基于MBD 的復(fù)合材料制造模型管理*

賀 強 白曉亮 楊文鋒

(①中國民用航空飛行學(xué)院航空工程學(xué)院，四川 廣漢 618307;②西北工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院，陜西西安 710072)

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造過程是一種典型的特種工藝過程，極度依賴成型過程控制。在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的成型過程中，需要定義工藝設(shè)計、成型工藝裝備、設(shè)備控制與檢驗所需的模型。這些模型由相互聯(lián)系的工藝階段中的制造工程信息構(gòu)成，共同組成了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造模型。在當(dāng)前的數(shù)字化集成制造體系下，特別是MBD(model based definition)制造模式下，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造模型決定了制造質(zhì)量和效率。特別地，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在制造領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，正朝著大型化、整體化的方向不斷發(fā)展，其用量已經(jīng)成為衡量產(chǎn)品先進性與安全性的標(biāo)志。制造企業(yè)也因此積累了大量的復(fù)合材料制造模型。復(fù)合材料制造模型是企業(yè)知識集成作用的結(jié)果，是企業(yè)寶貴的智力資源。因此制造模型的積累和傳承對企業(yè)核心競爭力的提升具有重要意義，如何管理復(fù)合材料制造模型成為工程領(lǐng)域亟待解決的問題。

制造模型作為產(chǎn)品制造鏈的核心，將設(shè)計制造過程緊密集成，是產(chǎn)品設(shè)計意圖的唯一載體，攜帶了貫穿整個產(chǎn)品制造過程所需的信息，其研究也成為熱點。文獻(xiàn)［1］根據(jù)鈑金零件制造的典型狀態(tài)，分析了各個狀態(tài)所需的制造工程信息，進而建立了基于多態(tài)模型的鈑金零件制造模型管理方法。文獻(xiàn)［2］研究了MBD模式下飛機鈑金零件制造模型的數(shù)字化定義技術(shù)。文獻(xiàn)［3］在分析零件工藝鏈組成的基礎(chǔ)上，建立了制造模型框架。該框架為制造模型的數(shù)字化定義、管理和集成應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。文獻(xiàn)［4］根據(jù)機加零件加工的中間狀態(tài)，以工序MBD 模型作為制造模型的基本單元，以加工特征作為載體將幾何信息與工藝信息關(guān)聯(lián)，建立了基于MBD 的零件制造模型。文獻(xiàn)［5］研究了一種變曲率輪廓、變截面型材零件的制造模型構(gòu)建方法。文獻(xiàn)［6］分析了MBD 模式下的制造模型構(gòu)成及特點，進而研究了基于MBD 的零件制造模型管理方法。

作為新一代的CAD 技術(shù)，基于MBD 的產(chǎn)品設(shè)計與制造在制造業(yè)中越來越流行。從已有的研究來看，基于MBD 的制造模型主要涉及鈑金件、機械加工件等的定義，較少涉及MBD 模式下的制造模型管理，尤其針對制造領(lǐng)域比重越來越大的復(fù)合材料，這與先進制造技術(shù)的發(fā)展潮流不相匹配。本文針對這一現(xiàn)狀，開展基于MBD 的復(fù)合材料制造模型管理研究。首先研究了復(fù)合材料制造模型的組成與定義，進而提出了基于MBD 的制造模型管理方法以及與產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理集成的應(yīng)用方案。

1 基于MBD 的復(fù)合材料制造模型

1.1 MBD 簡介

MBD 的核心思想是將傳統(tǒng)二維圖紙上的制造工程信息映射到三維模型上，充分利用三維模型所具有的表現(xiàn)力，去產(chǎn)生便于用戶理解且更具效率的信息表達(dá)方式。MBD 技術(shù)采用集成化的三維數(shù)模完整地表達(dá)了產(chǎn)品信息，詳細(xì)規(guī)定了三維數(shù)模中產(chǎn)品尺寸、公差的標(biāo)注規(guī)則和工藝信息的表達(dá)方法［7］。MBD 改變了傳統(tǒng)的用三維數(shù)模描述幾何形狀，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，使MBD 模型以單一數(shù)據(jù)源作為生產(chǎn)制造過程中的唯一依據(jù)。MBD 模型如圖1 所示。

1.2 基于MBD 的制造模型組成

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造模型的構(gòu)建以設(shè)計部門發(fā)放的MBD 模型為依據(jù)，考慮結(jié)構(gòu)制造的中間狀態(tài)以及各個狀態(tài)所需的工程信息，將這類信息以3D 幾何模型為載體進行有效組織。因此，復(fù)合材料制造模型的組成應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)的成型工藝過程。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的大型化、整體化、形狀復(fù)雜化等特征使得其制造通常是分階段的，并且每個階段都要定義相應(yīng)的制造工程信息。典型的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成型工藝過程如圖2 所示。結(jié)合復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的成型工藝過程，將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造模型組成分為與結(jié)構(gòu)幾何直接關(guān)聯(lián)的工程信息和與制造過程相關(guān)的工程信息兩類。與幾何直接關(guān)聯(lián)的制造工程信息包括定義數(shù)控下料依據(jù)的幾何模型(尺寸、公差)、定義成型工裝的幾何模型、鋪層與鋪層集、激光投影數(shù)據(jù)、工藝鋪層、幾何檢驗?zāi)Ｐ偷?與制造過程相關(guān)的制造工程信息包括固化溫度、壓力、時間、表面處理方法、膠接面加工所需的裝夾定位以及待膠接面的保護等。

1.3 基于MBD 的制造模型定義

基于MBD 的制造模式下，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造模型以3D 模型為載體，將制造工程信息，如鋪層、激光投影數(shù)據(jù)、工裝設(shè)計、檢驗數(shù)據(jù)、尺寸公差，形位公差、表面處理方法、固化溫度、壓力、時間等工程信息與3D模型緊密集成。結(jié)合上述的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造模型組成分析，采用“狀態(tài)劃分-模型定義-模型優(yōu)化”的模式生成制造模型。根據(jù)MBD 這一先進的數(shù)字化設(shè)計制造理念，在CATIA、FiberSIM 等先進數(shù)字化軟件平臺的支持下，建立了基于MBD 的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造模型，如圖3 所示。

實體層，定義了模型的3D 幾何形狀，是與幾何相關(guān)的工程信息和與制造過程相關(guān)的工程信息的載體，是工裝設(shè)計、預(yù)浸料下料數(shù)據(jù)的源數(shù)據(jù)。

擴展層，定義了3D 標(biāo)注信息，主要包括尺寸、公差、注釋、表面粗糙度、形位公差、裝配、檢驗、測試和材料等制造工程信息。其中注釋定義了構(gòu)件的表面處理、工藝要求等，標(biāo)記定義了裝夾、定位基準(zhǔn)等。擴展層標(biāo)注到3D 幾何模型上，直接在3D 環(huán)境中顯示，可通過多視圖管理實現(xiàn)相應(yīng)信息的選擇、縮放、隱藏和顯示等操作。

應(yīng)用層，以實體層和擴展層作為基礎(chǔ)，面向整個制造流程，如成型工裝設(shè)計制造、檢驗工裝設(shè)計制造，預(yù)浸料下料數(shù)據(jù)以及鋪層的激光投影數(shù)據(jù)、機械加工的數(shù)控程序，裝夾定位工裝的設(shè)計制造，表面處理方法等。應(yīng)用層的信息以索引的方式與擴展層、實體層關(guān)聯(lián)，需要根據(jù)企業(yè)自身的數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)特征進行上述信息的組織。

2 基于MBD 的復(fù)合材料制造模型管理

在基于MBD 的制造模式下，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造模型以集成化的三維實體模型的形式貫穿產(chǎn)品的制造過程，攜帶了大量的制造工程信息。制造模型是制造企業(yè)最重要的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，其定義、傳遞、應(yīng)用和重用要求高效的管理方法。當(dāng)前主流的制造企業(yè)均采用數(shù)字化體系下的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)來實現(xiàn)制造數(shù)據(jù)的管理。產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(product data management，PDM)通過構(gòu)建企業(yè)人員管理模型、數(shù)據(jù)管理模型和流程管理模型來實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的管理。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造模型也是一種重要的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，為了實現(xiàn)其于PDM 的無縫集成，本文通過建立流程管理、狀態(tài)管理、人員管理的方式分別映射PDM 的3 類管理模型，以此實現(xiàn)基于PDM 的復(fù)合材料制造模型管理。

2.1 流程管理模型

MBD 模式下，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造模型包含了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的工裝數(shù)據(jù)、鋪層的數(shù)字化下料數(shù)據(jù)、鋪層的激光投影數(shù)據(jù)，工藝指令數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)的幾何模型形成了集成化的3D 實體模型表示，改變了傳統(tǒng)數(shù)字化制造的串行設(shè)計流程，相關(guān)部門在協(xié)同平臺下共同創(chuàng)建、完善和應(yīng)用該模型。因此對流程管理的設(shè)計中，建立了設(shè)計—校對—審核—會簽—批準(zhǔn)—發(fā)放的流程控制管理方法。工裝、工藝設(shè)計人員共同完成制造模型的設(shè)計，由相關(guān)專業(yè)資深人員完成設(shè)計校對，由專業(yè)科室負(fù)責(zé)人(室主任)完成模型的審定，并經(jīng)過相關(guān)部門如生產(chǎn)調(diào)度、質(zhì)量檢測等的會簽，最后由專業(yè)總師批準(zhǔn)制造模型的發(fā)放。

2.2 狀態(tài)數(shù)據(jù)管理

狀態(tài)數(shù)據(jù)對應(yīng)復(fù)合材料成型過程中某個制造節(jié)點的模型數(shù)據(jù)。前一狀態(tài)數(shù)據(jù)通常是后一狀態(tài)數(shù)據(jù)的輸入，因此狀態(tài)數(shù)據(jù)具有很強的時序性?；贛BD 的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造模型按照時序組織成制造模型樹，每一個狀態(tài)形成一個相對完整的數(shù)據(jù)集。這種組織管理方法便于對制造模型各個節(jié)點所包含的各種數(shù)據(jù)進行管理，為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成型過程中不同階段對數(shù)據(jù)應(yīng)用和管理的不同提供了一種有效的解決方案。圖4 為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造模型管理節(jié)點示意圖。

2.3 人員管理模型

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造依賴多個部門的協(xié)作，需要不同專業(yè)的技術(shù)人員共同參與完成。合理設(shè)置各類人員在復(fù)合材料制造模型管理中的權(quán)限，做到責(zé)—權(quán)—利對等有利于模型的管理，并提高制造效率和質(zhì)量。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的成型過程本質(zhì)上是人對數(shù)據(jù)的處理，不同的人在這個過程中扮演著不同的角色，因此可以以角色為紐帶實現(xiàn)人員與數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)。以國內(nèi)某航空制造企業(yè)為例，與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造相關(guān)的部門主要包括工程技術(shù)部的工裝設(shè)計所、工藝研究所、制造車間、生產(chǎn)調(diào)度部和質(zhì)量保證部。根據(jù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造流程，復(fù)合材料專業(yè)總師應(yīng)能對模型設(shè)計的有效性進行評價，因此工程技術(shù)部復(fù)合材料專業(yè)總師能查詢、增加、刪除、修改所有制造模型數(shù)據(jù)。工裝設(shè)計所主要負(fù)責(zé)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的成型工裝設(shè)計，完成相應(yīng)MBD 模型的定義。因此工裝設(shè)計所的設(shè)計員能對傳遞到本部門的MBD 數(shù)據(jù)模型進行查閱，在此基礎(chǔ)上完成工裝的設(shè)計工作，并將模型經(jīng)本部門所長的審核后傳遞到下一流程。工藝研究所設(shè)計員主要負(fù)責(zé)工藝設(shè)計，做好制造模型的節(jié)點劃分與節(jié)點數(shù)據(jù)內(nèi)容的規(guī)劃工作，會同制造車間工藝人員共同完成工藝設(shè)計工作，并與3D 幾何模型集成，完成設(shè)計后，提交給本部門所長審核發(fā)放。制造車間通過發(fā)放的MBD 數(shù)據(jù)集開展具體的制造工作，因而只具有模型瀏覽的權(quán)限，若實踐中發(fā)現(xiàn)問題，應(yīng)將模型修改建議反饋至工藝研究所相關(guān)主管。質(zhì)量保證部參與制造模型中的檢驗相關(guān)數(shù)據(jù)模型的定義工作，檢驗主管對模型的有效性進行審核，具體技術(shù)人員也只有瀏覽MBD 數(shù)據(jù)集的權(quán)限。

綜上所述，針對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造中部門組織與人員角色的特征，結(jié)合狀態(tài)數(shù)據(jù)管理與流程管理，制造模型采用基于角色的權(quán)限控制來進行管理控制。管理的核心是:最高權(quán)限賦予具有模型發(fā)放權(quán)的角色;狀態(tài)數(shù)據(jù)的修改、刪除、增加僅限于當(dāng)前狀態(tài)數(shù)據(jù)產(chǎn)生部門和更高級別的角色;高級別角色可以修改低級別角色的操作權(quán)限;各個角色劃分到不同的部門以消除非法用戶的非法操作對模型安全性造成的威脅?；诮巧臋?quán)限管理明確了復(fù)合材料制造模型管理的組織、層次、責(zé)任和權(quán)力，有利于模型的安全存儲、共享和重用。

3 基于產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的集成應(yīng)用體系

PDM 是一種管理產(chǎn)品數(shù)據(jù)和產(chǎn)品研制過程的工具，具備強大的制造過程數(shù)據(jù)管理能力，并易于與其他應(yīng)用軟件集成。PDM 系統(tǒng)可作為一個集成應(yīng)用的框架，各種應(yīng)用程序CAD/CAM/CAE/CAQ/CAPP 等通過接口，二次開發(fā)等方式作為一個個相對獨立的模塊集成到PDM 系統(tǒng)中，使得企業(yè)各部門的所有產(chǎn)品數(shù)據(jù)高度集成、協(xié)調(diào)和共享。本文的研究方案中以某航空制造企業(yè)的PDM 系統(tǒng)為基礎(chǔ)，利用二次開發(fā)完成人員、狀態(tài)數(shù)據(jù)和流程管理的定制開發(fā)，使之滿足企業(yè)復(fù)合材料制造模型定義、應(yīng)用、積累與重用的需求，并保證了制造模型作為設(shè)計意圖的唯一載體貫穿了產(chǎn)品的整個制造過程?；赑DM 集成應(yīng)用系統(tǒng)方案如圖5所示。

4 結(jié)語

復(fù)合材料用量的激增與MBD 技術(shù)越來越流行是制造業(yè)發(fā)展的新趨勢。本文結(jié)合復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的成型工藝特點，通過分析MBD 模式下復(fù)合材料制造模型的定義，提出一種MBD 模式下的復(fù)合材料制造模型管理方法，這將豐富原有的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)數(shù)字化制造技術(shù)體系，實現(xiàn)設(shè)計與制造的緊密集成，必將對企業(yè)的信息化建設(shè)起到積極的促進作用。

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