chǎn)品制造結(jié)構(gòu)）頂層結(jié)構(gòu)，發(fā)放到下游的工裝設(shè)計(jì)、專業(yè)制造和檢驗(yàn)檢測等部門。

?在工裝設(shè)計(jì)過程中，工裝設(shè)計(jì)制造部門依據(jù)產(chǎn)品制造部門提出的工裝訂貨單、三維工藝數(shù)模、產(chǎn)品制造工藝方案和設(shè)計(jì)部門的三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)模進(jìn)行工裝設(shè)計(jì)；依據(jù)三維工裝設(shè)計(jì)數(shù)模進(jìn)行TO的編制，裝配工裝的裝配仿真和工裝NC程序的編制，最終完成工裝的制造和自檢。

?在產(chǎn)品制造過程中，產(chǎn)品制造部門依據(jù)設(shè)計(jì)部門正式發(fā)放的EBOM和三維設(shè)計(jì)數(shù)模、工藝部門的PBOM建立三維工藝數(shù)模，進(jìn)行零件的材料屬性仿真和部件幾何仿真，編制AO（裝配大綱）和FO（制造大綱），編制NC程序，最終完成零件的加工、部件的裝配以及自檢。

?在產(chǎn)品檢驗(yàn)檢測過程中，檢驗(yàn)檢測部門依據(jù)設(shè)計(jì)部門正式發(fā)放的EBOM、三維設(shè)計(jì)數(shù)模，三維工裝設(shè)計(jì)數(shù)模編制檢測計(jì)劃，計(jì)算測量數(shù)據(jù)，完成零部件和工裝的檢測。

圖1 基于MBD的數(shù)字化制造流程

基于MBD的三維數(shù)字化制造研究內(nèi)容

為了實(shí)現(xiàn)基于MBD的三維數(shù)字化制造流程的有效控制和管理，必須依據(jù)三維數(shù)字化制造流程，預(yù)先開展以下技術(shù)的攻關(guān)研究。

1.基于MBD的數(shù)字化定義技術(shù)

數(shù)字化產(chǎn)品定義（DPD）是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化制造的基礎(chǔ)，它以數(shù)字量方式對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行準(zhǔn)確描述。采用MBD技術(shù)后，數(shù)字化產(chǎn)品定義信息必須按MBD要求進(jìn)行分類組織管理，完整準(zhǔn)確地表達(dá)產(chǎn)品零部件本身的幾何屬性、工藝屬性、質(zhì)量檢測屬性以及管理屬性等信息，滿足制造過程各階段對(duì)數(shù)據(jù)的需求，保證飛機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過程中的協(xié)調(diào)性。因此，應(yīng)該在吸收、消化ISO/DIS 16792、ASMEY14.41的基礎(chǔ)上，結(jié)合國標(biāo)《技術(shù)產(chǎn)品文件數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則》系列標(biāo)準(zhǔn)以及波音、空客三維模型和我國航空產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)的實(shí)際情況，開展基于MBD的設(shè)計(jì)建模技術(shù)、基于MBD的工藝建模技術(shù)、基于MBD的檢驗(yàn)建模技術(shù)、基于MBD的并行設(shè)計(jì)流程管理技術(shù)、基于MBD的設(shè)計(jì)質(zhì)量控制技術(shù)的研究。

2.基于MBD的數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)

MBD技術(shù)以三維數(shù)模作為唯一的制造依據(jù)，使飛機(jī)產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)活動(dòng)發(fā)生了根本變化。工藝設(shè)計(jì)與仿真將在三維數(shù)字化環(huán)境下，依據(jù)基于MBD技術(shù)的數(shù)字化工藝協(xié)調(diào)制造體系要求，以產(chǎn)品EBOM和三維數(shù)字樣機(jī)為基礎(chǔ)，以工藝數(shù)字化并行定義為核心，制定工藝總方案，建立三維工藝數(shù)字樣機(jī)，進(jìn)行飛機(jī)數(shù)字化三維工藝設(shè)計(jì)、數(shù)字化工藝容差分配、仿真和優(yōu)化、數(shù)字化三維工藝仿真驗(yàn)證。在工藝設(shè)計(jì)與仿真的不同階段，仿真的內(nèi)容也不同。在工藝審查階段，對(duì)零件、組件、部件組成的制造單元進(jìn)行可制造性、可裝配性分析，檢查結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性；在工藝規(guī)劃階段，通過裝配工藝仿真，確定零部件之間的裝配順序和運(yùn)動(dòng)路徑；在工裝設(shè)計(jì)階段，進(jìn)行制造資源仿真，設(shè)計(jì)出合格的工裝資源；在工藝編制階段，通過建立起產(chǎn)品、工藝、資源數(shù)字化工藝數(shù)據(jù)模型（PPR），通過關(guān)鍵部件基于MBD的工藝容差分配計(jì)算和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)基于模型的工藝分離面劃分、裝配工位設(shè)計(jì)、裝配流程設(shè)計(jì)、三維工藝指令設(shè)計(jì)等。因此，必須預(yù)先開展基于MBD的數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)技術(shù)、基于MBD的工藝容差分配技術(shù)和基于MBD的三維工藝仿真技術(shù)的研究。

3.基于MBD的工藝裝備設(shè)計(jì)制造集成技術(shù)

工藝裝備設(shè)計(jì)在三維數(shù)字化環(huán)境下，以產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)、工藝數(shù)字樣機(jī)為基礎(chǔ)，進(jìn)行工藝技術(shù)裝備的設(shè)計(jì)和仿真，逐步形成面向現(xiàn)代航空制造的基于三維的飛機(jī)制造技術(shù)裝備工程體系，實(shí)現(xiàn)技術(shù)裝備數(shù)字化、自動(dòng)化、柔性化。在工裝設(shè)計(jì)過程中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)模、工藝數(shù)模的版本變化將直接引起工裝數(shù)模的版本變化。因此，必須應(yīng)用三維關(guān)聯(lián)技術(shù)和三維在線技術(shù)預(yù)先開展基于MBD工藝裝備設(shè)計(jì)與飛機(jī)產(chǎn)品、工藝設(shè)計(jì)及仿真的數(shù)字化協(xié)同技術(shù)、工藝裝備設(shè)計(jì)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)的關(guān)聯(lián)更改技術(shù)、工藝裝備三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化集成技術(shù)、基于三維數(shù)字化工藝裝備設(shè)計(jì)、制造等技術(shù)的研究工作。

4.基于MBD的數(shù)字化檢測與質(zhì)量控制技術(shù)

在基于MBD的產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)和工藝數(shù)字樣機(jī)的基礎(chǔ)上，開展三維工藝檢驗(yàn)計(jì)劃的技術(shù)研究工作，探討三維數(shù)字圖形轉(zhuǎn)換為測量機(jī)等數(shù)字化設(shè)備能夠識(shí)別的數(shù)字信息的技術(shù)方法，并以基于MBD的三維設(shè)計(jì)數(shù)模、工藝數(shù)模和檢測方案為依據(jù)開發(fā)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算程序，建立基于MBD的三維檢驗(yàn)數(shù)模，并與產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)和工藝數(shù)字樣機(jī)一起納入PDM系統(tǒng)進(jìn)行管理。與此同時(shí)，在制造產(chǎn)品數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（MBOM）的基礎(chǔ)上，建立基于質(zhì)量產(chǎn)品結(jié)構(gòu)（QBOM）的集成質(zhì)量管理系統(tǒng)。以PDM系統(tǒng)的檢測計(jì)劃、三維檢測模型為依據(jù)，通過集成質(zhì)量管理系統(tǒng)在生產(chǎn)現(xiàn)場采集飛機(jī)檢驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)，并建立檢驗(yàn)檢測結(jié)果與QBOM的關(guān)聯(lián)關(guān)系，納入集成質(zhì)量管理系統(tǒng)進(jìn)行有效的管理，在此基礎(chǔ)上形成單架次飛機(jī)的質(zhì)量檔案，最終完成單架次飛機(jī)質(zhì)量檔案的歸檔工作。因此，必須預(yù)先開展基于MBD的檢測信息定義技術(shù)、基于MBD的檢測過程設(shè)計(jì)技術(shù)、集成質(zhì)量管理技術(shù)、質(zhì)量檔案歸檔技術(shù)的研究。

5.基于輕量化模型的裝配過程可視化技術(shù)

在MBD制造模式下，裝配現(xiàn)場已擺脫傳統(tǒng)基于二維圖樣的模擬量傳遞體系，三維數(shù)模及三維工藝指令已經(jīng)完全替代了二維工程圖紙和紙質(zhì)工藝指令成為在生產(chǎn)現(xiàn)場指導(dǎo)工人工作的技術(shù)依據(jù)。為了確保裝配現(xiàn)場能夠及時(shí)獲取現(xiàn)行有效的三維數(shù)模、輕量化模型、三維裝配工藝指令，滿足飛機(jī)裝配過程管理與執(zhí)行控制的要求，需要解決三維數(shù)模輕量化的問題，并將基于MBD的設(shè)計(jì)模型、工藝模型、檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?、三維工裝資源數(shù)據(jù)、輕量化模型、三維裝配工藝指令統(tǒng)一納入企業(yè)級(jí)PDM中進(jìn)行管理，并建立與裝配現(xiàn)場作業(yè)計(jì)劃的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)三維可視化裝配技術(shù)在裝配制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的集成應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)真正的無紙化。因此，必須預(yù)先開展基于MBD的三維數(shù)模輕量化轉(zhuǎn)換技術(shù)、基于輕量化模型的三維裝配工藝過程設(shè)計(jì)工具開發(fā)技術(shù)、三維可視化裝配技術(shù)在裝配制造執(zhí)行系統(tǒng)的集成應(yīng)用技術(shù)的研究。

6.基于MBD的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)集成技術(shù)

在MBD制造模式下，產(chǎn)品工藝數(shù)據(jù)、檢驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)的形式與類型發(fā)生了很大的變化。采用MBD技術(shù)后，設(shè)計(jì)部門不再向制造部門發(fā)放二維工程圖紙，減少了設(shè)計(jì)工作量，簡化了管理流程。工藝部門通過三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)與仿真，依據(jù)基于MBD的三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)模建立三維工藝模型，生成零件加工、部件裝配動(dòng)畫等多媒體工藝數(shù)據(jù)；檢驗(yàn)部門通過三維數(shù)字化檢驗(yàn)，依據(jù)基于MBD的三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)模、三維工藝模型，建立三維檢驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜋z驗(yàn)計(jì)劃。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)數(shù)模的版本變化將直接引發(fā)工藝數(shù)模、檢驗(yàn)數(shù)模的版本變化。因此，需要以零部件為對(duì)象，建立產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)和檢驗(yàn)數(shù)據(jù)與BOM結(jié)構(gòu)樹的關(guān)聯(lián)關(guān)系，一起納入PDM系統(tǒng)進(jìn)行管理，通過檢入與檢出，確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、檢驗(yàn)數(shù)據(jù)版本信息的一致。鑒于目前中航工業(yè)設(shè)計(jì)與制造分離的現(xiàn)實(shí)情況，應(yīng)預(yù)先開展廠所協(xié)同研制單一數(shù)據(jù)源管理技術(shù)、基于BOM的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)數(shù)據(jù)管理技術(shù)，以及工程更改管理技術(shù)和批架次構(gòu)型管理技術(shù)的研究。

結(jié)束語

通過基于MBD的三維數(shù)字化定義、三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)與仿真、三維數(shù)字化工藝裝備的設(shè)計(jì)與制造、基于輕量化模型的裝配過程可視化技術(shù)、三維數(shù)字化檢驗(yàn)檢測技術(shù)以及基于MBD的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)集成技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效地縮短產(chǎn)品研制周期，改善生產(chǎn)現(xiàn)場工作環(huán)境，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，真正實(shí)現(xiàn)無二維圖紙、無紙質(zhì)工作指令的三維數(shù)字化集成制造。MBD技術(shù)的深入應(yīng)用必將推動(dòng)我國飛機(jī)制造業(yè)的迅猛發(fā)展。

審核編輯：郭婷