MBD模式下生產(chǎn)準(zhǔn)備探索與實(shí)踐

（中航工業(yè)西安飛行自動(dòng)控制研究所，西安 710065）

MBD技術(shù)作為數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)制造技術(shù)中的關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)，已在航空制造業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)[1-2]從宏觀上介紹了基于MBD的飛機(jī)數(shù)字化制造技術(shù)應(yīng)用體系及其在協(xié)同設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用；文獻(xiàn)[3]從基于MBD的數(shù)字化定義技術(shù)、數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)、工藝裝備設(shè)計(jì)制造集成技術(shù)、數(shù)字化檢測(cè)與質(zhì)量控制技術(shù)以及基于輕量化模型的裝配過程可視化技術(shù)等方面介紹了基于MBD的數(shù)字化制造流程；文獻(xiàn)[4-5]研究了MBD環(huán)境下的飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)；文獻(xiàn)[6]研究了MBD環(huán)境下航空產(chǎn)品的首件檢驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)；文獻(xiàn)[7]討論了制造資源沖突引起的三維機(jī)加工藝設(shè)計(jì)與變更，建立了一種封裝制造資源信息與機(jī)加工藝設(shè)計(jì)的閉環(huán)體系結(jié)構(gòu)；文獻(xiàn)[8]探討了飛機(jī)全生命周期過程中MBD數(shù)據(jù)的管理方案。上述探討研究忽視了生產(chǎn)制造過程中最不可控的生產(chǎn)準(zhǔn)備這一環(huán)節(jié)，將生產(chǎn)準(zhǔn)備看作是節(jié)拍穩(wěn)定或可控的，而實(shí)際的應(yīng)用中，由于受到MBD模型及制造資源變更的影響[7]，某些產(chǎn)品/工序生產(chǎn)準(zhǔn)備節(jié)拍被打亂，如何在MBD環(huán)境下使生產(chǎn)準(zhǔn)備工作快速響應(yīng)動(dòng)態(tài)的工序模型變化是一個(gè)需要解決的問題。本文在企業(yè)實(shí)踐及國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，研究MBD環(huán)境下航空產(chǎn)品生產(chǎn)準(zhǔn)備的主要內(nèi)容，探討MBD環(huán)境下航空產(chǎn)品生產(chǎn)準(zhǔn)備信息傳遞模式以及影響航空產(chǎn)品生產(chǎn)準(zhǔn)備快速切換，均衡實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵因素。

生產(chǎn)準(zhǔn)備信息定義

生產(chǎn)準(zhǔn)備是指企業(yè)為了保證日常生產(chǎn)的順利進(jìn)行，為順利實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃所從事的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，包括：技術(shù)準(zhǔn)備、機(jī)械設(shè)備準(zhǔn)備、物資準(zhǔn)備、勞動(dòng)力的配備和調(diào)整、工作地準(zhǔn)備等。航空制造企業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)雖多為多品種、小批量、多批次型，但技術(shù)準(zhǔn)備、勞動(dòng)力的配備和調(diào)整、工作地準(zhǔn)備仍屬相對(duì)固定型，唯機(jī)械設(shè)備準(zhǔn)備、物資準(zhǔn)備變換頻繁。本文僅考慮物資準(zhǔn)備變更對(duì)MBD環(huán)境下生產(chǎn)的影響，這里的物資準(zhǔn)備包含了實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工所需的模具、刀具、工裝夾具、零部件等的準(zhǔn)備。定義如下：

定義1：生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間是指設(shè)備從一批中的最后一件合格產(chǎn)品的生產(chǎn)結(jié)束轉(zhuǎn)換為另一批中第一個(gè)合格產(chǎn)品的生產(chǎn)開始所需的所有時(shí)間，也稱為作業(yè)切換時(shí)間，分為外部切換時(shí)間和內(nèi)部切換時(shí)間。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)切換主要包含以下幾方面內(nèi)容：模具的切換、刀具的切換、工裝夾具的切換；零部件、材料的切換；制造前的其他準(zhǔn)備工作（如數(shù)控程序的準(zhǔn)備）。生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間為：

式中，表示該批產(chǎn)品第i個(gè)模具所需的準(zhǔn)備時(shí)間；表示該批產(chǎn)品第i個(gè)刀具所需的準(zhǔn)備時(shí)間；Tgi表示該批產(chǎn)品第i個(gè)工裝夾具所需的準(zhǔn)備時(shí)間；Tli表示該批產(chǎn)品第i個(gè)零部件、材料所需的準(zhǔn)備時(shí)間；Tqi表示該批產(chǎn)品第i個(gè)需要進(jìn)行的其他準(zhǔn)備時(shí)間。

定義2：外部切換時(shí)間TW即不需停機(jī)進(jìn)行的作業(yè)切換時(shí)間，包括模具、刀具、工裝夾具的調(diào)整、裝配、測(cè)試時(shí)間，則：

式中，表示該批產(chǎn)品所需的模具調(diào)整、裝配、測(cè)試時(shí)間；表示該批產(chǎn)品所需的刀具調(diào)整、裝配、測(cè)試時(shí)間；表示該批產(chǎn)品所需的工裝夾具調(diào)整、裝配、測(cè)試時(shí)間；表示該批產(chǎn)品所需的零部件調(diào)整、裝配時(shí)間；表示該批產(chǎn)品所需的其他調(diào)整時(shí)間。

定義3：內(nèi)部切換時(shí)間TN為必須停機(jī)才能進(jìn)行的作業(yè)切換時(shí)間，主要指模具、刀具、工裝夾具、零部件等在機(jī)械設(shè)備上的安裝時(shí)間，則：

式中，表示該批產(chǎn)品所需機(jī)械設(shè)備上安裝模具的時(shí)間；表示該批產(chǎn)品所需機(jī)械設(shè)備上安裝刀具的時(shí)間；表示該批產(chǎn)品所需機(jī)械設(shè)備上安裝工裝夾具的時(shí)間；表示該批產(chǎn)品所需機(jī)械設(shè)備上安裝零部件、材料的時(shí)間；表示該批產(chǎn)品所需機(jī)械設(shè)備上安裝其他輔具的時(shí)間。

由定義可知，MBD環(huán)境下實(shí)現(xiàn)航空產(chǎn)品快速切換的關(guān)鍵是使TW→0，T→TN，因此從三維制造工藝數(shù)模中提取生產(chǎn)準(zhǔn)備信息成為實(shí)現(xiàn)切換工作的前提。

MBD模式下的生產(chǎn)準(zhǔn)備信息傳遞

MBD是用集成的三維實(shí)體模型來完整地表達(dá)產(chǎn)品定義信息的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[9]，現(xiàn)場(chǎng)加工過程中使用的三維機(jī)加工序模型包含了機(jī)加工藝設(shè)計(jì)下工序/工步級(jí)的所有信息。生產(chǎn)準(zhǔn)備信息作為工步屬性或注釋信息由工藝員使用MBD技術(shù)設(shè)計(jì)生成并上傳至制造信息系統(tǒng)，通過數(shù)字化應(yīng)用終端，操作人員能夠?yàn)g覽產(chǎn)品制造工藝數(shù)據(jù)和工藝圖解，并獲取相關(guān)準(zhǔn)備信息（制造過程動(dòng)畫、程序、刀具、工裝、輔料等），使傳統(tǒng)生產(chǎn)準(zhǔn)備信息（圖1）在開工指令下達(dá)后提取的模式變?yōu)樽怨に嚹Ｐ蜕呻A段直接提?。▓D2），改變了航空制造企業(yè)的生產(chǎn)準(zhǔn)備模式（虛線內(nèi)為生產(chǎn)準(zhǔn)備信息）。

圖1 傳統(tǒng)的生產(chǎn)準(zhǔn)備信息傳遞模型Fig.1 Traditional information transmission model for production preparation

圖2 MBD模式下的生產(chǎn)準(zhǔn)備信息傳遞模型Fig.2 Information transmission model for production preparation in MBD mode

實(shí)踐案例

以圖3所示殼體零件加工過程為例，說明MBD模式下的生產(chǎn)準(zhǔn)備高效實(shí)踐。

圖3 某殼體零件Fig.3 A shell part

圖4 產(chǎn)品制造信息生成Fig.4 Generation of the product manufacturing information

1 生產(chǎn)準(zhǔn)備信息提取

工藝設(shè)計(jì)人員通過工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)（圖4）生成該殼體零件的產(chǎn)品制造信息后，上傳至制造信息系統(tǒng)，機(jī)械設(shè)備收到生產(chǎn)計(jì)劃指令后，在制造信息系統(tǒng)中提取本工序所需的生產(chǎn)準(zhǔn)備信息，進(jìn)行外部切換的準(zhǔn)備。

2 縮短TW實(shí)踐

為最大化降低TW，該殼體從工藝路線設(shè)計(jì)之初即充分考慮了TG、TD、TL、TQ對(duì)TW的影響。為降低，實(shí)現(xiàn)快換夾具鏈中零件安裝及拆卸在機(jī)外完成，引用了EROWA夾具鏈標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)板形成系列化的工裝夾具鏈基礎(chǔ)板（圖5）；為降低，設(shè)計(jì)加工了機(jī)外快速裝拆夾具模塊（圖6），在機(jī)床需要切換零件時(shí)候，將已經(jīng)安裝預(yù)調(diào)好的零件直接安裝在機(jī)床已固定的基礎(chǔ)板上，占機(jī)安裝時(shí)間不超過30s；為減少，刀具清單通過NX離線程序設(shè)計(jì)后自動(dòng)生成并輸出，在加工前根據(jù)刀具清單（圖7）進(jìn)行刀具準(zhǔn)備和配送；為減少，通過NX-CAM和Vericut實(shí)現(xiàn)程序離線設(shè)計(jì)和加工仿真，并將程序提前放在DNC服務(wù)器，在即將加工前，通過機(jī)床雙工模式，在加工當(dāng)前零件的同時(shí)將即將加工的工序傳輸?shù)綑C(jī)床上，不占用機(jī)床任何工作時(shí)間。

圖5 系列化基礎(chǔ)板Fig.5 Serialized baseboard

圖6 機(jī)外快速裝拆模塊Fig.6 Offline fast assembly-disassembly module

圖7 NX生成的刀具清單Fig.7 Tool list generated in NX

影響生產(chǎn)準(zhǔn)備的關(guān)鍵因素

1 信息提取的有效性

在MBD模式下，三維機(jī)加工序模型是指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的唯一有效文件，現(xiàn)場(chǎng)加工人員通過掃描工序模型獲取加工信息（刀具、工裝、程序、輔料等）。在多工藝任務(wù)的敏捷制造環(huán)境中因資源沖突導(dǎo)致的工藝路線變更使三維機(jī)加工序模型產(chǎn)生相應(yīng)的變更[7]，則TM、TD、TG、TL、TQ隨之產(chǎn)生變更，使TW增加。因此，提取MBD模型中的生產(chǎn)準(zhǔn)備信息時(shí)必須確保所使用的模型與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的模型版本一致，鏈接的各文件列表現(xiàn)實(shí)有效。

2 信息傳遞的準(zhǔn)確性

MBD以三維模型作為唯一的產(chǎn)品定義依據(jù)，三維模型必須以電子化形式存在，意味著過去基于紙質(zhì)數(shù)據(jù)就能進(jìn)行的生產(chǎn)準(zhǔn)備工作必須轉(zhuǎn)變到基于電子數(shù)據(jù)的工作方式。工序模型、數(shù)據(jù)提取工具和技巧、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的集成和組織、生產(chǎn)準(zhǔn)備過程等都將影響到生產(chǎn)準(zhǔn)備信息的傳遞。鑒于生產(chǎn)準(zhǔn)備與工藝設(shè)計(jì)分離，MBD包含的信息遠(yuǎn)多于傳統(tǒng)圖紙，而生產(chǎn)準(zhǔn)備卻只需要確定的局部信息，因此基于MBD模型提取的生產(chǎn)準(zhǔn)備信息能否準(zhǔn)確傳遞將直接決定程序越程、過切、碰撞等影響產(chǎn)品質(zhì)量事件的發(fā)生機(jī)率。

3 信息反饋的及時(shí)性

MBD數(shù)據(jù)集內(nèi)包含設(shè)計(jì)、工藝、制造、檢驗(yàn)等各部門的信息，各職能人員共同在一個(gè)產(chǎn)品模型上協(xié)同工作，在生產(chǎn)準(zhǔn)備、產(chǎn)品加工過程中發(fā)生的生產(chǎn)準(zhǔn)備信息變更應(yīng)及時(shí)通知到相關(guān)人員（工藝設(shè)計(jì)人員、工裝設(shè)計(jì)人員、生產(chǎn)準(zhǔn)備人員等）。任何一次M、D、G、L、Q的變更都將影響到下一批次該產(chǎn)品基于MBD信息提取的準(zhǔn)確性。

結(jié)束語(yǔ)

MBD技術(shù)實(shí)現(xiàn)了無圖紙三維設(shè)計(jì)制造技術(shù)，縮短了產(chǎn)品研制周期，提高了生產(chǎn)效率，它要求各職能部門能快速響應(yīng)動(dòng)態(tài)的模型變化。本文從生產(chǎn)準(zhǔn)備的角度探討了在MBD環(huán)境下影響航空產(chǎn)品生產(chǎn)過程快速切換的關(guān)鍵因素，為基于MBD的航空產(chǎn)品生產(chǎn)準(zhǔn)備體系建立提供了技術(shù)支撐。

[1]周秋忠，范玉青.MBD 技術(shù)在飛機(jī)制造中的應(yīng)用[J].航空維修與工程，2008(3):55-57.

ZHOU Qiuzhong，F(xiàn)AN Yuqing.Application of MBD on airplane manufacturing[J].Aviation Maintenance & Engineering，2008(3):55-57.

[2]馮潼能，王錚陽(yáng)，宋婭.MBD 技術(shù)在協(xié)同設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2010(18):64-67.

FENG Tongneng，WANG Zhengyang，SONG Ya.Application of MBD in collaborative design and manufacturing[J].Aeronautical Manufacturing Technology，2010(18):64-67.

[3]余志強(qiáng)，陳嵩，孫煒，等.基于 MBD的三維數(shù)模在飛機(jī)制造過程中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2009(25):82-85.

YU Zhiqiang，CHEN Song，SUN Wei，et al.Application of MBD-based three-dimensional module in airecraft manufacturing[J].Aeronautical Manufacturing Technology，2009(25):82-85.

[4]梅中義.基于MBD的飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)[J].航空制造技術(shù)，2010(18):42-45.

MEI Zhongyi.Digital aircraft assembly technology based on MBD[J].Aeronautical Manufacturing Technology，2010(18):42-45.

[5]張魁，范玉青，盧鵠，等.基于 MBD制造體系的裝配工藝數(shù)據(jù)集成[J].機(jī)械工程師，2009(1):55-58.

ZHANG Kui，F(xiàn)AN Yuqing，LU Hu，et al.Assembly process data management based on digital definition technology[J].Mechanical Engineer，2009(1):55-58.

[6]杜福洲，梁海澄.基于 MBD 的航空產(chǎn)品首件檢驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].航空制造技術(shù)，2010(23):56-59.

DU Fuzhou，LIANG Haicheng.Research on key technology of MBD-based aviation first article inspection[J].Aeronautical Manufacturing Technology，2010(23):56-59.

[7]陽(yáng)陽(yáng)，莫蓉，萬(wàn)能，等.MBD 模式下基于制造資源信息的機(jī)加工藝應(yīng)用研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2012，34(14):21-25.

YANG Yang，MO Rong，WAN Neng，et al.The research of machining process application based on manufacturing resources information in MBD mode[J].Manufacturing Automation，2012，34(14):21-25.

[8]余定方.面向飛機(jī)全生命周期的MBD 數(shù)據(jù)管理解決方案探討[J].航空制造技術(shù)，2010(23):124-127.

YU Dingfang.MBD data management solution for aircraft full lifecycle[J].Aeronautical Manufacturing Technology，2010(23):124-127.

[9]鄒冀華.飛機(jī)數(shù)字化測(cè)量輔助裝配技術(shù)及應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2009(24):48-52.

ZHOU Jihua.Aircraft digitized measurement aided assembly technology and application[J].Aeronautical Manufacturing Technology，2009(24):48-52.