基于MBD的飛機(jī)裝配技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用分析

任向陽

（航空工業(yè)陜西工業(yè)集團(tuán)有限公司，漢中 723200）

在當(dāng)前的飛機(jī)裝配制造過程中，設(shè)計模型向?qū)嶋H產(chǎn)品傳達(dá)的環(huán)節(jié)較多，相關(guān)工作人員需要對大量的裝備進(jìn)行裝夾定位，從而導(dǎo)致裝配過程中的裝配協(xié)調(diào)線路較為復(fù)雜。現(xiàn)階段，為保證裝配工作的精度，應(yīng)用基于模型的定義（Model Based Definition，MBD）技術(shù)制定相應(yīng)的裝配方案，成為了保障零部件與工藝裝備之間協(xié)調(diào)性的有效方式之一。

1 基于MBD的飛機(jī)裝配工藝數(shù)據(jù)集定義

為進(jìn)一步提升飛機(jī)裝配工作的效率，早在20世紀(jì)90年代，波音公司就將以MBD技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)字化裝配技術(shù)應(yīng)用到了飛機(jī)研制過程中。例如，在研制波音777飛機(jī)的過程中，借助MBD技術(shù)以三維數(shù)字模型代替了傳統(tǒng)二維圖紙，能夠?qū)⒘悴考膸缀翁卣饔行П磉_(dá)出來。這種方式不僅有效消除了數(shù)據(jù)傳遞過程中可能產(chǎn)生的誤差，而且推動了飛機(jī)研制工作的數(shù)字化、無紙化發(fā)展。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，MBD技術(shù)被廣泛應(yīng)用到了國內(nèi)外飛機(jī)裝配工作中，使得飛機(jī)研制過程中不同環(huán)節(jié)的信息都得到了規(guī)范化的定義，進(jìn)一步提升了飛機(jī)裝配構(gòu)建三維數(shù)字化模型的完整性與準(zhǔn)確性?，F(xiàn)階段，借助MBD數(shù)據(jù)集進(jìn)行飛機(jī)模塊裝配活動，不僅進(jìn)一步提升了飛機(jī)裝配工作的可靠性與精確性，還推動了飛機(jī)裝配工作朝著信息化、集成化的方向發(fā)展[1]。

2 基于MBD的飛機(jī)裝配工藝規(guī)劃

由于當(dāng)前飛機(jī)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)層次較多，為切實(shí)降低裝配工作的難度，在實(shí)際工作過程中，相關(guān)工作人員可以利用設(shè)計工藝將不同層次的MDB模型劃分成不同的裝配單元，并盡量減少裝配單元零件的數(shù)量，然后依據(jù)轉(zhuǎn)配單元間具體的約束關(guān)系建立同一層次的局部有向圖。圖1為基于MBD的飛機(jī)裝配工藝規(guī)劃過程[2]。

3 基于MBD的飛機(jī)裝配工藝協(xié)同設(shè)計方法

近年來，在航空企業(yè)工藝越發(fā)復(fù)雜的情況下，對飛機(jī)裝配工作的進(jìn)度要求不斷提升，原有的串行生產(chǎn)方式已經(jīng)無法適應(yīng)飛機(jī)的生產(chǎn)要求?，F(xiàn)階段，為切實(shí)提升飛機(jī)裝配工作的效率，相關(guān)工作人員可以將MBD模型應(yīng)用到飛機(jī)研制的過程當(dāng)中，以確保飛機(jī)并行協(xié)同研制過程中，相關(guān)工作人員可以獲取高精確度的數(shù)據(jù)集成信息。

3.1 成熟度驅(qū)動下的飛機(jī)裝配工藝協(xié)同設(shè)計

現(xiàn)階段，在開展飛機(jī)裝配工作的過程中，相關(guān)工作人員可以通過應(yīng)用并行協(xié)同研制模式的方式定義飛機(jī)MBD模型的成熟度和完整度，然后設(shè)置數(shù)據(jù)基線并標(biāo)出其工作狀態(tài)。通過這種方式不僅可以加快產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)的發(fā)放時間，便于后續(xù)工裝設(shè)計、裝配工藝設(shè)計等工作提前進(jìn)行，而且能使飛機(jī)產(chǎn)品設(shè)計、裝配工裝設(shè)計、裝配工藝設(shè)計等工作同時進(jìn)行，從而達(dá)到加快飛機(jī)裝配工作速度的目的。

3.1.1 成熟度技術(shù)

成熟度技術(shù)是一種描述產(chǎn)品數(shù)字模型完整度的技術(shù)。在當(dāng)前的飛機(jī)裝配過程中，通過應(yīng)用成熟度技術(shù)，相關(guān)工作人員可以將研發(fā)過程中產(chǎn)品模型劃分為不同的等級，以便于處于產(chǎn)品研發(fā)下游的工裝設(shè)計、工藝設(shè)計等部分的工作人員依據(jù)產(chǎn)品相應(yīng)部分的不同成熟度對數(shù)字模型進(jìn)行處理，從而達(dá)到提升模型處理效率的目的。

3.1.2 劃分MBD模型的成熟度等級

在當(dāng)前的飛機(jī)裝配過程中，MBD數(shù)字模型貫穿了整個研制流程，有效推動了飛機(jī)裝配技術(shù)的數(shù)字化發(fā)展步伐。不論是從產(chǎn)品研發(fā)、管理還是從技術(shù)實(shí)施的角度來說，MBD數(shù)字模型的構(gòu)建都有效推動了飛機(jī)研發(fā)工作的穩(wěn)定發(fā)展。現(xiàn)階段，為進(jìn)一步提升飛機(jī)裝配工作的效率，相關(guān)工作人員可以在明確自身企業(yè)成熟度劃分要求的基礎(chǔ)上研究飛機(jī)研制流程，并針對飛機(jī)的MBD模型，對飛機(jī)零部件模型進(jìn)行完善與 定義[3]。

3.2 裝配工藝系統(tǒng)設(shè)計流程

在飛機(jī)裝配設(shè)計過程中，依據(jù)MBD模型狀態(tài)成熟度升降管理原則，相關(guān)工作人員在流程設(shè)計不同成熟度階段的工作內(nèi)容有所不同。

3.2.1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的工作流程

在飛機(jī)裝配工作過程中，飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的工作從概念設(shè)計階段一直延續(xù)到詳細(xì)設(shè)計階段。具體來說，在開展飛機(jī)裝配工作的過程中，MBD模型的狀態(tài)成熟度處于ML1階段時，飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計人員需要對飛機(jī)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計；當(dāng)成熟度處于ML2階段時，飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計人員需要對飛機(jī)的部段結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計；當(dāng)成熟度處于ML3階段時，飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計人員需要對飛機(jī)的零組件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計；當(dāng)成熟度處于ML4階段時，飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計人員需要對飛機(jī)的零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，并對零件的裝配結(jié)果進(jìn)行數(shù)字化仿真，然后調(diào)整存在干涉問題的零件結(jié)構(gòu)；在解決零件結(jié)構(gòu)設(shè)計問題后，成熟度上升至ML5階段，此時飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計人員可以對飛機(jī)的MBD數(shù)字模型進(jìn)行完整定義[4]。

3.2.2 裝配工藝設(shè)計人員的工作流程

在概念設(shè)計階段，裝配工藝設(shè)計人員就已經(jīng)參與到并行協(xié)同研制工作過程中。在MBD模型狀態(tài)成熟度處于ML1時，裝配設(shè)計人員需要制定裝配工藝的總體設(shè)計方案以及工藝研制計劃，并確定裝配協(xié)調(diào)工作的具體方法與零部件交付的實(shí)際原則。當(dāng)狀態(tài)成熟度達(dá)到ML2時，裝配設(shè)計人員需要依據(jù)飛機(jī)的具體設(shè)計結(jié)構(gòu)與工藝特征，將較為復(fù)雜的MBD模型劃分成相對簡單并具有獨(dú)立功能的裝配單元，并依據(jù)裝配工藝基準(zhǔn)對裝配單元轉(zhuǎn)配準(zhǔn)確度的要求為裝配結(jié)構(gòu)選取合適的定位方式。當(dāng)狀態(tài)成熟度達(dá)到ML3時，裝配設(shè)計人員可以對裝配工藝方案進(jìn)行細(xì)化設(shè)計，以明確裝配單元中各個零部件的具體交付狀態(tài)，并將零部件因裝配定位、工藝補(bǔ)償?shù)纫笮枰砑拥难b配孔、導(dǎo)孔等信息反映給設(shè)計部門。當(dāng)狀態(tài)成熟度上升到ML4時，裝配設(shè)計人員需要對裝配工藝方案進(jìn)行細(xì)致的設(shè)計規(guī)劃，從而確定裝配工作的具體順序和各裝配單元的裝配路徑。同時，需要結(jié)合裝配工作的結(jié)構(gòu)模型對裝配過程進(jìn)行仿真，并將仿真得到的結(jié)果反饋給結(jié)構(gòu)設(shè)計人員。若發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在問題，則降低MBD模型的狀態(tài)成熟度，并對模型進(jìn)行科學(xué)的修改。當(dāng)修改后的模型結(jié)構(gòu)設(shè)計切實(shí)滿足相關(guān)規(guī)定需要時，模型狀態(tài)成熟度上升到ML5，此時裝配設(shè)計人員可以依據(jù)裝配仿真獲得的結(jié)果完善裝配工藝設(shè)計方案，并建立滿足裝配工藝需要的MBD數(shù)字模型。

3.2.3 裝配工裝設(shè)計人員的工作流程

在飛機(jī)并行協(xié)同研制過程中，裝配工裝設(shè)計人員的工作是從MBD模型的成熟度狀態(tài)達(dá)到ML1后開始的。當(dāng)MBD模型的狀態(tài)成熟度達(dá)到ML1后，裝配工裝設(shè)計人員需要開展總體工裝方案設(shè)計工作，同時成立工裝設(shè)計項(xiàng)目。當(dāng)模型狀態(tài)成熟度達(dá)到ML2時，裝配工裝設(shè)計人員可以對工裝裝配情況進(jìn)行初步設(shè)計，并建立工裝設(shè)計的初步結(jié)構(gòu)方案。當(dāng)模型的成熟度達(dá)到ML3時，裝配工裝設(shè)計人員需要確定工裝設(shè)計的基準(zhǔn)，并設(shè)計裝配工裝的骨架與定位結(jié)構(gòu)。當(dāng)模型的成熟度達(dá)到ML4時，裝配工裝設(shè)計人員在完成工裝骨架與定位器設(shè)計完善工作后，需要進(jìn)行協(xié)調(diào)問題檢驗(yàn)。當(dāng)模型的成熟度達(dá)到ML5時，裝配工裝設(shè)計人員需要建立工裝MBD數(shù)字模型[5]。

3.3 關(guān)鍵裝配特性的識別與研究

在開展飛機(jī)裝配工作的過程中，受裝配零部件數(shù)量較多、裝配環(huán)境較為復(fù)雜的影響，零部件裝配工作的協(xié)調(diào)性與準(zhǔn)確度相對較低?，F(xiàn)階段，為切實(shí)解決上述問題，在飛機(jī)裝配過程中需要提高對裝配零部件協(xié)調(diào)特征、關(guān)鍵特征尺寸、配合關(guān)系的關(guān)注度，并明確零部件的裝配特性關(guān)系，從而在后續(xù)零部件裝配過程中降低不協(xié)調(diào)、返修等情況的出現(xiàn)概率。

3.3.1 關(guān)鍵裝配特性分析

關(guān)鍵裝配特性是指在實(shí)際裝配過程中，參與到裝配工作中零部件的結(jié)構(gòu)、尺寸、形狀等會對裝配協(xié)調(diào)工作產(chǎn)生影響的幾何特征。裝配協(xié)調(diào)性則是指參與到裝配工作中的零部件相互之間幾何參數(shù)相互配合關(guān)系的一致程度。在基于MBD飛機(jī)裝配技術(shù)應(yīng)用的過程中，關(guān)鍵裝配特性不僅明確了零部件裝配工作中應(yīng)重點(diǎn)控制的對象，還映射了裝配設(shè)計的部分要求。這種情況的出現(xiàn)一方面為裝配質(zhì)量監(jiān)測工作提供了參數(shù)依據(jù)，另一方面降低了以關(guān)鍵裝配特性為中心的監(jiān)測數(shù)據(jù)模型構(gòu)建的難度。

3.3.2 關(guān)鍵裝配特征的識別方法

由于在飛機(jī)裝配工作過程中，從最初提出的裝配需求到最終裝配方案的成型，都離不開關(guān)鍵裝配特征的選擇工作。因此，關(guān)鍵裝配特征的選擇效果與飛機(jī)裝配工作質(zhì)量間存在著直接的聯(lián)系。在飛機(jī)裝配初始階段，可以從裝配需求的角度對關(guān)鍵裝配特征進(jìn)行篩選預(yù)定義。但隨著裝配工作的逐漸推進(jìn)，裝配零部件的復(fù)雜度、數(shù)量等不斷增長，大大提升了從裝配零件幾何特性中識別關(guān)鍵裝配特征的難度。因?yàn)榇藭r概括性的關(guān)鍵裝配特征已經(jīng)無法滿足裝配工作的實(shí)際需要，所以需要對關(guān)鍵裝配特征進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)化分解。但需要注意的是，在飛機(jī)裝配過程中，若關(guān)鍵裝配特征過多，可能會導(dǎo)致裝配測量和控制工作的工作量大幅度增加，從而影響后續(xù)裝配工作的順利進(jìn)行。

4 結(jié)語

一般產(chǎn)品裝配工作只占工作總量的20%左右，但飛機(jī)裝配工作占據(jù)了飛機(jī)研制工作量的40%～50%。在當(dāng)前我國航天航空事業(yè)飛速發(fā)展的背景下，為切實(shí)滿足國家對飛機(jī)的戰(zhàn)略、國防需要，將MBD技術(shù)應(yīng)用到飛機(jī)裝配工作中，可以在保證飛機(jī)裝配工作質(zhì)量的同時，降低飛機(jī)裝配所需的成本，并縮短裝配工作的周期。