基于MBD的三維裝配工藝設(shè)計(jì)技術(shù)研究

中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心□陳 杰

中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院□馬義博

中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心□潘康華

基于模型的定義（Model Based Definition，MBD）技術(shù)是將產(chǎn)品的所有相關(guān)設(shè)計(jì)定義、工藝描述、屬性和管理等信息都附著在產(chǎn)品三維模型中的先進(jìn)數(shù)字化定義方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和三維CAD技術(shù)的成熟、普及，產(chǎn)品定義技術(shù)經(jīng)歷了“二維設(shè)計(jì)、二維出圖”， “三維設(shè)計(jì)、二維出圖”到MBD全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)三個(gè)階段。在技術(shù)應(yīng)用方面，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在航空航天產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域，都已實(shí)現(xiàn)了MBD技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的改造，如美國(guó)空軍JSF戰(zhàn)斗機(jī)和空客A380的研制都是成功的范例。洛克希德馬丁公司在JSF戰(zhàn)機(jī)研制過(guò)程中采用數(shù)字化裝配技術(shù)，縮短了制造周期，降低了生產(chǎn)成本。空客公司在飛機(jī)A380研制過(guò)程中通過(guò)實(shí)施數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，也大大縮短了研制周期。近年來(lái)，隨著中國(guó)航空工業(yè)的快速發(fā)展，基于MBD的三維裝配技術(shù)在國(guó)內(nèi)航空制造技術(shù)領(lǐng)域亦受到廣泛關(guān)注，并成為研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)之一。本文對(duì)基于MBD的三維裝配工藝設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了研究，在系統(tǒng)梳理已有研究成果的基礎(chǔ)上，給出了基于MBD的三維裝配工藝設(shè)計(jì)的流程，包括三維裝配工藝模型構(gòu)建、裝配工藝信息標(biāo)注、三維裝配工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)及三維裝配工藝發(fā)放等內(nèi)容，能夠規(guī)范和指導(dǎo)基于MBD的三維裝配工藝設(shè)計(jì)技術(shù)在相關(guān)行業(yè)的推廣應(yīng)用。

1 三維裝配工藝模型構(gòu)建

進(jìn)行三維裝配工藝設(shè)計(jì)時(shí)首先需構(gòu)建三維裝配工藝模型，以表達(dá)從首個(gè)裝配件模型到產(chǎn)品裝配成品的每個(gè)工序/工步的裝配工藝過(guò)程，裝配工序/工步模型包含裝配基準(zhǔn)、裝配方向、裝配路徑、裝配尺寸、配合公差等工藝要求，裝配工藝模型構(gòu)建包括以下步驟：

1）準(zhǔn)備產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型、產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范、工藝要求等數(shù)據(jù)，將三維模型、產(chǎn)品BOM結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維工藝規(guī)劃系統(tǒng)，搭建裝配工藝模型構(gòu)建環(huán)境；

2）對(duì)裝配零部件設(shè)計(jì)BOM結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，搭建面向裝配過(guò)程的裝配件BOM結(jié)構(gòu)；

3）對(duì)產(chǎn)品裝配零部件的裝配步驟、裝入順序等裝配工藝過(guò)程進(jìn)行分析，完成工序/工步的劃分及裝配特征的定義；

5）在工序/工步模型上進(jìn)行裝配工藝內(nèi)容的表達(dá)，定義產(chǎn)品裝配裝入件的裝配方向、裝配路徑、裝配基準(zhǔn)、裝配關(guān)鍵尺寸、配合公差等工藝要求；

6）根據(jù)需要，在工序/工步模型創(chuàng)建中添加設(shè)備、工裝、工具等工藝資源模型，并裝配在工序/工步模型中用于裝配仿真驗(yàn)證、三維可視化等業(yè)務(wù)需求；

7）在工序/工步節(jié)點(diǎn)下添加設(shè)備、工裝、模具、工時(shí)等信息，完成工序/工步模型屬性信息定義；

8）對(duì)裝配工藝模型質(zhì)量進(jìn)行檢查。

2 裝配工藝信息標(biāo)注

三維裝配工藝模型構(gòu)建完成后，一般采用工藝信息框格的型式將裝配工藝信息直接標(biāo)注在三維模型上，部分不宜通過(guò)工藝信息框格表示的工藝信息通過(guò)屬性保存在三維模型中。裝配工藝信息框格如圖1所示。

圖1 裝配工藝信息框格

裝配工藝信息主要包括以下內(nèi)容：

1）裝入數(shù)量。在同一工序或工步下，裝入相同對(duì)象的數(shù)量。對(duì)于多個(gè)相同零部件的裝配，僅標(biāo)注一個(gè)工藝信息框格，且多個(gè)相同裝配特征都應(yīng)與工藝信息框格保持查詢(xún)關(guān)聯(lián)性；

2.例文不夠多。64篇習(xí)作中老教材才出現(xiàn)4篇例文，主要為讀后感例文、寫(xiě)信例文、縮寫(xiě)例文、我的小伙伴（開(kāi)頭）例文。在這4篇中有3篇是應(yīng)用文。而細(xì)節(jié)描寫(xiě)、修改的形式、應(yīng)用文的格式等重點(diǎn)都沒(méi)在例文中體現(xiàn)，更沒(méi)有以正楷字的形式、標(biāo)準(zhǔn)的格式寫(xiě)進(jìn)方格中。

2）裝配工藝方法標(biāo)識(shí)。以裝配工藝方法圖形符號(hào)表示，符號(hào)從裝配工藝方法圖形符號(hào)庫(kù)中獲?。?/p>

3）裝配工藝參數(shù)。裝配工藝參數(shù)為工藝方法相關(guān)的工藝參數(shù)及數(shù)值；

4）工藝資源信息。為裝配過(guò)程中使用的設(shè)備、工裝等資源信息，如資源名稱(chēng)或資源型號(hào)等，從企業(yè)設(shè)備資源庫(kù)中獲取，并正確反映現(xiàn)實(shí)資源配備情況；

5）關(guān)鍵檢驗(yàn)信息。為裝配的關(guān)鍵檢驗(yàn)要求，如裝配精度范圍和測(cè)量手段等；

6）工步序列號(hào)。為當(dāng)前工步在整個(gè)工序中的先后順序，使用“①”、 “②”、 “③”等表示。

3 三維裝配工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)

三維裝配工藝模型構(gòu)建完成并標(biāo)注裝配工藝信息后，進(jìn)行三維裝配工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)。三維裝配工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)主要包括以下步驟。

（1）根據(jù)三維產(chǎn)品或部件模型，分析裝配工藝特征

根據(jù)裝配模型，分析裝配約束，分析組件平行裝配和檢驗(yàn)的可行性?；谀Ｐ瓦M(jìn)行靜態(tài)裝配干涉檢查，檢查裝配位置是否存在干涉?；谀Ｐ瓦M(jìn)行碰撞干涉檢查，驗(yàn)證工裝器具裝配使用可達(dá)性。

（2）依據(jù)三維模型、工藝技術(shù)要求和生產(chǎn)組織條件，構(gòu)建三維裝配BOM，確定整體技術(shù)要求

確定產(chǎn)品或部件裝配組織形式，規(guī)劃裝配工藝方法。根據(jù)產(chǎn)品或部件模型進(jìn)行裝配分層，劃分裝配單元，構(gòu)建三維可視化裝配BOM?；谀Ｐ痛_定裝配單元基準(zhǔn)零件，規(guī)劃裝配單元順序。確定裝配工藝質(zhì)量要求標(biāo)準(zhǔn)和檢驗(yàn)方案。提出工裝設(shè)備購(gòu)置或設(shè)計(jì)意見(jiàn)，確定工藝裝備系數(shù)。確定三維環(huán)境下裝配工藝仿真和驗(yàn)證要求。

（3）根據(jù)裝配工藝方案，開(kāi)展三維裝配詳細(xì)設(shè)計(jì)

以結(jié)構(gòu)樹(shù)和流程圖等形式組織工藝規(guī)程結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，工藝規(guī)程結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)包含工藝規(guī)程、工序、工步父子關(guān)系和緊前緊后邏輯關(guān)系。工藝規(guī)程、工序、工步對(duì)象的構(gòu)建依據(jù)設(shè)計(jì)模型裝配約束和裝配BOM結(jié)構(gòu)，也可根據(jù)BOM結(jié)構(gòu)相似性結(jié)合典型工藝庫(kù)復(fù)用已有工藝，快速完成裝配工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)。依據(jù)裝配BOM和裝配順序，逐級(jí)逐次構(gòu)建工藝規(guī)程的工序、工步節(jié)點(diǎn)，定義各節(jié)點(diǎn)工藝內(nèi)容，包括裝入件明細(xì)、裝配順序、工藝方法、工藝參數(shù)、所需工裝、設(shè)備、資源、輔助材料和工時(shí)定額。根據(jù)工藝規(guī)程設(shè)計(jì)的工藝規(guī)程結(jié)構(gòu)和裝入件數(shù)據(jù)，同步構(gòu)建工藝模型（包括工序和工步模型）。根據(jù)裝配工藝模型，規(guī)劃裝配順序，滿(mǎn)足裝配單元方向合理，裝配單元順序幾何檢查可行性，關(guān)重件裝配工藝可行性，裝配單元操作可行性，裝配工藝工裝可行性；根據(jù)裝配工藝模型，確定裝配路徑，分析判斷零部件裝配起始點(diǎn)，根據(jù)相對(duì)位置關(guān)系和空間坐標(biāo)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干涉檢查，確定可行的裝配路徑。進(jìn)行工藝仿真驗(yàn)證，包括裝配順序評(píng)價(jià)和優(yōu)化分析，裝配路徑評(píng)價(jià)和優(yōu)化分析，干涉與碰撞分析，人機(jī)工效分析及裝配工藝平衡性分析等。

4 三維裝配工藝發(fā)放

完成三維裝配工藝設(shè)計(jì)后，對(duì)三維裝配工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行簽審和發(fā)放。發(fā)放的三維裝配工藝數(shù)據(jù)包括BOM信息、工藝路線(xiàn)、裝配工藝模型、裝配工序模型、裝配仿真動(dòng)畫(huà)、零部件明細(xì)表、工裝模型、技術(shù)要求和管理技術(shù)信息等。發(fā)放的形式主要包括在線(xiàn)發(fā)放、離線(xiàn)發(fā)放及紙介質(zhì)發(fā)放等。

發(fā)放的裝配工藝數(shù)據(jù)如圖2所示，主要包括以下基本信息要素：

1）基本信息，包括零部件圖號(hào)、名稱(chēng)、版本、工序名稱(chēng)、設(shè)備名稱(chēng)和計(jì)劃數(shù)量等內(nèi)容；

2）工藝注釋信息，包括工步號(hào)、工裝代號(hào)、質(zhì)量控制文件、安全控制文件、外購(gòu)工具明細(xì)表、專(zhuān)用工藝裝備明細(xì)表、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（通用）工具明細(xì)表、工位器具明細(xì)表和專(zhuān)用工藝裝備設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)等信息；

3）工藝路線(xiàn)，通常以樹(shù)狀形式進(jìn)行表達(dá)，樹(shù)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)為工序或工步；

4）裝配零部件清單，每一道工序、工步裝配的零部件；

圖2 裝配工藝數(shù)據(jù)信息要素

5）三維工序模型，即與工藝路線(xiàn)樹(shù)中選定節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的帶工藝標(biāo)注信息的三維模型；

6）定額信息，包括工時(shí)定額；

7）簽署信息，包括設(shè)計(jì)、審核、批準(zhǔn)等人員的數(shù)字簽名信息。