基于MBD技術檢驗規程在飛機數字化裝配中的應用

謝曦鵬，李 洋，李向明

（1.海軍駐閻良地區航空軍事代表室，陜西 西安 710089；2.中航飛機西安分公司，陜西 西安 710089）

1 引言

近年來，隨著CAD／CAM技術的成熟與完善，三維數字化技術在我國飛機裝配制造領域得到了廣泛的應用。特別是基于模型的產品數字化定義（MBD，MODEL BASED DEFINITION）技術的實施，實質性地推動了數控加工及成形技術、數字化測量技術、數字化陣列式裝配技術等先進制造模式的發展，從根本上徹底改變了我國航空產品裝配連接基本上靠工人手工實施的生產現狀，提高生產效率，減少協調環節，大幅度地推動了飛機設計制造技術水平的發展。

目前，國外一些大型飛機制造企業將基于模型定義的全三維制造技術應用于生產中，取得了顯著的效益。我國基于MBD技術的行業標準體系尚處于建設完善與探索階段。國內一些領先的飛機制造企業在MBD技術的協同制造、數控加工、部件裝配等技術應用方面已經取得了實質性的進展和突破，但在集成質量管理體系方面還存在不少問題，尤其是在產品的檢驗檢查和質量控制等具體的應用層面，還需要深入細致地做一些基礎性的研究和探索。如何改造傳統的檢驗模式，以適應MBD技術環境對產品檢驗與質量控制的需要，是完善飛機數字化裝配制造技術體系亟需解決的關鍵問題之一。

2 MBD技術內涵與應用現狀

MBD技術是指在航空產品的數字化定義中，以三維產品模型為基礎，集成尺寸標注、公差要求、加工制造要求、檢驗要求等特征信息，在取消二維圖紙工程定義的情況下，實現對產品特征描述、共享，以滿足數字化制造信息直接傳遞的需求。該技術將PMI（3DProduct Manufacturing Information，三維制造信息）與三維設計信息共同定義到產品的三維數字化模型中，摒棄了二維圖樣，直接使用三維標注模型作為產品的制造依據，實現CAD和CAM（加工、裝配、測量、檢驗）的高度集成。

MBD技術定義的產品數據最大的變化在于取消了二維圖紙的工程定義，按三維唯一數據源進行制造，改變了傳統的信息授權模式，使制造依據發生了變化。但MBD技術不只是簡單的將二維圖紙的信息反映到三維數據中，而是充分利用三維所具備的表現力，去探索便于用戶理解且更具效率的設計信息表達方式。其中，最為艱難的是從二維圖紙文化這種現有概念中跳出來，從零開始研究新的信息表達方式。

目前國內航空領域基于MBD數模的技術應用體系多是基于CAPP和PDM系統，與飛機數字化裝配制造技術體系的要求相比，該系統在動態、協調、協同等方面還有一定的差距。為了滿足MBD技術環境要求，解決跨地域、多企業全數字化協同的“虛擬企業”研發模式，某公司設計開發了DCE飛機協同研制平臺，該平臺集成了管理協同、制造協同、溝通協同、工裝管理系統、CAPP系統、生產管控和檔案系統等多個模塊，實現了飛機分系統的PBOM、MBOM、AO／FO等制造數據庫的協同。CNC加工技術、數字化測量技術、先進的陣列式裝配技術、并向工程、精益生產、項目管理等先進理念在企業中也得到了廣泛的應用，基于MBD技術的飛機數字化裝配制造技術主體框架業已完成。

3 基于MBD數模的檢驗規程

3.1 檢驗規程的定義

檢驗規程的定義比較模糊，缺乏一個公認的、具有權威性的定義。不同的行業、企業對檢驗規程的認知和理解也不盡相同。總體而言，對檢驗規程的理解是能夠指導產品檢驗操作的規定性文件。

傳統的檢驗模式是基于二維圖紙和相關的質量技術文件來實現的，產品的檢驗規程及檢驗規程的內涵都離不開二維圖樣這一前提。

MBD技術將三維產品制造信息（PMI）與三維設計信息共同定義到產品的三維數模中，摒棄了二維圖樣，直接使用三維標注模型作為產品的制造依據。在MBD技術環境下，產品的檢驗工作需要依據三維數模和相關的質量技術文件來保障。從二維圖樣到三維數模的轉變，賦予了MBD技術環境下檢驗規程不同的內涵，我們把這種全新的檢驗規程定義為“基于MBD數模的檢驗規程”（以下簡稱檢驗規程）。而目前，在我國的航空產品制造領域，檢驗規程意指在基于MBD技術的飛機裝配制造環境下，依據MBD數模、質量技術文件、工藝文件等，將檢驗要求和方法結合在一起，由檢驗工程技術人員編制的、用于指導檢驗工進行產品檢查驗收的規范性技術文件。

3.2 檢驗規程的作用

基于檢驗規程的檢驗模式是在傳統檢驗模式基礎上進行的技術創新，新的檢驗模式不但能夠適應飛機數字化裝配制造技術的需要，而且能夠提高檢驗工作效率，在穩步提高飛機產品的質量控制水平方面也發揮了積極的作用：

（1）在MBD技術環境下，檢驗規程替代了二維圖樣，以指令性文件的形式為產品檢驗提供了檢驗的依據。

（2）通過對產品數模和工裝數模的模擬裝配、工程標注，能夠在數模審查階段發現并防范設計工作中存在的問題和不足。

（3）依據MBD數模獨立編制的檢驗規程，能夠有效防范工藝員在AO指令中存在的問題和漏洞，在過程控制環境能夠及時發現裝配制造問題。

（4）在新的檢驗模式下，每一份AO指令或更改單在下發之前，檢驗工程技術員都會給予審查，確定并設立必要的檢驗點。審查的過程能夠糾正AO指令或更改單文件中存在的疏漏，少而精的檢驗點設置，能夠引導檢驗工對關鍵重要工序以及設計特殊要求的裝配部位給予精細化的檢查，避免重大問題的發生。

（5）檢驗規程濃縮了檢驗工程技術人員對設計要求、對質量技術文件的充分理解，明確檢驗實施的部位、測量的方法及測量工具。檢驗人員依據檢驗規程對產品實施檢驗，一定程度上對檢驗人員的工作質量起到保障作用，有利于提高并保障產品裝配制造質量。

3.3 檢驗規程的編制要求

（1）檢驗規程應明確檢查項目（檢測尺寸、精度、表面質量）、檢查的方法、選用的檢測工量具、必要的數模截圖等內容，檢驗規程內容應明確、清楚，通過對截圖圖片的編輯反映必要的檢驗信息。

（2）基于MBD技術的檢驗規程須包含MBD數模的全部特征（包括顯性特性和隱性特性）。

（3）檢驗規程及檢驗規程更改單要有標準化模板及格式，包括文件編號、表頭、版本等信息。注：檢驗規程中要明確體現出編制本規程時所基于的MBD數模的版本信息。

（4）檢驗規程的檢驗工序編號與AO／FO裝配工序的編號要有關聯性，便于問題的追溯。

（5）每項零件應編制一份檢驗規程，對稱件允許使用一份檢驗規程。組件和部件裝配可根據產品的復雜程度，依據MBD數模編制一份或多份檢驗規程。

（6）除復合材料成型、非金屬成型外，其余特殊過程按實際情況編制相應的典型檢驗規程。

3.4 飛機裝配檢驗規程的編制流程

飛機裝配檢驗規程的編制涉及較多的環節和因素，需要產品數模、工裝數模、工藝施工順序或產品裝配序列、設計驗收技術條件，還需要飛機裝配各組部件的進度計劃。為了優質高效地完成檢驗規程的編制任務，需要制定詳細的檢驗規程編制計劃且遵循一定的編制流程進行，飛機裝配檢驗規程的編制流程如圖1所示。

圖1 飛機裝配檢驗規程的編制流程

4 關鍵技術研究

4.1 產品設計特性的提取

基于模型定義的MBD數模，集成了產品加工、裝配、測量、檢驗所需要的三維標注信息。MBD數模的終端用戶可按需從數模中提取必要的數據，也可以進一步對數模進行測量、標注及捕獲操作，并添加到自定義的特征樹中，實現對產品信息的分類提取及顯示。

三維標注信息包括幾何信息和非幾何信息。幾何信息除了在三維實體上標注外，特征樹上還自動生成相應節點；非幾何信息標注在特征樹上。建模過程在特征樹自動生成的節點，如外部參考、過程元素、復合參數、鈑金參數等不屬于三維標注信息。

幾何信息為零件三維設計過程中所應用到的點、線、面、實體以及零件的幾何要求等，包括外部參考、幾何實體、過程元素、連接定義、鋪層及標注集中的基準面、公差、尺寸、粗糙度、連接定義、鋪層、密封定義等內容。

非幾何信息是對零件的輔助說明，包含模型的編號、名稱、材料描述、設計依據、模型屬性、工程注釋等。

飛機裝配產品設計特性信息的提取應包含系統組件和機體結構裝配兩大部分。裝配件（.Product）是由許多零件（.Part）和相關的緊固連接件組合而成的。裝配件的三維標注是在一個新建立的part模型中標注，與其它模型一起掛在裝配結構樹中，若裝配關系復雜，允許采用多個文件對裝配按區域劃分，并分別標注。特征樹中除了取消材料描述，增加了連接定義、密封定義、墊片定義節點外，其它與機加件相同。由于飛機裝配件涉及的零件數量多、外形龐大、空間結構復雜，所以，在 MBD數模中能夠提供的尺寸標注和其他相關的信息不一定能夠完全符合用戶的需求，需要用戶按照需求自主地從數模中提取相關產品信息。比如，設計提供的MBD數模可能僅是產品的數據信息集合，但在工廠生產加工、裝配具體產品的時候，會涉及到工裝、定位、尺寸鏈、裝配的協調、公差的分配等許多非理想狀態的因素，工藝人員、檢驗工程技術人員在編制AO／FO或檢驗計劃時，需要將產品數模和工裝數模進行組裝、進行電腦上的模擬裝配，預先分析產品裝配制造過程中可能存在的問題等。

劉鐵頭走后，我就去了李老黑家。李老黑剛吃過晚飯，正翹腿歪在沙發上剔牙。李老黑的老婆則木著臉坐在一旁的凳子上，看見我進門，只是翻了一下眼皮，沒有答理我。

4.2 大部件對接總體裝配

現代飛機結構尺寸大、外形曲面復雜，飛機裝配過程涉及了成千上萬的零部件、工裝、夾具、工具，并有大量裝配操作等，精確、合理地規劃、分析、仿真它們參與裝配的各個細節，能有效地解決裝配工藝設計中的裝配不協調、干涉、碰撞、超差等問題［2］。在新的技術環境下，基于MBD數模的陣列式裝配技術受到各飛機制造企業的重視，數字化的裝配協調方法應運而生。

陣列式裝配（DA，Determinate Assembly）是用來描述實際的設計零部件在預先定義的界面上，能精確地裝配在一起，而不需要實物標準樣件或其他復雜的測量和調整技術。在陣列式裝配環境下，實質上是將先進的數字化精確定位系統與檢驗測量系統進行了有機融合，在裝配過程中對飛機姿態實現了動態調整。

在實際應用過程中，為了能夠按照設計要求完成機身大部件的組合，在裝配的過程中引入了數字化裝配定位工裝，利用工裝自帶的機器人操作系統和激光自動跟蹤測量系統，結合飛機坐標系下各壁板定位點的坐標，實現了各飛機壁板的精確數字化定位，保證了多塊機身壁板在機身坐標系里是相互協調的，進而保證飛機對接接合面、外形輪廓度、波紋度、扭曲度及飛機姿態，滿足設計對飛機氣動外形的要求。在實現精確化定位、裝配的基礎上，提高了裝配效率，有效保障了產品的裝配質量。同時，數字化的裝配定位技術，減少了裝配誤差，降低了檢驗操作的難度并提高了檢驗的工作效率。最為關鍵的是，飛機的裝配過程中，各組部件的裝配定位都有三維的測量數據，通過計算機模擬操作可使問題得到還原，能夠發現、追溯問題的出現部位，為后續批生產飛機零部件制造、裝配工藝改善提供科學的指導依據。

4.3 檢驗點的設置原則

檢驗點的設置是飛機裝配檢驗規程的另一個難點。飛機制造是一個由數萬件零件裝配組合而成的龐大復雜的系統工程，裝配過程中需要協調的因素眾多。因而對飛機裝配體的檢驗檢查應劃分為不同的階段，對每一個階段做好過程檢查，直至完成對整個裝配體的檢驗檢查。就飛機裝配而言，一般的檢驗方式有：目視檢查、工量具檢查、樣板檢查、工裝卡具保證甚至采用激光檢查、照相測量檢查等等。不同的檢驗檢查方式適用于不同的技術要求及產品檢驗狀態，除了具有目前要求和設計數值限制的方式外，采用何種檢查方式涉及到成本、效率和進度的約束。檢驗點的設置為解決產品質量和進度的辨證關系提供了一種很好的途徑，在飛機裝配制造過程中越來越受到重視。

檢驗點的設置是由檢驗工程技術人員在消化MBD數模、理解不同組部件相對位置關系和運動關系及功能的基礎上，依據設計要求、工藝技術文件、產品驗收技術條件等文件設定的。檢驗點的設置是一個動態調整的過程，應隨設計更改、工藝更改及相關技術文件更改做適當的調整和變化。筆者在企業實踐的基礎上，根據飛機裝配的特點、數模特性，并結合在生產裝配一線長期從事產品檢驗工作檢驗員的意見，初步對飛機裝配檢驗規程中檢驗點的設置提出了以下幾條原則：

（1）技術文件、質量文件中有明確的測量要求、精度要求、表面質量要求的項目，要設立檢驗點進行檢查控制。

（2）設計有明確檢查要求的項目，如包括在MBD數模中的捕獲、通用附注、尺寸、視圖等需要檢查控制的特性。

（3）用戶代表或適航代表要求控制的項目。

（4）含有關鍵工序的項目。

（5）裝配完成之后，在后續工序中無法再次進行檢驗驗證的關鍵重要項目。

（6）易產生多余物的操作項目應在產品結構封閉之前進行多余物檢查。

（7）有測量記錄要求的項目，如測量值、重量等。

（8）需要進行總檢的項目。

（9）采用數字化設備裝配的組部件，在進行定位及操作時有電子輸出記錄的項目。

（10）對于同一位置、同一類問題在多架機中連續出現或頻現的項目。

5 結語

基于MBD技術檢驗規程是在傳統質量控制與檢驗模式基礎上進行的創新。企業實踐表明，檢驗規程在飛機型號數字化裝配研制過程中發揮了積極的作用，在有效提高檢驗工作效率的同時，檢驗規程從設計源頭做起直至產品的最終交付，對整個工作環節執行了全過程的檢驗檢查與質量跟蹤，落實了產品過程控制，有效提高并保障了最終產品的質量。

在目前的生產實踐中，檢驗規程的編制和應用尚存在諸多不足之處，如：大量文件換版升級時會出現底層文件頻繁更改，如何減少人為干預，進行數據自動傳遞的問題，以及解決檢驗人員對新技術的適應問題等。但只要循著科學創新與技術進步的指導方向，最終必將會探索出適合飛機數字化裝配、適合企業特色的檢驗模式。

［1］范玉青，梅中義，陶劍.大型飛機數字化制造工程［M］.北京：航空工業出版社，2011.

［2］李為吉.飛機總體設計［M］.西安：西北工業大學出版社，2005.

［3］肖珺，謝曦鵬.數字化三維工藝設計［J］.數字技術與應用，2010（12）：9.

［4］王磊，王正平，林思偉.飛機協同設計應用技術研究［J］.科學技術與工程，2007（22）：5855－5859.

［5］于勇，陶劍，范玉青.大型飛機數字化設計制造技術應用綜述［J］.航空制造技術，2009（11）：56－60.