基于MBD的三維數(shù)模在飛機制造過程中的應用

1、基于 mbd 的三維數(shù)模在飛機制造過程中的應用隨著數(shù)字化設計與制造技術(shù)在航空制造業(yè)的廣泛應用，特別是三維 cad 技術(shù)的日益 普及，飛機研制模式正在發(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， 成為新機研 制的唯一制造依據(jù)。在梟龍飛機和 arj21 飛機機頭的制造過程中，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飛機數(shù)字化制

2、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)字化工藝設計和產(chǎn)品制造模式尚不成熟，mbd 的設計、制造和管理規(guī)范還有待 完善，三維數(shù)字化設計制造一體化集成應用體系尚未貫通。因此，為了縮短飛機研制周 期，提高飛機研制質(zhì)量，有必要以三維數(shù)模為載體，借鑒國外發(fā)達航空制造企業(yè) mbd 技 術(shù)的成功應用經(jīng)驗，結(jié)合飛機數(shù)字化制造流程，開展適合于我國國情的飛機三維數(shù)字化 設計制造技術(shù)應用研究。mbd 內(nèi)涵美國機械工程師協(xié)會于 1997 年在波音公司的協(xié)助下開始了有關(guān) mbd 標準的研究和制 定工作，并于 2003 年使之成為美國國家標

3、準。mbd 的主導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 解且更具效率的設計信息表達方式。它用集成的三維數(shù)模完整地表達了產(chǎn)品定義信息的 方法，詳細規(guī)定了三維數(shù)模中產(chǎn)品尺寸、公差的標注規(guī)則和工藝信息的表達方法。 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，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、以三維實體模型數(shù)模為輔的制造方法?；?mbd 的三維數(shù)模通過圖形和文字表達的方式，直接或間接地揭示了一個物料（bom）

4、 項的物理和功能需求。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、 用圖形方式表達的幾何信息和以文字表達的屬性、注釋等非幾何信息組成。屬性數(shù)據(jù)表達了產(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的屬性和注釋數(shù)據(jù)組成。國外發(fā)達航空企業(yè) mbd 技術(shù)的應用現(xiàn)狀近 10 余年，隨著飛機制造技術(shù)的發(fā)展，以波音、洛馬和空客公司為代表的飛機制 造業(yè)在數(shù)字化技術(shù)應用領(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 機研

5、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)與三維設計信息共同定義到產(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。基于 mbd 的數(shù)字化制造流程飛機的研制必須經(jīng)歷產(chǎn)品設計、工藝設計、工裝設計、產(chǎn)品制造和檢驗檢測等 5

6、 個 主要環(huán)節(jié)，并在產(chǎn)品制造和檢驗檢測環(huán)節(jié)中，由三維設計數(shù)模分別派生出三維工藝數(shù)模 和檢驗數(shù)模。在工藝設計過程中，工藝部門依據(jù)設計部門按基線預發(fā)放的三維設計數(shù)模進行工藝 分析，并向設計部門反饋工藝審查意見；依據(jù)設計部門正式發(fā)放的 ebom（產(chǎn)品設計結(jié)構(gòu)） 和三維設計數(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， 進行全機裝配工藝仿真，最終形成經(jīng)過裝配仿真驗證的 mbom（產(chǎn)品制造結(jié)構(gòu)）頂層結(jié)構(gòu)， 發(fā)放到下游的工裝設計、專業(yè)制造和檢驗檢測等部門。在工裝設計過程中，工裝設計制造部門依據(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計部門的三維產(chǎn)品設

7、計數(shù)模進行工裝設計；依據(jù)三維 工裝設計數(shù)模進行 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)設計部門正式發(fā)放的 ebom 和三維設計數(shù)模、工藝部門的 pbom 建立三維工藝數(shù)模，進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)品檢驗檢測過程中，檢驗檢測部門依據(jù)設計部門正式發(fā)放的 ebom、三維設計數(shù) 模，三維工裝設計數(shù)模編制檢測計劃，計算測量數(shù)據(jù)，完成零部件和工裝的檢測。基于 mbd 的三維數(shù)字化制造研究內(nèi)容為了實現(xiàn)基于

8、 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）是實現(xiàn)數(shù)字化制造的基礎，它以數(shù)字量方式對產(chǎn)品進行準確 描述。采用 mbd 技術(shù)后，數(shù)字化產(chǎn)品定義信息必須按 mbd 要求進行分類組織管理，完整 準確地表達產(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數(shù)據(jù)的需求，保證飛機產(chǎn)品設計制造過程中的協(xié)調(diào)性。因此，應 該在吸收、消化 iso/dis 16792、asme 的基礎上，結(jié)合國標技術(shù)產(chǎn)品文件數(shù)字化產(chǎn)品 定義數(shù)據(jù)通則系列標準以及波音、空客三維

9、模型和我國航空產(chǎn)品數(shù)字化設計制造技術(shù) 的實際情況，開展基于 mbd 的設計建模技術(shù)、基于 mbd 的工藝建模技術(shù)、基于 mbd 的檢 驗建模技術(shù)、基于 mbd 的并行設計流程管理技術(shù)、基于 mbd 的設計質(zhì)量控制技術(shù)的研究。2 基于 mbd 的數(shù)字化工藝設計與仿真技術(shù)mbd 技術(shù)以三維數(shù)模作為唯一的制造依據(jù)，使飛機產(chǎn)品的工藝設計活動發(fā)生了根本變 化。工藝設計與仿真將在三維數(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)字樣機為基礎，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，進行飛機數(shù)字化三維工藝設計、數(shù)字化工藝容差分 配、

10、仿真和優(yōu)化、數(shù)字化三維工藝仿真驗證。在工藝設計與仿真的不同階段，仿真的內(nèi) 容也不同。在工藝審查階段，對零件、組件、部件組成的制造單元進行可制造性、可裝 配性分析，檢查結(jié)構(gòu)設計的合理性；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動路徑；在工裝設計階段，進行制造資源仿真，設計出合格的工裝資源；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 的工藝容差分配計算和優(yōu)化，實現(xiàn)基于模型的工藝分離面劃分、裝 配工位設計、裝配流程設計、三維工藝指令設計等。因此，必須預先開展基于 m b d 的 數(shù)字化工藝設計技術(shù)、基于 mbd 的工藝

11、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 的工藝裝備設計制造集成技術(shù)工藝裝備設計在三維數(shù)字化環(huán)境下，以產(chǎn)品數(shù)字樣機、工藝數(shù)字樣機為基礎，進行 工藝技術(shù)裝備的設計和仿真，逐步形成面向現(xiàn)代航空制造的基于三維的飛機制造技術(shù)裝 備工程體系，實現(xiàn)技術(shù)裝備數(shù)字化、自動化、柔性化。在工裝設計過程中，產(chǎn)品設計數(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，必須應用三維關(guān)聯(lián)技 術(shù)和三維在線技術(shù)預先開展基于 m b d 工藝裝備設計與飛機產(chǎn)品、工藝設計及仿真的數(shù) 字化協(xié)同技術(shù)、工藝裝備設計與產(chǎn)品設計、工藝設計的關(guān)聯(lián)更改技術(shù)、工藝裝備三維數(shù) 字化設計制造一體化集成技術(shù)、

12、基于三維數(shù)字化工藝裝備設計、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)字樣機和工藝數(shù)字樣機的基礎上，開展三維工藝檢驗計劃的技 術(shù)研究工作，探討三維數(shù)字圖形轉(zhuǎn)換為測量機等數(shù)字化設備能夠識別的數(shù)字信息的技術(shù) 方法，并以基于 mbd 的三維設計數(shù)模、工藝數(shù)模和檢測方案為依據(jù)開發(fā)檢驗數(shù)據(jù)計算程 序，建立基于 m b d 的三維檢驗數(shù)模，并與產(chǎn)品數(shù)字樣機和工藝數(shù)字樣機一起納入 pdm 系 統(tǒng)進行管理。與此同時，在制造產(chǎn)品數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（ mbom）的基礎上，建立基于質(zhì)量產(chǎn)品結(jié) 構(gòu)（qb om）的集成質(zhì)量管理系統(tǒng)。以 p dm 系統(tǒng)的檢測計劃、三維檢測模型為依據(jù)，

13、通 過集成質(zhì)量管理系統(tǒng)在生產(chǎn)現(xiàn)場采集飛機檢驗檢測數(shù)據(jù)，并建立檢驗檢測結(jié)果與 qbom 的 關(guān)聯(lián)關(guān)系，納入集成質(zhì)量管理系統(tǒng)進行有效的管理，在此基礎上形成單架次飛機的質(zhì)量 檔案，最終完成單架次飛機質(zhì)量檔案的歸檔工作。因此，必須預先開展基于 mbd 的檢測 信息定義技術(shù)、基于 mbd 的檢測過程設計技術(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)場指導工 人工作的技術(shù)依據(jù)。為了確保裝配現(xiàn)場能夠及時獲取現(xiàn)行有效的三維

14、數(shù)模、輕量化模型、 三維裝配工藝指令，滿足飛機裝配過程管理與執(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 的設計模型、工藝模型、檢驗模型、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 pdm 中進行管理，并建立與裝配現(xiàn)場作業(yè)計 劃的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實現(xiàn)三維可視化裝配技術(shù)在裝配制造執(zhí)行系統(tǒng)（mes）的集成應用，實現(xiàn) 真正的無紙化。因此，必須預先開展基于 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計工具開發(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，

15、產(chǎn)品工藝數(shù)據(jù)、檢驗檢測數(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，設計部門不再向制造部門發(fā)放二維工程圖紙，減少了設計工作量，簡 化了管理流程。工藝部門通過三維數(shù)字化工藝設計與仿真，依據(jù)基于 mbd 的三維產(chǎn)品設 計數(shù)模建立三維工藝模型，生成零件加工、部件裝配動畫等多媒體工藝數(shù)據(jù)；檢驗部門 通過三維數(shù)字化檢驗，依據(jù)基于 mbd 的三維產(chǎn)品設計數(shù)模、三維工藝模型，建立三維檢 驗模型和檢驗計劃。與此同時，設計數(shù)模的版本變化將直接引發(fā)工藝數(shù)模、檢驗數(shù)模的 版本變化。因此，需要以零部件為對象，建立產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)和檢驗數(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)進行管理，通過檢入與檢出，確保產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)、 工藝數(shù)據(jù)、檢驗數(shù)據(jù)版本信息的一致。鑒于目前中航工業(yè)設計與制造分離的現(xiàn)實情況， 應預先開展廠所協(xié)同研制單一數(shù)據(jù)源管理技術(shù)、基于 bom 的