MBD技术应用

目前很多新项目（如Boeing787、MRJ和C919等）都采用基于模型定义技术（ModelBasedDefinition，MBD）。对于飞机设计，以全三维的MBD模型为数据源，传递给下游的工艺、质量和供应商使用；对于飞机制造，由于交付时间压力，大量新工艺的产生，迫使企业采用先进制造技术，引进自动化设备提高装配质量，缩短装配周期，改进生产率。而这些设备（如数控机床、机器人、柔性工装和激光跟踪仪）基本都是数字驱动的；对于工艺设计，二维工艺规划方法不能直接利用全数字化MBD模型，需要手工维护大量3D到2D转换等不增值环节，缺少工艺验证手段，编程停留在手工阶段。当工程更改频繁时，难以准确、高效地将MBD模型的数字量传递到数字化设备。二维工艺规划方法与上游的全三维数字化设计和下游的先进制造工艺及装备已不相适应，逐渐成为数字化制造瓶颈，针对飞机全数字化MBD模型定义，需要一种直接基于几何和特征的工艺规划方法和自动编程工具，能进行工艺验证，提高数字设备程序编制的质量和效率。本文探讨了基于MBD的飞机数字化工艺规划、验证和执行技术。首先提出一种基于MBD的数字化制造与生产技术框架，然后建立了支持设计，工艺和质量的MBD模型体系及相应的数字化制造与生产系统，最后分析了基于MBD的数字化工艺规划在方案设计、详细设计和生产研制阶段的一般流程。希望能为解决基于MBD的数字化制造与生产技术问题提供一些思路。基于MBD的飞机数字化制造与生产技术框架本文提出了一种飞机数字化制造框架，主要包含数据、工具和流程3个层次，如图1所示。数据层作为飞机和资源数字化定义的单一数据源，是数字化制造的基础。其底层是支撑MBD技术体系的基础数据库，如产品标准件库、工装标准件库、紧固件库、工艺参数库等。中间层是产品、工艺和资源的行业构型库，代表典型的部件结构、工艺流程和工装结构。顶层是对应于产品研制各个阶段的设计MBD模型、工艺MBD模型和质量MBD模型。工具层包括支持MBD技术体系的工具集和数字化设备，是数字化制造的支撑。其底层是PDM/ERP层，中间层是基于MBD的产品、工艺和生产现场管理系统，顶层是基于MBD的产品/工装设计工具和工艺设计工具，以及指令执行终端、数字化生产设备终端（如自动钻铆机）和检验终端（如激光跟踪仪）。流程层包含基于MBD的工艺规划、规划和执行的方法和流程，是数字化制造的核心。工艺规划包含工艺方案、协调方案、装配工艺规划、零件工艺规划、测量工艺规划和工艺指令编制等流程。工艺验证包含装配仿真、人机仿真、自动钻铆仿真、零件加工仿真和测量仿真等流程。工艺执行包含基于MBD的工艺指令执行、不合格品管理和数据采集等流程。数字化制造技术框架每个层次都需要标准规范支撑，采用标准的MBD数据、工具和方法流程能够保证产品数字化定义能够高效，准确传递到下游，被工艺、质量和供应商等部门所使用。支持设计、工艺和质量的MBD模型体系支持设计、工艺和质量的MBD模型是数字化制造的基石。图2是本文建立的一种MBD模型体系，用模型维、生命周期维和通用性层次维3个维度进行表达。MBD模型是逐步生成、逐步发展和逐步细化的。逐步生成是指模型类型，逐步发展是指模型沿产品生命周期进行演化，逐步细化是指模型由一般到特殊的发展过程。模型维包含产品模型、工艺模型、资源模型和信息模型。产品模型描述产品组成以及产品与工艺、产品与资源之间的关系等内容。如产品包括结构件（机头、机翼、机身），系统件（管路、电缆），零件（翼梁、肋、紧固件）等。工艺模型描述产品工艺路线、工位、装配大纲和工序等形成的工艺结构和装配及制造流程图，维护与产品模型和资源模型之间的关系。资源模型是指与产品定义相关工装，设备及工具等内容。包括型架、机床、机器人、跟踪仪、刀具和终端执行器等。信息模型描述产品、工艺和资源模型的信息结构及关系是设计管理系统、工艺管理系统和生产现场管理系统的数据模型。生命周期维至少包含概念设计、详细设计和生产研制3个阶段。每个阶段分别对应设计MBD模型、工艺MBD模型和质量MBD模型，反映了MBD模型的演变过程。设计MBD模型是指面向功能的设计数字样机（As-designDMU），包含零件模型以及装配需求模型ARM（AssemblyRequirementModel）等。工艺MBD模型是指面向装配和制造过程的工艺数字样机（As-planDMU），具体包含零件模型和制造的装配需求模型（ManufacturingAssemblyRequirementModel，MARM）等，零件模型包含大量的工艺特征（装配、零件和工装的加工及检测特征）。质量MBD模型是指生产现场经过测量和数据采集产生的质量数字样机（As-builtDMU）。通用性层次维包含通用层、构型层和实例层3个层次，反映了MBD模型逐步细化的过程。模型维中的产品、工艺和资源模型反映通用性层次维中，是指支持MBD应用的基础数据库，包括产品/工装标准件库、工具/刀具/设备数据库和工艺参数数据库等；构型层是指典型的典型产品构型库，工装构型库和工艺规程库。实例层是指MBD模型实例，概念设计和详细设计阶段是指带构型信息的各种数字样机（ConfiguredDMUs），生产研制阶段是指单架次飞机的质量MBD模型。支持MBD模型体系的数字化制造与生产系统针对MBD模型体系，本文给出了支持该体系的数字化制造与生产系统结构，如图3所示。基于MBD的飞机数字化工艺规划、验证及执行的流程1基于MBD的数字化工艺方案设计（概念设计阶段）工艺方案设计（见图4）：基于MBD的工艺设计输入是体现设计方案的设计MBD模型（成熟度为A），包括零件模型和装配需求模型（AssemblyRequirementModel，ARM）。模型中包括性能关键特性PKC（PerformanceKeyCharacteristic）（如影响飞行性能的壁板间的阶差或间隙）。工艺规划人员直接在3D环境中进行工艺分离面划分，建立相应的工艺组件，定义工艺路线形成顶层的装配流程图。同时工装设计人员展开工装和工艺布局的方案设计。工艺协调方案（如图5所示）：PKC的是向下游传递的，形成装配关键特性（AssemblyKeyCharacteristic，AKC）和制造关键特性（ManufacturingKeyCharacteristic，MKC）。AKC由装配方法决定（如手工装配能达到的精度），MKC由加工设备决定。容差分配的原理是将这些信息作为3D公差分析软件的输入，计算MKC尺寸链向上累计是否能满足PKC的需求。如不能则需要调整装配协调方案（如装配基准、定位方法、工装结构、装配顺序、制造工艺和制造能力等输入），直到满足PKC的需求。方案评审：根据技术和经济性等指标，对不同的工艺方案和协调方案进行评审。输出体现工艺方案的工艺MBD模型（又称成品或制造装配），该模型包括与装配流程相关的产品、工装和工具3D模型，其中公差分配的信息、AKC和MKC的也在相关的零部件和工装MBD模型中。2基于MBD的数字化工艺规划及验证（详细设计阶段）（1）详细工艺规划。图6所示的装配详细工艺规划的输入为成熟度为B的设计MBD模型，包括具有细节特征的零件模型和ARM。工艺设计人员根据输入模型，细化工位级别的装配大纲，建立装配工序及相应的流程。针对ARM模型中的紧固件信息，需要专门的紧固件工艺规划。如图7所示，在3D环境中，将紧固件指派到相应工位或工序，根据装配需求，形成装配的工艺MBD模型和制造的安装需求模型（ManufacturingAssemblyRequirementModel，MARM）。基于工艺MBD模型，进行详细工装设计（如柔性夹具）形成工装的MBD模型。如采用先进的装配工艺方法需要结合数字化设备模型和工具进行工艺仿真。本阶段的主要输出是装配流程图中各个工位或装配大纲相应的工艺MBD模型、自动钻铆设备和柔性工装的数控程序等。图7所示的零件工艺规划的输入是零件MBD模型。首先进行设计特征识别，将设计特征转换成加工特征，将工艺路线与加工特征关联起来，产生工序MBD模型。根据工序MBD模型进行夹具设计，并配合数控机床的数字模型进行加工仿真。这个阶段的主要输出就是零件工序或工艺MBD模型和数控程序。检验工艺规划的输入是工艺MBD模型。基于MBD检测方法首先需要在模型里定义与装配和零件制造相关的检测特征、尺寸公差和基准。直接利用检测特征和尺寸定义，进行自动路径规划，采用预先定义的测量规则，快速生成检测方案，并结合激光跟踪仪或CMM测量机的数字模型，进行仿真验证。检测工艺规划输出是检测工艺MBD模型（可直接驱动设备）或DMIS程序。（2）工艺验证。详细工艺规划完成后，需要在三维环境进行工艺验证以发现装配、加工和测量中可能遇到的任何问题，包括装配仿真验证结构件和系统件可装配性；手工装配仿真验证装配工人可视性、工具可达性及可操作性；自动装配仿真验证终端执行器、柔性工装和装配件之间的干涉；零件加工仿真验证刀具、夹具和工件之间是否存在干涉；检测仿真验证测量工具与工件的干涉并进行路径优化。工艺验证完后，对相应的工艺、工装、甚至产品设计进行可能的更改。（3）基于MBD工艺指令创建。如图8所示，设计MBD模型里的技术需求信息，如公差、装配条件和紧固件等，传递到工艺路线的工序中，形成MBD工艺指令。工艺规划人员根据需求，对每个工序所对应的轻量化的三维模型进行标注，以方便工人理解。工艺指令都是以三维数模中的MBD信息为数据源，当发生工程更改和构型更改，可以保证工艺指令和各种文档数据的一致性。（4）工艺评审。对详细的工艺设计（包括工艺MBD数据集）进行评审。如果没有通过评审，则请求工艺更改，工装更改或设计更改；如果通过评审，则输出带构型信息、成熟度为C的工艺MBD数据集（包括工艺MBD模型，轻量化的MBD模型指令、NC和机器人程序）。3基于MBD的数字化工艺执行及反馈（生产研制阶段）（1）MBD工艺指令执行。如图9所示，生产执行阶段的输入是工艺MBD数据集。现场工人通过工艺指令执行终端，浏览三维的工艺指令信息，指导现场装配操作，并进行质量数据采集。当现场发现不合格品，在3D模型中直接加入不合格零件的相关信息，启动不合格品管理流程。系统能实时地显示执行过程中的质量MBD模型，如装配干涉位置、缺件以及因为延期或质量问题产生的不合格品等。（2）工艺MBD数据集驱动数字化设备。工艺MBD模型、NC/机器人/测量程序驱动生产设备终端和测量程序驱动检测设备终端。现场检验工作按照工艺MBD模型中定义的AKC和MKC进行测量，并将测量形成的质量MBD模型与工艺MBD模型进行判比，以确定制造符合性。在很多自动装配的应用中，需要工艺MBD模型和质量MBD模型，生产设备终端和检测设备终端形成的实时系统，通过实时对比及模型拟合，算出偏差继续驱动如柔性工装等设备。（3）基于MBD的数据采集。工人执行工艺指令，从现场采集质量数据，通过生产现场管理系统可以将收集相关的零件、工装和工艺数据到反映到3D模型里。跟踪仪和测量机可直接执行工艺MBD模型，将测量结果反馈到3D模型里，形成单架次的质量MBD模型。产生三坐标检测报告、激光跟踪仪检测报告。从质量MBD模型规范树里可以提取测量的AKC/MKC到AS9002表格里。（4）质量MBD模型反馈。质量部门对质量MBD数据集进行评审，并启动工艺更改或设计更改流程。基于MBD表达的质量信息需反馈到工程部门，以获得工程的设计数据修订或让步接收。质量MBD信息反馈到工艺管理系统中，工程人员可方便地浏览质量MBD模型。结束语本文提出一种基于MBD的数字化制造技术框架，并建立了MBD模型体系和数字化制造与生产系统架构，探讨了基于MBD的工艺规划，验证和执行的一般流程。C919项目明确提出要用MBD技术，但是如何在较短时间里建立和形成设计、工艺、质量和供应商的MBD模型标准，工具标准和流程标准，提高数字化研制能力，对主制造商和供应商来说是非常急迫的挑战。如何充分有效地利用内外部资源，参考C919项目里程碑推进MBD技术是后续值得深入思考的问题。