基于MBD的飛機數(shù)字化裝配工藝設(shè)計及應(yīng)用

1、基于MBD的飛機數(shù)字化裝配工藝設(shè)計及應(yīng)用基于模型定義技術(shù)使三維模型成為產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)過程中的唯一依據(jù)，這一應(yīng)用必然改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式。文章在基于模型定義技術(shù)的背景下，提出了飛機數(shù)字化裝配工藝設(shè)計及應(yīng)用模式，在該模式下，通過工藝方案設(shè)計和詳細工藝設(shè)計，完成了三維裝配指令的構(gòu)建，從而為裝配現(xiàn)場可視化提供了依據(jù)。當(dāng)前，我國航空制造業(yè)的數(shù)字化技術(shù)發(fā)展迅速，三維數(shù)字化設(shè)計技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。特別是基于模型定義(Model-Based Definition，MBD)技術(shù)的實施，使三維模型取代二維圖紙成為設(shè)計制造的唯一依據(jù)。隨著MBD技術(shù)的深入應(yīng)用，必然會對工藝規(guī)劃設(shè)計、車間生產(chǎn)應(yīng)用等產(chǎn)生重大影響，引起數(shù)字

2、化制造技術(shù)的重大變革，真正開啟三維數(shù)字化制造時代。本文在MBD技術(shù)背景下，對飛機數(shù)字化裝配工藝設(shè)計及應(yīng)用做一些闡述。1 MBD技術(shù)    1.1 MBD技術(shù)的內(nèi)涵    基于模型的定義(MBD)，是一個用集成的三維實體模型來完整表達產(chǎn)品定義信息的方法體，它詳細規(guī)定了三維實體模型中產(chǎn)品尺寸、公差標注規(guī)則和工藝信息表達方法。    從狹義上說，MBD就是對數(shù)字化模型進行規(guī)范化的全三維標注；從廣義上說，MBD不僅是對模型進行三維標注，和傳統(tǒng)的以工程圖為核心授權(quán)資料的生產(chǎn)模式相比，以MBD數(shù)據(jù)集為唯一依據(jù)的制造技

3、術(shù)帶來了生產(chǎn)模式的變革，更有效地增加了數(shù)字化技術(shù)帶來的便利。    1.2 MBD技術(shù)的意義    在MBD的技術(shù)體系中，MBD數(shù)據(jù)集的內(nèi)容包含設(shè)計、工藝、制造、檢驗等各部門的信息。在數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和研制管理體系的控制下，各職能人員可以在一個產(chǎn)品模型上協(xié)同工作，提高了設(shè)計效率。同時也提高了產(chǎn)品的可制造性。其意義如圖1所示。圖1 MBD技術(shù)的意義2 基于MBD的飛機數(shù)字化裝配工藝設(shè)計及應(yīng)用模式    MBD技術(shù)應(yīng)用以前，裝配工藝設(shè)計工作以工程圖或工程圖紙為主要工作依據(jù)。采用MBD技術(shù)后，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計工作的結(jié)果

4、是數(shù)字狀態(tài)的三維數(shù)模，不再生成紙質(zhì)形態(tài)的工程圖紙。因此，對于工藝設(shè)計人員、生產(chǎn)裝配現(xiàn)場的操作人員與技術(shù)人員，他們的工作依據(jù)與工作方式也發(fā)生了深刻變化。基于MBD的飛機數(shù)字化裝配工藝設(shè)計及應(yīng)用模式如圖2所示。圖2 基于MBD的飛機數(shù)字化裝配工藝設(shè)計及應(yīng)用模式    在該應(yīng)用體系中，通過建立MBD的數(shù)字化定義規(guī)范，采用三維建模進行數(shù)字化產(chǎn)品定義，建立起滿足協(xié)調(diào)要求的飛機全機級三維數(shù)字樣機和三維工裝模型。工藝人員在MBD的工藝設(shè)計規(guī)范的指導(dǎo)下，直接依據(jù)三維實體模型開展三維工藝設(shè)計，改變了以往同時依據(jù)二維工程圖紙和三維實體模型來設(shè)計產(chǎn)品裝配工藝和零件加工工藝的做法。依據(jù)數(shù)

5、字化裝配工藝流程，建立起三維數(shù)字化裝配工藝模型，通過數(shù)字化虛擬裝配環(huán)境對裝配工藝過程進行數(shù)字化模擬仿真，在工藝工作進行的同時及飛機產(chǎn)品實物裝配之前，進行制造工藝活動的虛擬裝配驗證，確認工藝操作過程準確無誤后再將裝配工藝授權(quán)發(fā)放，進行現(xiàn)場使用和實物裝配。在數(shù)字化裝配工藝模擬仿真過程中生成裝配操作過程的三維工藝圖解和多媒體動畫數(shù)據(jù)，結(jié)合裝配工藝流程建立起數(shù)字化裝配工藝數(shù)據(jù)，為數(shù)字化裝配工藝現(xiàn)場應(yīng)用提供依據(jù)。3 工藝方案設(shè)計    3.1 工藝方案設(shè)計內(nèi)容    工藝方案設(shè)計的工作內(nèi)容：首先，直接依據(jù)MBD三維產(chǎn)品數(shù)模進行裝配單元劃分，構(gòu)建

6、出EBOM；然后，將EBOM轉(zhuǎn)換為PBOM；最后，在形成的PBOM的基礎(chǔ)上，劃分出ACC級，再將各個ACC劃分出POS單元，并確定每個POS單元的安裝定位計劃、交付狀態(tài)、主要工序、協(xié)調(diào)方法和工裝技術(shù)條件。    EBOM稱為工程物料表，在裝配工藝設(shè)計中，EBOM中的數(shù)據(jù)是飛機裝配的數(shù)據(jù)源。方案設(shè)計過程中，首先根據(jù)MBD三維產(chǎn)品數(shù)模構(gòu)建出EBOM結(jié)構(gòu)樹。然后根據(jù)裝配方法與裝配工藝技術(shù)水平，同時考慮工藝方面及生產(chǎn)效率，從制造生產(chǎn)角度將結(jié)構(gòu)按工藝分離面劃分，需要對原來設(shè)計的結(jié)構(gòu)關(guān)系和零組件隸屬層次進行一定程度上的調(diào)整，將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)從EBOM形式調(diào)整成裝配結(jié)構(gòu)樹PBOM，指

7、導(dǎo)后繼的工藝設(shè)計工作。在形成PBOM的過程中，考慮到工藝方面的因素對原結(jié)構(gòu)進行修改的同時，要使PBOM數(shù)據(jù)與EBOM中的數(shù)據(jù)保持一致，這包括不能在原結(jié)構(gòu)中增加和刪除零組件、改變所用零件的數(shù)量以及改變部件之間的安裝關(guān)系等。因而調(diào)整的方法主要有：增加工藝構(gòu)型結(jié)點、刪除工藝構(gòu)型結(jié)點、修改結(jié)點描述、移動結(jié)點子樹等。為了使裝配流程平衡和裝配節(jié)拍協(xié)調(diào)，在劃分ACC時要盡可能使每個ACC的工作量相等。在劃分POS時要體現(xiàn)“精益生產(chǎn)”的思想，盡量保證每個POS的工作量相等，一般使每個裝配型架上的裝配工作都劃分成一個POS，同時還要考慮工時定額分配和工人工資計算等問題。    3.

8、2 工藝流程的組織    在基于MBD的飛機裝配工藝設(shè)計及應(yīng)用模式下工藝流程的組織分4個層次：ACC層、POS層、JOB層和STEP層。其中ACC（Assembly Control Code，裝配控制碼）是按一定的工作量和由產(chǎn)品工藝分離面確定的進度、成本、質(zhì)量來控制和生產(chǎn)組織單元的。POS是對ACC細化的結(jié)果，與POS相對應(yīng)的是工位，POS按照裝配線上進行生產(chǎn)活動的地理區(qū)域以及區(qū)域中相對固定的人員、工藝裝備、專用工具和設(shè)備等進行組織。JOB劃分是將POS所包含的裝配內(nèi)容按工藝要求劃分為一項項的工作，每個JOB對應(yīng)一個人單獨完成或多人協(xié)同完成的一項工作，也對應(yīng)裝配中

9、的一道工序。STEP是裝配工藝流程的最小、最基本的工作單元，在STEP中要求用準確的語言描述操作過程、定位方法和基準、加緊方式、專用工具、量具以及輔助材料等，對應(yīng)裝配中的工步。4個層次裝配工藝流程之間的關(guān)系是ACC層包含POS層，POS層包含JOB層，JOB層包含STEP層，如圖3所示。圖3 裝配工藝流程關(guān)系3.3 MBD三維工藝數(shù)模的構(gòu)建    通過工藝方案的設(shè)計確定了每個POS單元的安裝定位計劃、交付狀態(tài)、主要工序、協(xié)調(diào)方法和工裝技術(shù)條件。    為了體現(xiàn)MBD無紙化的思想，工裝技術(shù)條件采用非紙質(zhì)文檔，以數(shù)字量的形式傳遞給工裝設(shè)計

10、人員。并且采用MBD的標注方式在三維產(chǎn)品數(shù)模結(jié)構(gòu)樹中增加安裝定位計劃、交付狀態(tài)、主要工序和協(xié)調(diào)方法的相關(guān)信息，完成三維工藝數(shù)模的構(gòu)建，從而為詳細工藝設(shè)計提供依據(jù)。4 詳細工藝設(shè)計    4.1 詳細工藝組織結(jié)構(gòu)    詳細工藝設(shè)計的依據(jù)是MBD三維工藝數(shù)模和MBD三維工裝數(shù)模。詳細工藝設(shè)計是借助Dassault公司的DELMIA DPM平臺進行工藝仿真完成的。工藝方案設(shè)計的結(jié)果是很多相聯(lián)系的POS單元。工藝仿真的任務(wù)就是在POS對象的基礎(chǔ)上，先進行JOB和STEP單元的劃分，然后以POS為組織結(jié)構(gòu)單元進行工藝仿真。 

11、0;  將POS流程單元所對應(yīng)的MBD產(chǎn)品數(shù)模和MBD工裝數(shù)模導(dǎo)入到DELMIA DPM平臺中，完成工序流程單元的劃分及參與裝配件的指派；再根據(jù)工藝規(guī)程，結(jié)合工程數(shù)據(jù)與工裝數(shù)據(jù)，通過DELMIA DPM仿真系統(tǒng)建立起以工藝活動為中心的工程、工裝、工藝數(shù)據(jù)組織模型，對零部件裝配運動路徑進行規(guī)劃仿真，并進行產(chǎn)品與產(chǎn)品之間、產(chǎn)品與工裝資源之間的碰撞與干涉檢測，檢測工藝設(shè)計中可能存在的干涉與碰撞等不協(xié)調(diào)問題，使設(shè)計完成的裝配工藝具有最大程度的可行性與合理性。    4.2 詳細工藝設(shè)計結(jié)果    詳細工藝設(shè)計的結(jié)果由4個部分組成：工

12、藝動畫、工藝圖解、工藝文件和Process仿真原文件。其中工藝動畫可以由DELMIA自帶的功能生成；Process仿真原文件的保存是為了以后修改備用；工藝圖解和工藝文件是通過編寫腳本文件，利用DELMIA的功能導(dǎo)出的，工藝文件是XML格式的。其形式如圖4所示。圖4 以POS為單位的XML工藝文件格式    為了便于管理，工藝仿真導(dǎo)出的4個文件要有一定的命名規(guī)則。5 適應(yīng)MBD技術(shù)的數(shù)字化裝配工藝現(xiàn)場應(yīng)用    5.1 現(xiàn)場應(yīng)用模式    裝配工藝可視化技術(shù)是把產(chǎn)品設(shè)計信息、制造資源信息和工藝設(shè)計信息整合后

13、以數(shù)字量的形式傳遞到車間現(xiàn)場，并展示出來的方法。    在裝配車間的各裝配工位鋪設(shè)網(wǎng)絡(luò)，架設(shè)生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)字化應(yīng)用終端設(shè)備，將三維數(shù)據(jù)傳遞到裝配操作現(xiàn)場，運用多媒體的裝配工藝信息、三維產(chǎn)品數(shù)據(jù)和三維工裝數(shù)據(jù)，在數(shù)字化環(huán)境中指導(dǎo)工人進行飛機的裝配工作。飛機數(shù)字化裝配工藝的現(xiàn)場應(yīng)用模式如圖5所示。圖5 飛機數(shù)字化裝配工藝的現(xiàn)場應(yīng)用模式    5.2 三維AO的構(gòu)建    傳統(tǒng)的AO(Assembly Order)即裝配指令，是工藝部門根據(jù)工程設(shè)計的要求，和工廠現(xiàn)有的工藝水平及質(zhì)量保證的要求，編寫的指導(dǎo)生產(chǎn)的工藝文

14、件。隨著MBD技術(shù)的深入發(fā)展，紙質(zhì)工藝文件必將被數(shù)字化的工藝文件所取代。三維AO就是數(shù)字化的工藝文件，其內(nèi)容包括產(chǎn)品設(shè)計信息、制造資源信息、工藝設(shè)計信息及工藝動畫。    在該MBD制造模式下，通過三維數(shù)字化產(chǎn)品與工裝協(xié)調(diào)建模及三維裝配工藝仿真設(shè)計，在形成飛機裝配工藝流程信息的同時，制作相應(yīng)的飛機三維結(jié)構(gòu)生產(chǎn)圖解與多媒體裝配過程動畫，用于在裝配工位現(xiàn)場指導(dǎo)裝配。通過建立面向飛機MBD三維產(chǎn)品數(shù)據(jù)的裝配工藝現(xiàn)場應(yīng)用系統(tǒng)，以工藝活動為中心，將三維產(chǎn)品工程數(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，完成三維AO的構(gòu)建。其應(yīng)用形式的系統(tǒng)界面如圖6和圖7所示。圖6 三維AO應(yīng)用形式（1）圖7 三維AO應(yīng)用形式（2）    在裝配工作的準備與培訓(xùn)階段，通過觀看裝配過程動畫，可以使裝配工人對整個裝配工作有一個直觀的了解，掌握裝配工作的內(nèi)容，包括裝配對象、裝配順序、零件定位方法等。通過數(shù)字化裝配應(yīng)用終端，現(xiàn)場操作人員能夠查詢、瀏覽到裝配工藝流程信息和操作過程工藝圖解，以多媒體動畫方式觀看裝配過程，對生產(chǎn)操作過程起直觀的指導(dǎo)；同時，通過工藝信息中建立的鏈接，可以在數(shù)字化環(huán)境下游覽MBD三維產(chǎn)品數(shù)據(jù)