基于MBD的三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)可視化技術(shù)應(yīng)用

1、基于MBD的三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)可視化技術(shù)應(yīng)用基于MBD的三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)技術(shù)是現(xiàn)代航空數(shù)字化制造中的一門新興學(xué)科，也是未來飛機(jī)三維裝配工藝設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。本文介紹了該技術(shù)主要通過對(duì)DELMIA、3DVIA Composer、CAPP等工藝設(shè)計(jì)、工藝仿真軟件進(jìn)行客戶化定制和多系統(tǒng)集成應(yīng)用，完成基于MBD三維產(chǎn)品模型的工藝分離面的劃分、BOM重構(gòu)、工藝仿真以及三維裝配指令編制等工藝設(shè)計(jì)工作，并通過生產(chǎn)管理系統(tǒng)將已完成的工藝設(shè)計(jì)信息傳遞到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)可視化裝配，打通了基于MBD的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)可視化裝配的技術(shù)路線。    MBD(Model-B

2、ased Definition)即基于模型的產(chǎn)品數(shù)字化定義，其特點(diǎn)是：產(chǎn)品設(shè)計(jì)不再發(fā)放傳統(tǒng)的二維圖紙，而是采用三維數(shù)字化模型作為飛機(jī)零件制造、部件裝配的依據(jù)。傳統(tǒng)的二維工藝設(shè)計(jì)模式已經(jīng)不能適應(yīng)全三維設(shè)計(jì)要求。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、工藝設(shè)計(jì)軟件技術(shù)的發(fā)展，以及協(xié)同平臺(tái)的建立，為三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)和并行工程奠定了基礎(chǔ)。1 三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)可視化系統(tǒng)    通過采用達(dá)索公司三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)DELMIA及3DVIA Composer解決方案，構(gòu)建“數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)和仿真系統(tǒng)”及“生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)可視化系統(tǒng)”。突破DELMIA二次開發(fā)及定制技術(shù)、

3、3D制造過程仿真驗(yàn)證及優(yōu)化技術(shù)、MBD技術(shù)、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)可視化技術(shù)、Windchill/DELMIA/EPCS/CAPP多系統(tǒng)集成技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，最終構(gòu)建符合企業(yè)業(yè)務(wù)需求的“數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)和仿真系統(tǒng)”及“生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)可視化系統(tǒng)”?？s短飛機(jī)裝配周期，提高裝配質(zhì)量，全面提升飛機(jī)的數(shù)字化制造能力。系統(tǒng)流程及集成架構(gòu)如圖1所示。    圖1 系統(tǒng)流程及集成框架    系統(tǒng)流程及集成工作思路如下：    (1)Windchill企業(yè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是企業(yè)唯一合法的數(shù)據(jù)來源，管理著各種BOM信息。通過接口程序，把PBOM

4、以XML的格式輸出。    (2)通過在DELMIA DPE平臺(tái)上二次開發(fā)技術(shù)，把XML格式的PBOM及產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)模型調(diào)入DPE模塊中進(jìn)行工藝規(guī)劃，并創(chuàng)建頂層MBOM。    (3)劃分哪些工作需要在DELMIA中進(jìn)行仿真驗(yàn)證，哪些不需要仿真驗(yàn)證，并將創(chuàng)建的頂層MBOM存到Windchill中。    (4)將需要仿真驗(yàn)證的裝配件在DELMIA中進(jìn)行詳細(xì)的AO劃分。    (5)在DELMIA DPM中進(jìn)行裝配仿真驗(yàn)證、人機(jī)工程仿真、資源仿真等工作。  

5、  (6)利用3DVIA Composer進(jìn)行細(xì)節(jié)三維裝配指令編制工作。    (7)進(jìn)行DELMIA與CAPP的接口開發(fā)，使三維AO及配套表傳入CAPP系統(tǒng)，并最終通過CAPP在Windchill進(jìn)行流程審簽。    (8)開發(fā)Windchill和ERP及MES的接口程序，把MBOM和AO信息傳遞給ERP及MES系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車間現(xiàn)場(chǎng)裝配可視化，指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)工作。2 三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)    三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)是通過對(duì)飛機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，在企業(yè)現(xiàn)有制造能力（設(shè)備、工藝技術(shù)能力、人力資源等

6、）及產(chǎn)量要求的基礎(chǔ)上，進(jìn)行組件劃分，制定裝配流程，確定裝配方案，并選擇各裝配環(huán)節(jié)所需要的制造資源。在三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，工藝設(shè)計(jì)用樹狀結(jié)構(gòu)表示，主要由產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹、工藝結(jié)構(gòu)樹、資源結(jié)構(gòu)樹3個(gè)分支構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)特征按企業(yè)需求進(jìn)行工藝模板定制?；贛BD技術(shù)的三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)主要工作流程如圖2所示。圖2 基于MBD技術(shù)的三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)流程    2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作    在三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)中所用的數(shù)據(jù)格式分為3種，CGR格式、CATIA V5模型、smgxml格式。其功能為：   

7、; CATIA V5模型：來源于產(chǎn)品設(shè)計(jì)部門，是工藝設(shè)計(jì)的依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。    CCR格式模型：由CATIA V5模型轉(zhuǎn)換而來，輕量化模型，用于大數(shù)據(jù)量模型的仿真及DPM環(huán)境下產(chǎn)品結(jié)構(gòu)瀏覽。    smgxml格式模型：由CATIA V5模型轉(zhuǎn)換而來，輕量化模型，用于在WKC中進(jìn)行三維裝配指令的三維視圖編輯。smgxml格式模型轉(zhuǎn)換界面如圖3所示。圖3 smgxml格式模型轉(zhuǎn)換界面2.2 PBOM數(shù)據(jù)導(dǎo)入    將來自協(xié)同平臺(tái)的XML格式的PBOM導(dǎo)入DELMIA的DPE中，PBOM中的零組件信息（工藝

8、路線、批架次、工組件等）會(huì)通過程序自動(dòng)關(guān)聯(lián)CGR模型、CATIA V5模型、smgxml模型3種格式的數(shù)據(jù)。并導(dǎo)入產(chǎn)品模型的坐標(biāo)位置信息。在DPE中構(gòu)建全機(jī)或部件的PBOM結(jié)構(gòu)樹。數(shù)據(jù)導(dǎo)入流程如圖4所示。圖4 PBOM數(shù)據(jù)導(dǎo)入    2.3 工藝分離面的劃分    完成數(shù)據(jù)導(dǎo)人工作后，在DELMIA系統(tǒng)的MA(Manufacturing Assembly)中根據(jù)三維產(chǎn)品模型在三維數(shù)字化環(huán)境下進(jìn)行全機(jī)、部組件工藝分離面的劃分，結(jié)合PBOM結(jié)構(gòu)樹確定各工藝裝配部件、組合件需要裝配的組件及零件項(xiàng)目，構(gòu)建工藝部件、組件模型結(jié)構(gòu)。在MA中進(jìn)行工

9、藝分離面劃分如圖5所示。圖5 MA中進(jìn)行工藝分離面劃分    2.4 全機(jī)或部件裝配工藝仿真    針對(duì)工藝分離面劃分結(jié)果在DPM中進(jìn)行全機(jī)及部件級(jí)工藝仿真，驗(yàn)證工藝分離面劃分的合理性，并進(jìn)行優(yōu)化。    2.5 部件裝配方案的設(shè)計(jì)    在工藝分離面劃分優(yōu)化的基礎(chǔ)上，在DPE的PROCESS結(jié)構(gòu)樹上對(duì)各工藝部件進(jìn)行裝配流程設(shè)計(jì)，劃分下一級(jí)組件裝配單元，確定在各組件裝配的零組件項(xiàng)目，構(gòu)建頂層MBOM結(jié)構(gòu)樹，關(guān)聯(lián)來自工藝部件的組件裝配工藝模型。確定裝配工藝基準(zhǔn)和裝配定位方法，并

10、規(guī)劃各組件之間的裝配流程。    2.6 部、組件裝配AO的確定    在部、組件劃分的基礎(chǔ)上，依據(jù)分配到部、組件項(xiàng)目的裝配工藝模型在DPE的PROCESS結(jié)構(gòu)樹上進(jìn)一步進(jìn)行部、組件裝配過程設(shè)計(jì)，確定各部、組件所屬零組件的裝配順序，規(guī)劃完成裝配的AO項(xiàng)目，編制AO號(hào)，關(guān)聯(lián)每本AO需要裝配的零組件項(xiàng)目。    2.7 工裝訂貨單的編制及工裝設(shè)計(jì)    工藝部門依據(jù)工藝設(shè)計(jì)內(nèi)容提出裝配工裝、夾具、刀具的訂貨技術(shù)要求。工裝部門根據(jù)訂貨技術(shù)要求，設(shè)計(jì)裝配型架、地面設(shè)備、專用工、刀、量

11、具的三維數(shù)模。2.8 工裝數(shù)據(jù)的導(dǎo)入    將來自于企業(yè)協(xié)同平臺(tái)的工裝等資源三維模型數(shù)據(jù)分別以CATIA V5模型和格式導(dǎo)入DELMIA系統(tǒng)，建立資源結(jié)構(gòu)樹，并分別關(guān)聯(lián)到PROCESS工藝設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)樹上的部組件裝配項(xiàng)目上。    2.9 詳細(xì)工藝設(shè)計(jì)    在三維數(shù)字化環(huán)境下確定該裝配工藝過程零組件、標(biāo)準(zhǔn)件、成品等裝配順序，明確裝配工藝方法、裝配步驟，進(jìn)行AO下工步的詳細(xì)設(shè)計(jì)，完成本裝配過程的工步規(guī)劃設(shè)計(jì)，并將產(chǎn)品零組件和工步關(guān)聯(lián)。選定該裝配過程所需要的工裝、夾具、工具、輔助材料等一系列的制造資源，并將工裝

12、與工位關(guān)聯(lián)。依據(jù)產(chǎn)品連接定義分配該過程所需要的標(biāo)準(zhǔn)件，形成用于指導(dǎo)生產(chǎn)的AO裝配信息。    2.10 部、組件裝配仿真    產(chǎn)品及資源三維模型在工步上關(guān)聯(lián)后，依據(jù)AO內(nèi)容及設(shè)計(jì)好的裝配工藝流程，在DPM中通過對(duì)每個(gè)零件、成品和組件的移動(dòng)、定位、夾緊等操作進(jìn)行產(chǎn)品與產(chǎn)品、產(chǎn)品與工裝的干涉檢查，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)存在干涉情況時(shí)報(bào)警，并顯示出干涉區(qū)域和干涉量，以幫助工藝設(shè)計(jì)人員查找和分析干涉原因。同時(shí)通過對(duì)產(chǎn)品裝配和拆卸過程進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)仿真，可以驗(yàn)證每個(gè)零件按工藝設(shè)計(jì)的裝配順序是否能無阻礙的裝配上去，以發(fā)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)過程中裝配順序設(shè)計(jì)的合理性。對(duì)

13、于開敞性、可視性、可達(dá)性、可操作性較差的部位可以將標(biāo)準(zhǔn)人體的三維模型放人虛擬裝配環(huán)境中進(jìn)行人機(jī)工程仿真，模擬操作者的操作過程以便發(fā)現(xiàn)操作空間大小是否滿足裝配需要，操作者身體或肢體能否到達(dá)裝配位置、是否看得見等問題。仿真結(jié)果通過仿真報(bào)告提交產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)等部門進(jìn)行優(yōu)化。    2.11 三維裝配指令編制    通過部、組件裝配仿寞，對(duì)產(chǎn)品、工裝、AO內(nèi)容及裝配順序等進(jìn)行優(yōu)化后，依據(jù)優(yōu)化后的工藝設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)入DELMIA的WKC(Work Instruction Composer)中進(jìn)行各工步三維可視化視圖設(shè)計(jì)，將每個(gè)工步所要表達(dá)的工藝

14、信息通過三維輕量化視圖表達(dá)，包括標(biāo)準(zhǔn)件信息、裝配尺寸標(biāo)注、制孔要求、定位要求、工裝使用要求，其形式如圖6所示。圖6 WKC中三維可視化文件編制3 現(xiàn)場(chǎng)可視化技術(shù)應(yīng)用    3.1 現(xiàn)場(chǎng)可視化文件輸出、管理    由于采用MBD技術(shù)以后，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)不再發(fā)放二維圖紙，為了滿足裝配生產(chǎn)需要，中航工業(yè)陜飛采取了利用裝配仿真視頻、AO和三維工步視圖指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)裝配作業(yè)的解決方案，具體方法是將在DPE中完成的部組件工藝規(guī)劃、設(shè)計(jì)內(nèi)容提取到CAPP中的AO模板中，包括AO內(nèi)容頁、輔材配套表、標(biāo)準(zhǔn)件配套表、零件配套表等文檔信息，同時(shí)輸出DPM中部組件的仿真

15、視頻和WKC中的三維工步視圖，通過Windchill協(xié)同制造平臺(tái)進(jìn)行審簽發(fā)放和管理。    3.2 現(xiàn)場(chǎng)可視化應(yīng)用    通過裝配現(xiàn)場(chǎng)可視化技術(shù)，使MBD技術(shù)在車間“落地”，它是將產(chǎn)品的裝配仿真驗(yàn)證文件、三維工作指令以及工藝設(shè)計(jì)文件等工藝信息傳遞導(dǎo)入到企業(yè)的MES系統(tǒng)，發(fā)送到車間現(xiàn)場(chǎng)，操作人員通避現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏，在MES系統(tǒng)里查詢產(chǎn)品工藝裝配信息，可以直接查看三維裝配指令及相關(guān)三維仿真，以更直觀的方式了解產(chǎn)品的裝配屬性，理解產(chǎn)品的裝配工藝和工藝流程，從而提高裝配工作效率和準(zhǔn)確性。    MBD技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)具體應(yīng)用

16、過程是，首先運(yùn)行MES系統(tǒng)，通過查詢工位設(shè)備號(hào)，確認(rèn)某個(gè)部件的裝配工位，查看AO文件名稱、文件號(hào)以及裝配該部件的工藝裝備，然后輸入負(fù)責(zé)該部件裝配工作的操作者證件號(hào)，進(jìn)入該產(chǎn)品的具體生產(chǎn)信息界面，對(duì)應(yīng)AO名稱和文件號(hào)，查看產(chǎn)品的裝配仿真驗(yàn)證動(dòng)畫，直觀地全面了解產(chǎn)品的裝配流程，查看三維工作指令，獲取產(chǎn)品的定位、裝配尺寸等裝配信息，查看AO文件，獲取產(chǎn)品的裝配零件及詳細(xì)工作內(nèi)容，最終完成產(chǎn)品的裝配，如圖7所示。圖7 現(xiàn)場(chǎng)可視化4 結(jié)論    通過基于MBD的三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)可視化技術(shù)應(yīng)用研究及實(shí)施，打通了基于MBD的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)可視化裝配的技術(shù)路

17、線。從實(shí)施情況看三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)可視化系統(tǒng)在數(shù)字化制造中有以下優(yōu)點(diǎn)：    (1)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)的并行工程，縮短了產(chǎn)品研制周期，減少了開發(fā)成本。    (2)通過裝配過程三維仿真驗(yàn)證，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)存在的問題，有效地保證了產(chǎn)品裝配的質(zhì)量。    (3)通過現(xiàn)場(chǎng)可視化系統(tǒng)的應(yīng)用，三維裝配仿真通過三維數(shù)據(jù)直觀地顯現(xiàn)了裝配過程，使裝配操作者更容易理解裝配工藝，減少了裝配過程中的反復(fù)和人為差錯(cuò)。    (4)使工藝研制更便捷、更

18、直觀，特別在新產(chǎn)品研制中，通過三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)使得工藝方案的制定、技術(shù)決策更準(zhǔn)確、便捷。    (5)通過多個(gè)系統(tǒng)的集成，使設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)的信息可以更方便被調(diào)用，數(shù)據(jù)流通更加暢通。    (6)為企業(yè)提供了承上啟下的工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)，便于在此基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新開發(fā)，為企業(yè)的質(zhì)量管理、生產(chǎn)管理等系統(tǒng)提供上游工藝信息。    應(yīng)用中的不足之處：    (1)目前人機(jī)仿真操作比較繁瑣。    (2)裝配仿真時(shí)模型作為剛性件處理，無法模擬仿真零組件變形后的裝配情況，主要反映在某些