一體化三維工藝設(shè)計(jì)在復(fù)雜電子裝備中的應(yīng)用*

吳 欣

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

一體化三維工藝設(shè)計(jì)在復(fù)雜電子裝備中的應(yīng)用*

吳 欣

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

軍用電子裝備行業(yè)研制生產(chǎn)并線(xiàn)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜。為打通三維模型在設(shè)計(jì)制造端的傳遞和應(yīng)用，文中在數(shù)字化樣機(jī)工程基礎(chǔ)上，提出了基于模型定義(Model-based Definition，MBD)技術(shù)的設(shè)計(jì)制造一體化集成研制框架，并在復(fù)雜電子裝備行業(yè)進(jìn)行了應(yīng)用。重點(diǎn)闡述了一體化三維工藝設(shè)計(jì)的系統(tǒng)架構(gòu)和業(yè)務(wù)框架，對(duì)系統(tǒng)的工藝物料清單(Process Bill of Material, PBOM)設(shè)計(jì)管理、三維工藝設(shè)計(jì)等過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)描述。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以提高上下游交互程度，提升設(shè)計(jì)制造一體化水平，可為設(shè)計(jì)制造一體化推進(jìn)工作提供參考。

模型定義技術(shù)；三維工藝；一體化；工藝物料清單；產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理

引 言

基于模型定義(Model-based Definition, MBD)技術(shù)是產(chǎn)品數(shù)字化定義的新方法，其核心內(nèi)容是產(chǎn)品的幾何模型，所有相關(guān)的工藝描述信息、屬性信息和管理信息(包括零件表)等都附著在產(chǎn)品的三維模型中。它是一個(gè)用集成的三維實(shí)體模型來(lái)完整表達(dá)產(chǎn)品定義信息的方法，詳細(xì)規(guī)定了三維實(shí)體模型中產(chǎn)品尺寸、公差的標(biāo)注規(guī)則和工藝信息的表達(dá)方法。MBD改變了傳統(tǒng)由三維實(shí)體模型來(lái)描述幾何形狀信息以及用二維工程圖紙來(lái)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，使三維實(shí)體模型作為生產(chǎn)制造過(guò)程中的唯一依據(jù)，改變了傳統(tǒng)以工程圖紙為主、以三維實(shí)體模型為輔的制造方法[1]。

美國(guó)波音公司作為上游企業(yè)，在2004年啟動(dòng)的波音787項(xiàng)目中，從設(shè)計(jì)開(kāi)始，在合作伙伴中全面推行MBD技術(shù)，即在3D模型中包含產(chǎn)品形狀以及全部制造特征在內(nèi)的信息，并在管理中完全以3D模型為設(shè)計(jì)制造的唯一依據(jù)。在波音787項(xiàng)目的帶動(dòng)下，波音公司及其主要承包商實(shí)現(xiàn)了向MBD制造技術(shù)體系的過(guò)渡[2]。

1 需求分析

目前我國(guó)企業(yè)大多采用三維模型+二維圖紙的產(chǎn)品數(shù)字化定義方式，由于設(shè)計(jì)、制造工程師缺乏對(duì)數(shù)字化產(chǎn)品非幾何信息定義的統(tǒng)一認(rèn)同形式，因此采用三維模型表達(dá)幾何信息，工藝、制造、屬性和管理信息仍以二維工程圖作為表達(dá)方式。即便對(duì)于數(shù)控機(jī)加工類(lèi)零件，也需要將三維數(shù)模轉(zhuǎn)化成二維圖紙，以便遵循傳統(tǒng)的制圖標(biāo)準(zhǔn)將僅靠形狀無(wú)法表達(dá)的非形狀信息標(biāo)示在二維圖上。由于產(chǎn)品數(shù)據(jù)定義以二維和三維形式來(lái)共同表達(dá)，因此下游用戶(hù)(如工藝、工裝和檢驗(yàn))在工作之前要花大量的時(shí)間和精力認(rèn)真閱讀三維數(shù)模和二維圖樣。特別是對(duì)于較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)零部件，有時(shí)會(huì)存在二維與三維不一致的問(wèn)題，甚至個(gè)別零部件有時(shí)用二維圖紙和文字都難以描述清楚。這使得設(shè)計(jì)生產(chǎn)間的協(xié)調(diào)、更改和返工較多，影響生產(chǎn)效率，難以完全發(fā)揮數(shù)字化技術(shù)在設(shè)計(jì)制造中的優(yōu)勢(shì)[3]。

國(guó)內(nèi)航空業(yè)在設(shè)計(jì)端率先應(yīng)用了MBD技術(shù)，但在工藝設(shè)計(jì)階段由于缺乏成熟的軟件系統(tǒng)作為支撐，未能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造的一體化。軍工電子行業(yè)由于自身的特殊性，存在典型的多型號(hào)、多狀態(tài)、小批量、多批次、預(yù)研與批產(chǎn)并存的復(fù)雜生產(chǎn)狀況，面對(duì)產(chǎn)品研制任務(wù)越來(lái)越艱巨、研制周期越來(lái)越短和產(chǎn)品質(zhì)量要求越來(lái)越高的新常態(tài)，缺乏可供借鑒的成熟產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(Product Data Management，PDM)系統(tǒng)。本文以數(shù)字化樣機(jī)工程設(shè)計(jì)制造一體化項(xiàng)目為背景，探索基于MBD的設(shè)計(jì)制造一體化研制系統(tǒng)在軍用電子裝備中的應(yīng)用，提出了一體化的數(shù)字化集成研制框架，并進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)施。

2 三維工藝系統(tǒng)框架

基于現(xiàn)有的PDM系統(tǒng)，搭建基于三維設(shè)計(jì)模型的工藝設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)，形成面向三維模型定義的工藝設(shè)計(jì)能力，建設(shè)內(nèi)容涵蓋工藝設(shè)計(jì)、工藝物料清單(Process Bill of Material，PBOM)設(shè)計(jì)管理、工藝任務(wù)分工、定額管理、工裝設(shè)計(jì)管理和工藝基線(xiàn)管理等業(yè)務(wù)。一體化三維工藝系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。實(shí)現(xiàn)基于PBOM的結(jié)構(gòu)化的工藝數(shù)據(jù)管理，為ERP、MES等生產(chǎn)組織信息系統(tǒng)提供工藝支撐數(shù)據(jù)。

圖1 一體化PDM系統(tǒng)總體架構(gòu)

實(shí)施一體化的三維工藝設(shè)計(jì)管理平臺(tái)后工藝設(shè)計(jì)管理業(yè)務(wù)的框架如圖2所示。統(tǒng)一的工藝設(shè)計(jì)管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝設(shè)計(jì)各個(gè)業(yè)務(wù)的管理，實(shí)現(xiàn)基于三維設(shè)計(jì)模型的三維工藝設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)基于全三維的工藝設(shè)計(jì)文件在制造現(xiàn)場(chǎng)的可視化展示。由于一體化的工藝設(shè)計(jì)管理數(shù)據(jù)源的唯一性，從設(shè)計(jì)、制造到管理以及檢驗(yàn)信息都依據(jù)一系列的MBD規(guī)范統(tǒng)一定義在三維數(shù)模中，因此三維數(shù)字化模型成為設(shè)計(jì)、制造和管理的唯一依據(jù)。

3 三維工藝系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)施

3.1 三維工藝系統(tǒng)管理業(yè)務(wù)框架

采用一體化的工藝設(shè)計(jì)管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)基于三維設(shè)計(jì)模型的工藝設(shè)計(jì)各核心業(yè)務(wù)的管理。實(shí)施一體化的設(shè)計(jì)制造管理平臺(tái)后的業(yè)務(wù)框架如圖2所示。通過(guò)三維工藝設(shè)計(jì)管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)基于全三維的工藝設(shè)計(jì)過(guò)程管理，實(shí)現(xiàn)基于全三維的工藝設(shè)計(jì)文件在制造現(xiàn)場(chǎng)的可視化展示，實(shí)現(xiàn)在統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的基礎(chǔ)上，工藝設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造環(huán)節(jié)相關(guān)系統(tǒng)的緊密集成。

圖2 三維工藝設(shè)計(jì)管理平臺(tái)業(yè)務(wù)框架

3.2 PBOM設(shè)計(jì)管理

PBOM的生成及管理是工藝設(shè)計(jì)和管理的起始點(diǎn)，也是產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)的交接點(diǎn)，是PDM下組織整個(gè)工藝的基礎(chǔ)?；赑DM平臺(tái)的工藝信息管理將圍繞PBOM進(jìn)行數(shù)據(jù)組織和管理，并能夠根據(jù)業(yè)務(wù)流程的關(guān)系有機(jī)地執(zhí)行管理、工藝分工、工藝計(jì)劃、工藝規(guī)程編制、工藝資源管理、工藝知識(shí)管理、材料消耗定額編制、工時(shí)定額管理、工藝審批流程管理以及工裝設(shè)計(jì)與管理[4]。

PBOM是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的工程物料清單( Engineering Bill of Material，EBOM)的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)重構(gòu)產(chǎn)生的。EBOM是產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程的屬性數(shù)據(jù)集，除包含產(chǎn)品零部件的結(jié)構(gòu)尺寸、材料屬性、技術(shù)要求等信息外，其裝配屬性信息中還描述了產(chǎn)品零部件之間按照功能劃分的裝配結(jié)構(gòu)關(guān)系。PBOM是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)協(xié)同階段，工藝設(shè)計(jì)師繼承來(lái)自上游設(shè)計(jì)端的EBOM，完成從EBOM到PBOM的創(chuàng)建。工藝設(shè)計(jì)師在EBOM的基礎(chǔ)上，按照工藝實(shí)際裝配關(guān)系對(duì)EBOM結(jié)構(gòu)樹(shù)進(jìn)行重新構(gòu)建，同時(shí)在PBOM節(jié)點(diǎn)上添加零部件的相關(guān)制造信息。系統(tǒng)PBOM結(jié)構(gòu)編輯界面如圖3所示。

圖3 PBOM結(jié)構(gòu)編輯界面

PBOM完成歸檔后，系統(tǒng)自動(dòng)讀取PBOM創(chuàng)建時(shí)的相關(guān)制造信息，并以頂層節(jié)點(diǎn)作為主對(duì)象自動(dòng)啟動(dòng)工藝設(shè)計(jì)任務(wù)的分工流程。PBOM作為各類(lèi)工藝任務(wù)分工以及工藝設(shè)計(jì)的依據(jù)，使所有工藝信息以PBOM為核心進(jìn)行組織管理。

3.3 三維工藝設(shè)計(jì)

3.3.1 三維零件工藝設(shè)計(jì)過(guò)程

基于三維模型的產(chǎn)品數(shù)字化定義不同于傳統(tǒng)的三維模型，它在傳統(tǒng)直觀形象的三維幾何模型基礎(chǔ)上，在三維幾何模型中完成標(biāo)注(包括尺寸、形位公差、技術(shù)要求、注釋及屬性等)，完整地反映設(shè)計(jì)意圖。全三維標(biāo)注的三維設(shè)計(jì)模型如圖4所示。

圖4 基于MBD的三維模型定義

工藝設(shè)計(jì)師在PDM系統(tǒng)中確認(rèn)工藝設(shè)計(jì)任務(wù)，從PDM中的工藝任務(wù)鏈接啟動(dòng)工藝編輯工具。創(chuàng)建新編工藝設(shè)計(jì)，并將PBOM節(jié)點(diǎn)信息的相關(guān)制造信息自動(dòng)帶入。工藝文件掛載到PBOM節(jié)點(diǎn)上，如圖5所示。

圖5 工藝文件掛載到PBOM節(jié)點(diǎn)上

零件工藝的設(shè)計(jì)步驟如圖6所示。在工藝編輯器中進(jìn)行工藝路線(xiàn)設(shè)計(jì)，模塊工藝設(shè)計(jì)師利用中間模型建模工具完全繼承設(shè)計(jì)模型、三維標(biāo)注等信息；直接對(duì)零件幾何進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)模型的處理；在中間模型工具中直接利用設(shè)計(jì)產(chǎn)生的3D模型生成零件加工過(guò)程中所需的中間模型；3D中間模型方便納入PDM中進(jìn)行統(tǒng)一管理，并建立與工序?qū)ο笾g的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

圖6 零件工藝編制步驟

零件工藝編制后生成的零件工藝流程圖最終發(fā)布在工藝規(guī)程頁(yè)面的零件工藝發(fā)布頁(yè)面，如圖7所示。

圖7 零件工藝發(fā)布頁(yè)面

3.3.2 三維裝配工藝的設(shè)計(jì)過(guò)程

工藝設(shè)計(jì)師在PDM中確認(rèn)工藝設(shè)計(jì)任務(wù)后，進(jìn)入工藝編輯器中，在PBOM節(jié)點(diǎn)上點(diǎn)擊需要?jiǎng)?chuàng)建的對(duì)象圖號(hào)，系統(tǒng)自動(dòng)新建相關(guān)裝配工藝。裝配工藝的編制步驟如圖8所示。

在工藝編輯器中建立起工藝路線(xiàn)、工裝及工具要求。點(diǎn)擊參裝工具，系統(tǒng)自動(dòng)載入對(duì)應(yīng)圖號(hào)的PBOM結(jié)構(gòu)樹(shù)，在參裝工具(如圖9所示)三維環(huán)境中將零部件分配到工序工步下。根據(jù)工藝表達(dá)需要，在對(duì)應(yīng)工序工步中新建三維裝配注釋?zhuān)瑢BOM結(jié)構(gòu)中的零部件分配至劃分好的工序或工步下。

圖9 參裝件分配工具

按圖8所示步驟設(shè)計(jì)完成的裝配工藝在PDM中保存并歸檔，最終整合所有信息，發(fā)布在三維裝配工藝的發(fā)布頁(yè)面，如圖10所示。

圖10 三維裝配工藝的發(fā)布頁(yè)面

在目前的三維工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)下，裝配工藝的設(shè)計(jì)可以完成工藝路線(xiàn)內(nèi)容編輯、三維零部件分配及注釋集添加等工作，實(shí)現(xiàn)了中小裝配的交互式三維工藝的編制以及三維可視化裝配工藝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的發(fā)布。

4 結(jié)束語(yǔ)

全三維實(shí)施后帶來(lái)的是整個(gè)研發(fā)設(shè)計(jì)模式的變革。它打通了三維模型從設(shè)計(jì)、工藝到生產(chǎn)全過(guò)程的傳遞和應(yīng)用。產(chǎn)品數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了單一數(shù)據(jù)管理，避免了以往二維與三維不一致的問(wèn)題。同時(shí)，它作為設(shè)計(jì)唯一授權(quán)的數(shù)據(jù)集，實(shí)現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)品特征描述的所有定義內(nèi)容以結(jié)構(gòu)化的形式傳遞，提高了上下游的交互程度，使設(shè)計(jì)制造一體化上了一個(gè)新的臺(tái)階，也是設(shè)計(jì)制造模式的一場(chǎng)變革。

[1] 王乾平. MBD技術(shù)在飛機(jī)產(chǎn)品中的應(yīng)用研究[J].飛機(jī)工程, 2009(4): 1-3.

[2] 夏平均, 姚英學(xué), 李建廣, 等. 三維數(shù)字化裝配工藝系統(tǒng)的研究[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2005(1): 36-39.

[3] 于勇, 陶劍, 范玉青. 波音787飛機(jī)裝配技術(shù)及其裝配過(guò)程[J]. 航空制造技術(shù), 2009(14): 44-47.

[4] 屈力剛, 苑俊超, 魏佩振. 基于MBD的三維裝配BOM重構(gòu)技術(shù)[J]. 航空制造技術(shù), 2014(9): 26-29.

吳 欣(1973-)，女, 碩士，高級(jí)工程師，主要從事數(shù)字化制造技術(shù)及工藝信息化研究工作。

Application of Integrated Three-dimension Process Design to Complex Electronic Equipment

WU Xin

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

The research and industrialization lines are cooperated and combined in the military electronic equipment industries and the product structure is complicated. To get through transfer and application of the three-dimension models in design and manufacture process, in this paper a MBD-based design and manufacture integrated development frame is proposed and applied to the complex electronic equipment industry. The system architecture and business framework of integrated three-dimension process design are emphasized and the design & management of PBOM and three-dimension process design are described in detail. The application results indicate that the system can improve the interaction of upstream and downstream, upgrade the integration of design and manufacture. This can provide helpful reference for integrated design and manufacture.

model-based definition (MBD); three-dimension process; integration; process bill of material (PBOM); product data management(PDM)

2015-11-05

TG9

A

1008-5300(2016)01-0036-04