基于MBD的三維工藝.doc

基于MBD三維工藝設計系統(tǒng)的開發(fā)與應用作者：中航工業(yè)惠陽螺旋槳有限責任公司 鄭雷來源：航空制造技術隨著數(shù)字化技術的發(fā)展，飛機產(chǎn)品設計已實現(xiàn)基于全三維數(shù)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(guī)劃設計、車間生產(chǎn)應用等產(chǎn)生重大影響，引起數(shù)字化制造技術的重大變革，真正開啟三維數(shù)字化制造時代。近10余年，隨著飛機制造技術的發(fā)展，以波音、洛馬和空客公司為代表的飛機制造業(yè)在數(shù)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(chǎn)品制造信息（Product Manufacturing Information，PMI）與三維設計信息共同定義到產(chǎn)品的三維數(shù)模中，摒棄二維圖樣，直接使用三維標注模型作為制造依據(jù)，使工程技術人員從百年來的二維文化中解放出來，實現(xiàn)了產(chǎn)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(xié)同和融合，建立了三維數(shù)字化設計制造一體化集成應用體系，開創(chuàng)了飛機數(shù)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(zhì)量。三維工藝設計作為支撐基于MBD的三維數(shù)字化設計、制造一體化研制模式的關鍵環(huán)節(jié)，負責確定產(chǎn)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(chǎn)品設計與制造的橋梁。它一方面通過解析上游設計數(shù)模中的相關信息來開展工藝設計，另一方面為下游生產(chǎn)制造提供現(xiàn)場的指導和依據(jù)，因此，工藝設計對縮短產(chǎn)品研制周期、提高產(chǎn)品質(zhì)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(nèi)航空基于MBD技術現(xiàn)狀及存在問題當前，我國航空制造業(yè)的數(shù)字化技術應用發(fā)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(guī)范及相關標準，并且目前航空工業(yè)主要廠所已經(jīng)開始，甚至深入三維數(shù)字化設計制造的應用，建立適應我國航空制造企業(yè)的MBD技術應用推廣路線和技術體系，使得MBD數(shù)字化模型貫穿于整個產(chǎn)品生命周期的數(shù)字化制造過程中，建立基于MBD模型的數(shù)字化設計制造一體化集成應用體系，達到無圖紙、無紙質(zhì)工作指令的三維數(shù)字化集成制造，是縮短產(chǎn)品研制周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，保證產(chǎn)品研制節(jié)點的迫切需求。在建設MBD的整個環(huán)節(jié)過程中，隨著基于MBD三維設計規(guī)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(yè)生產(chǎn)和制造的最高水平。但大部分國內(nèi)航空制造企業(yè)的現(xiàn)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(yè)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(tǒng)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(chǎn)制造環(huán)節(jié)出錯的概率，影響產(chǎn)品的質(zhì)量。（2）對于特征標注較多的產(chǎn)品，二維圖紙難以全面地表達設計信息，經(jīng)常出現(xiàn)標注遺漏的情況，增加工藝規(guī)劃的難度和出錯幾率，并缺少進行工藝驗證的手段，經(jīng)常在制造階段才發(fā)現(xiàn)工藝設計存在缺陷，拖延了產(chǎn)品交付進度。（3）二維圖紙無法有效地利用現(xiàn)代的電子樣機技術對產(chǎn)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(guī)劃階段消除問題，導致問題出現(xiàn)后續(xù)的生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，造成設計更改周期和成本的提高?；贛BD三維工藝設計系統(tǒng)開發(fā)的必要性傳統(tǒng)的二維工藝設計系統(tǒng)（Computer Aided Process Planning，CAPP）存在與數(shù)字化產(chǎn)品設計不銜接的弊端，不能充分利用上游三維CAD設計數(shù)據(jù)，不能完全消除工藝設計轉(zhuǎn)換造成與產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)的不一致性，難以實現(xiàn)工藝設計的繼承性、規(guī)范性、標準化和最優(yōu)化。且二維的工藝設計指導現(xiàn)場的可操作性不強，易產(chǎn)生操作者解讀困難，產(chǎn)生二義性等諸多弊端。開發(fā)基于MBD三維工藝設計系統(tǒng)成為實現(xiàn)基于MBD協(xié)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(xiàn)有通用成熟的大型設計軟件沒有三維CAPP系統(tǒng)，因此必須構建基于MBD三維工藝設計系統(tǒng)（圖1），通過對三維CAD設計數(shù)據(jù)的充分利用，高效地完成工藝的設計和管理，并實現(xiàn)與PDM和其他信息化系統(tǒng)的集成，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)流、信息流集成優(yōu)勢，可以提高效率、保證型號工程的質(zhì)量和工藝的標準化規(guī)范化，可以縮短工藝準備和生產(chǎn)技術準備周期，并最終達到縮短產(chǎn)品研制周期、生產(chǎn)周期和提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。作為工藝設計系統(tǒng)也必須由傳統(tǒng)的支持二維的工藝設計轉(zhuǎn)變?yōu)橹С秩S實體模型進行工藝設計，同時工藝設計系統(tǒng)的應用也必須從基于二維CAD的集成向基于三維CAD的集成發(fā)展，即基于三維CAD的三維工藝設計系統(tǒng)。三維工藝設計系統(tǒng)采用基于三維CAD模型的設計技術，增加了產(chǎn)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(shù)據(jù)管理模式等的合理性與科學性，實現(xiàn)設計、工藝、制造數(shù)據(jù)源的唯一性。基于MBD三維工藝設計系統(tǒng)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(xiàn)指令性工藝文件、管理性工藝文件以及生產(chǎn)性工藝文件的制定、管理和發(fā)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(chǎn)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(yè)務相關的工藝設計流程；（3）工藝設計系統(tǒng)可支持上游的基于MBD技術設計的三維設計數(shù)據(jù)，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(yè)務需求，通過三維仿真驗證手段，可以對產(chǎn)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(guī)劃環(huán)節(jié)，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(xiàn)場可視化系統(tǒng)與制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的集成，實現(xiàn)三維工藝指令向車間現(xiàn)場的數(shù)據(jù)發(fā)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(chǎn)制造階段的效率?；贛BD三維工藝設計系統(tǒng)的設計開發(fā)1 系統(tǒng)總體框架設計三維工藝設計系統(tǒng)包含9個業(yè)務功能模塊，包括：工藝設計門戶、PPR數(shù)據(jù)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）。（1）工藝設計門戶。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(jiān)控等問題。（2）PPR數(shù)據(jù)管理模塊。工藝設計過程是對產(chǎn)品（Product）、工藝過程（Process）和資源（Resource）數(shù)據(jù)進行組織、重構和再造的過程。實現(xiàn)以PPR數(shù)據(jù)為核心，3類數(shù)據(jù)之間進行組織與關聯(lián)，構建一個能夠統(tǒng)一展示3類數(shù)據(jù)的功能模塊。（3）項目管理模塊。實現(xiàn)工藝項目工作包分解、工作流驅(qū)動、后臺任務推送和工作進度反饋、統(tǒng)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(tǒng)一的管理，在此模塊可創(chuàng)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(wǎng)頁環(huán)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(xiàn)文檔結構化管理和較細顆粒度的信息統(tǒng)一管理、檢索、統(tǒng)計和分析。（7）三維工藝設計模塊。實現(xiàn)模型輕量化轉(zhuǎn)換、MBD模型數(shù)據(jù)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(fā)布以及查看二維工藝設計結果發(fā)布與查看等。（8）基礎數(shù)據(jù)管理模塊。此模塊是對整個系統(tǒng)的基礎數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一配置、管理的，重點面向系統(tǒng)管理員。2 系統(tǒng)技術架構及開發(fā)環(huán)境三維工藝設計系統(tǒng)是基于J2EE平臺、采用面向構件技術實現(xiàn)企業(yè)級應用開發(fā)、運行、管理、監(jiān)控、維護的基礎平臺，系統(tǒng)開發(fā)設計環(huán)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(yè)務化的形式面向最終應用。業(yè)務基礎平臺將J2EE體系規(guī)范、構件技術、XML 技術和可視化開發(fā)技術完美結合起來，為基于J2EE 平臺之上的應用提供了面向構件的應用架構，通過圖形化的構件單元作為應用系統(tǒng)的基本組成元素，使應用系統(tǒng)可以快速高質(zhì)量地搭建，建成的應用系統(tǒng)具有較強的可管理、可維護能力，同時擁有最強的需求變化響應能力，并通過構件積累來持續(xù)積累軟件知識財富。業(yè)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(tǒng)平臺層、技術架構層及業(yè)務架構層。（1）系統(tǒng)平臺層。系統(tǒng)框架層主要指基礎軟件，如操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫及 J2EE 應用服務器。業(yè)務基礎平臺支持多種操作系統(tǒng)（Solaris、Linux、Windows 等），可運行于符合 J2EE 規(guī)范的多種應用服務器（Tomcat、JBoss、IBM WebSphere、Oracle WebLogic等），數(shù)據(jù)庫支持Oracle和Sqlserver。（2）技術架構層。技術架構層是在系統(tǒng)平臺層（操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫及應用服務器）和業(yè)務架構層之間建立的一層技術封裝層和系統(tǒng)資源監(jiān)控和管理層。技術架構層屏蔽不同具體技術實現(xiàn)的細節(jié)，減少直接使用系統(tǒng)資源帶來的復雜性、異構性、不安全性及不穩(wěn)定性；技術架構層監(jiān)控和管理系統(tǒng)資源，保證系統(tǒng)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(fā)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(xiàn)細節(jié)包括界面風格、多數(shù)據(jù)庫適配、事務處理、并發(fā)處理、緩存處理、安全管理等。（3）業(yè)務架構層。應用框架層是基于企業(yè)建模理論的、以業(yè)務導向和驅(qū)動的、可快速構建應用軟件的軟件平臺。將應用軟件的業(yè)務邏輯和開發(fā)技術相對分開，使得應用軟件的開發(fā)者可以只需關注應用的業(yè)務邏輯，而不必關注其繁瑣的技術實現(xiàn)。應用框架層基于業(yè)務和管理層面，以業(yè)務建模（組織、流程、功能、資源、信息）為基本手段，從而構造、開發(fā)和維護業(yè)務應用系統(tǒng)。3 主要功能模塊功能及實現(xiàn)基于MBD三維工藝設計系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)人工操作的車、銑、刨、磨工藝設備及數(shù)控設備進行零件制造；鈑金工藝種類繁多，在航空制造企業(yè)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?；贛BD模型的零件工藝在傳統(tǒng)二維工藝的基礎上，更注重的是對輕量化模型和MBD數(shù)據(jù)集利用，并在零件三維模型基礎上實現(xiàn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)集信息，以三維化、數(shù)字化、結構化的手段定義并展示整個工藝過程，實現(xiàn)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(chǎn)品裝配規(guī)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(lián)，構建三維化的裝配指令數(shù)據(jù)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(lián)，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(tǒng)的電子表格或紙質(zhì)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(shù)據(jù)包。（3）模型輕量化轉(zhuǎn)換模塊：在產(chǎn)品設計過程中所采用的三維CAD文件存在著數(shù)據(jù)龐大、瀏覽速度慢，在工藝設計、產(chǎn)品制造、檢驗階段中產(chǎn)品建模過程信息冗余等問題，為實現(xiàn)基于MBD的三維工藝設計及車間現(xiàn)場的無紙化做業(yè)，需要提供一種三維實體模型輕量化優(yōu)化手段，縮減產(chǎn)品數(shù)據(jù)體積，釋放系統(tǒng)資源，以提供工藝設計效率，并滿足車間現(xiàn)場能夠以三維工藝數(shù)據(jù)作為工作指導依據(jù)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(tǒng)后臺實現(xiàn)對CATIA模型的自動輕量化轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換過程中的精度可控，保證模型幾何失真降到最小，即轉(zhuǎn)換后得到模型精度要能滿足后續(xù)裝配、零件工藝設計要求；同時，模型轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)是否保留至輕量化模型中，在避免數(shù)據(jù)冗余的前提下，實現(xiàn)CATIA模型中定義產(chǎn)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(chǎn)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。（4）MBD模型數(shù)據(jù)提取模塊。要實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)字化定義集，主要包括：產(chǎn)品數(shù)據(jù)集、工藝數(shù)據(jù)集、工裝數(shù)據(jù)集、制造數(shù)據(jù)集合和檢測數(shù)據(jù)集，它們?nèi)看鎯υ贑ATIA后臺ENOVIA VPM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，也是后續(xù)工作所需單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源的基礎和源頭。MBD模型數(shù)據(jù)提取模塊核心功能是進入CATIA模型數(shù)據(jù)集的后臺ENOVIA VPM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(diào)用，實現(xiàn)基于MBD的裝配及零件工藝設計技術落地（圖3）。（5）三維工藝設計結果發(fā)布與查看。三維工藝指令是以工藝活動為中心，將三維產(chǎn)品工藝數(shù)據(jù)、三維工裝資源數(shù)據(jù)、操作過程工藝圖解和操作動畫組織起來的工藝信息數(shù)據(jù)包，以三維化語言描述整個工藝過程，結構化工藝過程信息以XML的標準結構化格式存儲，三維模型、視圖、動畫等三維相關信息以SMG文件格式儲存。在系統(tǒng)中除了提供三維工藝的設計環(huán)境，還需要提供一種有效的、基于網(wǎng)頁瀏覽器的三維工藝發(fā)布、查看環(huán)境。系統(tǒng)中通過定義HTML模板，實現(xiàn)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(tǒng)與PDM系統(tǒng)及MES系統(tǒng)有效集成，可依托PDM系統(tǒng)實現(xiàn)對三維裝配指令電子審簽過程，在數(shù)據(jù)定版后向下游MES系統(tǒng)發(fā)布，在車間現(xiàn)場通過MES 系統(tǒng)進行瀏覽和使用，可以在生產(chǎn)現(xiàn)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(xiàn)可視化裝配或加工制造（圖4）。（6）二維工藝設計結果發(fā)布與查看。為了滿足傳統(tǒng)二維工藝指令打印的需求，需要系統(tǒng)提供三維工藝指令轉(zhuǎn)換為二維指令，并提供打印功能。通過以三維視圖替代原有工藝簡圖，每一道工序有系統(tǒng)自動提供對應的工藝視圖輔以說明。同時，為滿足用戶個性化需求，可提供相應的報表定制及輸出功能。以此為基礎，通過將三維工藝設計系統(tǒng)與PDM系統(tǒng)及MES系統(tǒng)有效集成，可依托PDM系統(tǒng)實現(xiàn)對三維裝配指令電子審簽過程，在數(shù)據(jù)定版后向下游MES系統(tǒng)發(fā)布，在車間現(xiàn)場通過MES 系統(tǒng)進行瀏覽和使用。此過程與三維工藝設計結果的發(fā)布類似，數(shù)據(jù)仍以結構化管理，但工藝設計成果的展現(xiàn)形式由三維變?yōu)榱硕S。展望工藝數(shù)字化系統(tǒng)是企業(yè)管理信息系統(tǒng)的重要組成部分，工藝信息模型是工藝數(shù)字化系統(tǒng)的基礎，是實現(xiàn)產(chǎn)品信息集成與管理的關鍵。一個產(chǎn)品從需求調(diào)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(xiàn)有基于MBD三維工藝設計系統(tǒng)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(shù)字化工藝設計與仿真系統(tǒng)，并不僅僅局限于工藝文件的編制，還要實現(xiàn)工藝設計全過程的管理、數(shù)據(jù)分析和工藝流程的驗證，更重要的是還可以實現(xiàn)基于三維數(shù)據(jù)信息的3D工藝規(guī)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(guī)劃及仿真、驗證；裝配線或生產(chǎn)線3D工藝規(guī)劃及仿真