基于MBD的飛機三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計與應(yīng)用

鞏玉強

（中航通飛華南飛機工業(yè)有限公司，珠海 519040）

0 引言

當(dāng)前新研飛機已全面采用基于MBD的產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)，所有零部件的設(shè)計及制造信息全部采用三維數(shù)字化定義，而國內(nèi)裝配工藝設(shè)計依然以二維文字為主要表達(dá)方式的CAPP系統(tǒng)，無法實現(xiàn)MBD信息的提取，工藝設(shè)計部門無法利用三維數(shù)字化設(shè)計所帶來的優(yōu)勢，因此采用基于MBD的三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計勢在必行。本文介紹了采用DELMIA軟件系統(tǒng)進(jìn)行基于MBD產(chǎn)品設(shè)計的三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)，介紹了三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)的構(gòu)架、設(shè)計方法和流程，為全面開展三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計做了探索。

1 國內(nèi)外裝配工藝設(shè)計的現(xiàn)狀及發(fā)展方向

隨著 CAD/CAM/CAE以及計算機信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，歐美各航空制造大國均已全面采用三維數(shù)字化設(shè)計和制造技術(shù)，全面采用三維數(shù)字化產(chǎn)品定義和仿真技術(shù)，從根本上改變了傳統(tǒng)的飛機設(shè)計與制造方式，大幅度地提高了飛機設(shè)計制造技術(shù)水平。波音公司在波音777飛機的研制過程中，由于全面采用了該項新技術(shù)，使研制周期縮短50%，出錯返工率減少75%，成本降低25%，其研制過程是數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)在飛機研制中應(yīng)用的重大突破。近幾年在美國波音787、F-35、歐洲A400M及A350的研制中，數(shù)字化設(shè)計及裝配技術(shù)有了更為深入的應(yīng)用[1]。

近幾年，國家加強了對航空業(yè)的扶持力度，我國的航空制造業(yè)迎來了高速發(fā)展時期。當(dāng)前一些新型號的研制已全面采用了基于MBD的全三維產(chǎn)品設(shè)計，飛機產(chǎn)品設(shè)計已全面實現(xiàn)三維無紙化設(shè)計，取得了產(chǎn)品從二維模擬量到全三維數(shù)字量的革命性突破，也為進(jìn)一步實施數(shù)字化制造打好了堅實的基礎(chǔ)。目前零件制造部門使用MBD數(shù)據(jù)已較為順利，大大減少了因工人對圖紙理解偏差導(dǎo)致的質(zhì)量問題；然而裝配工藝設(shè)計部門依然按照傳統(tǒng)方式進(jìn)行裝配工藝的規(guī)劃和設(shè)計，導(dǎo)致三維數(shù)字化的產(chǎn)品數(shù)據(jù)在裝配工藝設(shè)計階段出現(xiàn)斷層，使得三維數(shù)字化的產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)無法準(zhǔn)確順利地往下一級流動，需要大量的人員手工參與，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、連續(xù)性被破壞，裝配指令（即AO）的編制完全采用文字或者插入少量圖片的方式進(jìn)行表達(dá)，工人現(xiàn)場使用時還需參照大量設(shè)計技術(shù)文件以及各類工藝性文件，可讀性和操作性極差，一線操作者意見很大，普遍存在師傅干什么徒弟干什么的情況，無法起到指導(dǎo)現(xiàn)場操作的作用。

因此裝配工藝設(shè)計部門需要適應(yīng)全三維數(shù)字化設(shè)計的新形勢，采用基于MBD的三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行裝配工藝的設(shè)計和規(guī)劃，利用設(shè)計部門在VPM協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)中設(shè)計并發(fā)放的產(chǎn)品三維數(shù)模，通過數(shù)據(jù)接口將產(chǎn)品數(shù)據(jù)導(dǎo)入裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)中，并將產(chǎn)品三維數(shù)模的路徑關(guān)聯(lián)到每個零件上，在三維可視環(huán)境下進(jìn)行產(chǎn)品的裝配工藝規(guī)劃及工藝設(shè)計，直觀地反映裝配狀態(tài)，最后生成現(xiàn)場使用的三維可視化裝配指令指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)。

2 基于MBD的三維數(shù)字化裝配工藝的設(shè)計過程

基于MBD的三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計不僅僅是指編制三維裝配指令，而是貫穿飛機設(shè)計的整個過程，在整個過程中不同階段有不同的側(cè)重點。這個過程主要包含以下三個階段：

第一階段：工藝系統(tǒng)接收產(chǎn)品初步設(shè)計數(shù)據(jù)，分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點，與設(shè)計人員協(xié)商初步確定工藝分離面并制定初步的裝配方案，然后在三維仿真軟件內(nèi)進(jìn)行裝配方案可行性的初步分析，制定總體裝配方案，分析可能的裝配難點和重點。

第二階段：工藝系統(tǒng)接收產(chǎn)品較高成熟度的MBD設(shè)計數(shù)據(jù)，在三維仿真軟件內(nèi)對重點部位（必要時對全部）結(jié)構(gòu)件、管路、自動化裝配設(shè)備等進(jìn)行裝配過程和人機功效的詳細(xì)仿真分析，發(fā)現(xiàn)并解決產(chǎn)品、工裝以及工藝方面的問題并給出解決方案，如圖1～圖3所示；

這個階段的工藝工作主要包括：裝配順序的創(chuàng)建和優(yōu)化；裝配路徑設(shè)計和優(yōu)化；裝配工藝過程仿真模擬、人機功效模擬、自動化定位及制孔設(shè)備等的工作仿真。利用三維數(shù)字化仿真軟件對產(chǎn)品的組件或部件進(jìn)行裝配過程規(guī)劃，確定組件或部件內(nèi)零組件的裝配順序；按照工廠現(xiàn)有裝配條件和裝配單元工作內(nèi)容，進(jìn)行裝配路徑的仿真和優(yōu)化；最后在數(shù)字化裝配仿真系統(tǒng)中進(jìn)行零組件或自動化設(shè)備的裝配過程及人機功效的仿真模擬，分析裝配工藝過程的可操作性和合理性，發(fā)現(xiàn)并解決數(shù)字化產(chǎn)品模型裝配過程中所遇到的產(chǎn)品、工裝以及工藝設(shè)計中的各類問題，同時也可以進(jìn)行工具等的選型工作[2]。

第三階段：接收設(shè)計部門發(fā)布的最終三維MBD設(shè)計數(shù)據(jù)，創(chuàng)建頂層MBOM以及PBOM等工藝數(shù)據(jù)，在數(shù)字化工藝設(shè)計系統(tǒng)中進(jìn)行裝配工藝的詳細(xì)規(guī)劃和細(xì)節(jié)設(shè)計以及資源庫的創(chuàng)建，在三維可視化的環(huán)境下進(jìn)行零組件以及標(biāo)準(zhǔn)件的劃分，在全三維的環(huán)境下對裝配指令進(jìn)行工步級的細(xì)節(jié)編輯，最終生成現(xiàn)場使用的三維可視化工藝指令。

圖1 裝配工藝過程仿真

圖2 自動化裝配設(shè)備工作仿真

圖3 人機功效模擬

3 三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)的架構(gòu)和工作模式

3.1 三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)的架構(gòu)

本文所述的裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)是基于達(dá)索公司的DELMIA軟件平臺進(jìn)行開發(fā)的三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)，DELMIA軟件平臺分DPE和DPM兩個工作環(huán)境，DPE側(cè)重數(shù)據(jù)管理和工藝規(guī)劃，DPM則提供一個三維可視化的環(huán)境便于產(chǎn)品數(shù)據(jù)的劃分和裝配仿真等工作。由于DELMIA只是提供了一個平臺且目前MBD設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，故需要在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行客戶化定制和開發(fā)，本系開發(fā)了多種輔助工藝設(shè)計工具以便工藝設(shè)計人員只需極少的文字輸入即可完成工藝設(shè)計，所有關(guān)鍵數(shù)據(jù)均直接繼承自產(chǎn)品MBD數(shù)模，保證了工藝信息的完整和準(zhǔn)確；此系統(tǒng)中最為復(fù)雜難度最大是MBD數(shù)模中標(biāo)準(zhǔn)件的處理和劃分，由于大型飛機標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)量都在數(shù)十萬甚至上百萬件以上，采用實體建模將會產(chǎn)生天量的數(shù)據(jù)，因此目前飛機標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計大都采用點線等元素進(jìn)行簡化表達(dá)，無法使用DELMIA中標(biāo)準(zhǔn)功能進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)件的工藝規(guī)劃，因此系統(tǒng)開發(fā)了一套專門處理標(biāo)準(zhǔn)件模型的工具，本系統(tǒng)也是國內(nèi)目前唯一實現(xiàn)了對以點線表達(dá)的標(biāo)準(zhǔn)件識別和劃分的系統(tǒng)，如圖9所示。

本系統(tǒng)依托VPM協(xié)同設(shè)計平臺提供MBD產(chǎn)品數(shù)據(jù)，在DELMIA中完成PBOM的創(chuàng)建、頂層MBOM的劃分、三維裝配指令的設(shè)計并向協(xié)同平臺提供底層MBOM以及三維裝配指令等數(shù)據(jù)，由系統(tǒng)平臺進(jìn)行管理和發(fā)放。三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)的流程及架構(gòu)如圖4所示，整個三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)始終保持設(shè)計數(shù)據(jù)的一致性，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及完整性，同時本系統(tǒng)可給生產(chǎn)管控系統(tǒng)（MES）以及ERP系統(tǒng)設(shè)置數(shù)據(jù)接口[3]。

圖4 基于MBD的三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計的流程及架構(gòu)

3.2 三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)的工作流程

三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)主要由需要工藝管理部門和各車間工藝設(shè)計部門使用和管理，工藝管理部門和各車間工藝設(shè)計部門必須緊密協(xié)同才能順利開展三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計，同時工藝管理部門需要給予車間一級足夠的權(quán)限，畢竟車間一級工藝人員對產(chǎn)品設(shè)計特點有更深入的了解。

工藝管理部門主要負(fù)責(zé)三維裝配設(shè)計系統(tǒng)數(shù)據(jù)的頂層設(shè)計，其利用DELMIA中的DPE環(huán)境下的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行EBOM導(dǎo)入，通過對EBOM的重組增加工藝組件和路線定義等形成PBOM；在PBOM的基礎(chǔ)上構(gòu)建頂層MBOM；根據(jù)各廠際分工要求進(jìn)行大部件級的頂層工藝組件的劃分，如圖5所示。

圖5 創(chuàng)建頂層MBOM以及PBOM（DPE環(huán)境）

各車間工藝技術(shù)主管接收工藝管理部門下發(fā)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行各車間內(nèi)部工藝面的進(jìn)一步劃分并將之分派給具體每個工藝員；工藝員接收工藝主管分發(fā)的具體某個裝配單元的數(shù)據(jù)，進(jìn)行本裝配單元裝配工藝的層次劃分以及具體工步的分解，在DPM三維可視化的環(huán)境中中進(jìn)行零組件及標(biāo)準(zhǔn)件的劃分，然后在DPE環(huán)境下進(jìn)一步進(jìn)行裝配可視化修飾等細(xì)節(jié)編輯，但對于裝配工藝所需飛機裝配技術(shù)條件、材料、工藝規(guī)范文件等全部采用專門開發(fā)的工藝設(shè)計工具進(jìn)行創(chuàng)建以保證編制數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和完整。最后直接在DPE中輸出結(jié)構(gòu)化和標(biāo)準(zhǔn)化的三維裝配指令并提交審批，經(jīng)過審批的裝配指令發(fā)送到協(xié)同平臺進(jìn)行統(tǒng)一進(jìn)行發(fā)放及管理，以上過程見下圖6～圖14所示。

圖6 裝配工藝的詳細(xì)規(guī)劃和細(xì)節(jié)設(shè)計（DPE環(huán)境）

圖7 資源庫的創(chuàng)建（DPE環(huán)境）

圖8 三維可視化環(huán)境下的零組件劃分（DPM環(huán)境）

圖9 三維可視化環(huán)境下對點線表達(dá)的標(biāo)準(zhǔn)件劃分（DPM環(huán)境）

圖10 三維可視化環(huán)境下的裝配工序細(xì)節(jié)編輯（DPE環(huán)境）

圖11 輸出的標(biāo)簽式三維可視化裝配指令

圖12 BOM及裝配指令審批

三維裝配指令審批發(fā)送到系統(tǒng)平臺后由工藝管理部門統(tǒng)一管理，不屬于裝配工藝設(shè)計的范疇，本文不再贅述。

4 基于MBD的三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計的優(yōu)勢及要求

4.1 基于MBD的三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計的優(yōu)勢

1）采用基于MBD的三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計，徹底解決了制約裝配工藝設(shè)計過程中涉及的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、完整性的問題，整個裝配工藝的設(shè)計完全基于設(shè)計的MBD數(shù)模，保證了與設(shè)計數(shù)據(jù)的一致性；

2）工藝人員在三維可視化的環(huán)境下進(jìn)行裝配工藝的規(guī)劃、仿真和設(shè)計，使得裝配工藝設(shè)計更加直觀更有操作性，通過裝配路徑仿真、人機功效仿真以及自動化設(shè)備工作仿真等可提前發(fā)現(xiàn)存在的設(shè)計、工裝及工藝規(guī)劃包含的問題并提前予以解決，大幅減少現(xiàn)場實際生產(chǎn)時的各類問題，提高生產(chǎn)效率并大幅降低生產(chǎn)成本；三維可視化裝配指令設(shè)計系統(tǒng)使工藝人員完全從枯燥的文字編輯以及事后數(shù)據(jù)校對中解放出來，工藝人員只需關(guān)注裝配工藝的可行性和合理性，無需花大量精力進(jìn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和完整性的檢查；

3）在三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)中輸出的三維裝配指令徹底顛覆了傳統(tǒng)文字化的裝配指令，工人只需在系統(tǒng)輸出的三維可視化裝配指令中進(jìn)行簡單操作即可，無需查找大量的圖紙、設(shè)計技術(shù)文件以及其他工藝性文件，做到了可見即所得、所得即所需的效果，同時工人還可在裝配指令的三維視圖中對輕量化的設(shè)計數(shù)模進(jìn)行各類尺寸的直觀測量，便于工人現(xiàn)場操作的進(jìn)一步了解；

4）三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)可輸出裝配部門準(zhǔn)確完整的底層MBOM，有利于ERP以及MES系統(tǒng)的實施和管理；

5）三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)可以與裝配知識庫系統(tǒng)緊密集成，使得公司積累的知識在裝配工藝設(shè)計時順利地的共享和調(diào)用；

6）工藝管理部門可利用DELMIA軟件平臺中DPE模塊對整個裝配數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理，保證下游數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，利于工藝設(shè)計部門編制完整準(zhǔn)確的裝配指令。

4.2 基于MBD的三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計的要求

1）基于MBD的三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計要求有準(zhǔn)確、完整及規(guī)范的且嚴(yán)格執(zhí)行的MBD數(shù)模，產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)是所有下游數(shù)據(jù)的源頭，設(shè)計數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確、完整及規(guī)范是決定三維裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)是否順暢和準(zhǔn)確最關(guān)鍵的要素。因此產(chǎn)品設(shè)計部門必須要有科學(xué)合理的與制造部門協(xié)商過的MBD設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范且必須嚴(yán)格執(zhí)行，否則必定會導(dǎo)致整個下游其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)的混亂和實施困難[4]。

2）工程制造部門也須有嚴(yán)格的與設(shè)計部門MBD設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范相協(xié)調(diào)的各類工藝規(guī)范且必須嚴(yán)格執(zhí)行，用以支撐三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計。本文所述的裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)在開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)很大程度上體現(xiàn)的是傳統(tǒng)二維設(shè)計模式的思想，不能很好的適應(yīng)當(dāng)前基于MBD的三維數(shù)字化設(shè)計要求，而且設(shè)計人員沒有嚴(yán)格執(zhí)行現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)化要求，特別是以點線表達(dá)的標(biāo)準(zhǔn)件模型存在大量的格式錯誤等不規(guī)范設(shè)計，導(dǎo)致系統(tǒng)開發(fā)比較緩慢，僅為了解決標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)模處理和劃分就占了近三分之一的時間。因此產(chǎn)品設(shè)計應(yīng)開發(fā)專用的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計工具和數(shù)據(jù)庫用以支撐基于MBD的產(chǎn)品設(shè)計，同時需要借助專業(yè)化的軟件工具對MBD產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化等項目的批量檢查，最大限度地減少因人為因素導(dǎo)致的產(chǎn)品數(shù)據(jù)錯誤。

3）工藝設(shè)計人員必須具備相當(dāng)?shù)墓こ探?jīng)驗，熟練理解并掌握三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)所涉及的理念和軟件使用要求，三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)對工程技術(shù)人員來說只是工具，它本身無法識別工藝設(shè)計和規(guī)劃的合理性和可行性，這些都必須由工藝設(shè)計人員依靠經(jīng)驗和知識確定。

5 結(jié)束語

基于MBD的三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)的實施，實現(xiàn)了了產(chǎn)品數(shù)據(jù)向裝配數(shù)據(jù)的順利傳遞，實現(xiàn)了裝配工藝的三維可視化設(shè)計和規(guī)劃，保證了裝配數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性和可操作性，是裝配工藝設(shè)計的革命性突破，工藝設(shè)計人員能夠采用三維可視化技術(shù)讀取這些信息，一線操作人員能夠準(zhǔn)確、迅速地查閱裝配過程中需要的信息，提高裝配的準(zhǔn)確性和裝配效率，縮短裝配時間。然而進(jìn)行三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計，必須建立科學(xué)有效的產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計、數(shù)據(jù)輸出、數(shù)據(jù)傳遞和管理的流程和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，才能將產(chǎn)品幾何信息和非幾何屬性信息（如裝配順序說明或動畫、裝配產(chǎn)品結(jié)構(gòu)以及其他技術(shù)要求等信息）準(zhǔn)確完整的傳遞到操作者手中，達(dá)到對裝配過程和結(jié)果準(zhǔn)確管控的目的；不管是基于MBD的產(chǎn)品設(shè)計還是工藝設(shè)計，都是信息化的范疇，其核心并不是采用了什么軟件和技術(shù)，關(guān)鍵還是企業(yè)業(yè)務(wù)流程的改進(jìn)和工藝、標(biāo)準(zhǔn)化等專業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步。

[1]范玉清.現(xiàn)代飛機制造技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2001.

[2]馮潼能.MBD 技術(shù)在協(xié)同設(shè)計制造中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù),2010,(18)：126-127.