基于MBD的飛機三維數字化裝配工藝設計與應用

鞏玉強

（中航通飛華南飛機工業(yè)有限公司，珠海 519040）

0 引言

當前新研飛機已全面采用基于MBD的產品設計技術，所有零部件的設計及制造信息全部采用三維數字化定義，而國內裝配工藝設計依然以二維文字為主要表達方式的CAPP系統，無法實現MBD信息的提取，工藝設計部門無法利用三維數字化設計所帶來的優(yōu)勢，因此采用基于MBD的三維數字化裝配工藝設計勢在必行。本文介紹了采用DELMIA軟件系統進行基于MBD產品設計的三維數字化裝配工藝設計系統，介紹了三維數字化裝配工藝設計系統的構架、設計方法和流程，為全面開展三維數字化裝配工藝設計做了探索。

1 國內外裝配工藝設計的現狀及發(fā)展方向

隨著 CAD/CAM/CAE以及計算機信息和網絡技術的發(fā)展，歐美各航空制造大國均已全面采用三維數字化設計和制造技術，全面采用三維數字化產品定義和仿真技術，從根本上改變了傳統的飛機設計與制造方式，大幅度地提高了飛機設計制造技術水平。波音公司在波音777飛機的研制過程中，由于全面采用了該項新技術，使研制周期縮短50%，出錯返工率減少75%，成本降低25%，其研制過程是數字化設計制造技術在飛機研制中應用的重大突破。近幾年在美國波音787、F-35、歐洲A400M及A350的研制中，數字化設計及裝配技術有了更為深入的應用[1]。

近幾年，國家加強了對航空業(yè)的扶持力度，我國的航空制造業(yè)迎來了高速發(fā)展時期。當前一些新型號的研制已全面采用了基于MBD的全三維產品設計，飛機產品設計已全面實現三維無紙化設計，取得了產品從二維模擬量到全三維數字量的革命性突破，也為進一步實施數字化制造打好了堅實的基礎。目前零件制造部門使用MBD數據已較為順利，大大減少了因工人對圖紙理解偏差導致的質量問題；然而裝配工藝設計部門依然按照傳統方式進行裝配工藝的規(guī)劃和設計，導致三維數字化的產品數據在裝配工藝設計階段出現斷層，使得三維數字化的產品設計數據無法準確順利地往下一級流動，需要大量的人員手工參與，數據的準確性、連續(xù)性被破壞，裝配指令（即AO）的編制完全采用文字或者插入少量圖片的方式進行表達，工人現場使用時還需參照大量設計技術文件以及各類工藝性文件，可讀性和操作性極差，一線操作者意見很大，普遍存在師傅干什么徒弟干什么的情況，無法起到指導現場操作的作用。

因此裝配工藝設計部門需要適應全三維數字化設計的新形勢，采用基于MBD的三維數字化裝配工藝設計系統進行裝配工藝的設計和規(guī)劃，利用設計部門在VPM協同設計系統中設計并發(fā)放的產品三維數模，通過數據接口將產品數據導入裝配工藝設計系統中，并將產品三維數模的路徑關聯到每個零件上，在三維可視環(huán)境下進行產品的裝配工藝規(guī)劃及工藝設計，直觀地反映裝配狀態(tài)，最后生成現場使用的三維可視化裝配指令指導現場生產。

2 基于MBD的三維數字化裝配工藝的設計過程

基于MBD的三維數字化裝配工藝設計不僅僅是指編制三維裝配指令，而是貫穿飛機設計的整個過程，在整個過程中不同階段有不同的側重點。這個過程主要包含以下三個階段：

第一階段：工藝系統接收產品初步設計數據，分析產品結構特點，與設計人員協商初步確定工藝分離面并制定初步的裝配方案，然后在三維仿真軟件內進行裝配方案可行性的初步分析，制定總體裝配方案，分析可能的裝配難點和重點。

第二階段：工藝系統接收產品較高成熟度的MBD設計數據，在三維仿真軟件內對重點部位（必要時對全部）結構件、管路、自動化裝配設備等進行裝配過程和人機功效的詳細仿真分析，發(fā)現并解決產品、工裝以及工藝方面的問題并給出解決方案，如圖1～圖3所示；

這個階段的工藝工作主要包括：裝配順序的創(chuàng)建和優(yōu)化；裝配路徑設計和優(yōu)化；裝配工藝過程仿真模擬、人機功效模擬、自動化定位及制孔設備等的工作仿真。利用三維數字化仿真軟件對產品的組件或部件進行裝配過程規(guī)劃，確定組件或部件內零組件的裝配順序；按照工廠現有裝配條件和裝配單元工作內容，進行裝配路徑的仿真和優(yōu)化；最后在數字化裝配仿真系統中進行零組件或自動化設備的裝配過程及人機功效的仿真模擬，分析裝配工藝過程的可操作性和合理性，發(fā)現并解決數字化產品模型裝配過程中所遇到的產品、工裝以及工藝設計中的各類問題，同時也可以進行工具等的選型工作[2]。

第三階段：接收設計部門發(fā)布的最終三維MBD設計數據，創(chuàng)建頂層MBOM以及PBOM等工藝數據，在數字化工藝設計系統中進行裝配工藝的詳細規(guī)劃和細節(jié)設計以及資源庫的創(chuàng)建，在三維可視化的環(huán)境下進行零組件以及標準件的劃分，在全三維的環(huán)境下對裝配指令進行工步級的細節(jié)編輯，最終生成現場使用的三維可視化工藝指令。

圖1 裝配工藝過程仿真

圖2 自動化裝配設備工作仿真

圖3 人機功效模擬

3 三維數字化裝配工藝設計系統的架構和工作模式

3.1 三維數字化裝配工藝設計系統的架構

本文所述的裝配工藝設計系統是基于達索公司的DELMIA軟件平臺進行開發(fā)的三維數字化裝配工藝設計系統，DELMIA軟件平臺分DPE和DPM兩個工作環(huán)境，DPE側重數據管理和工藝規(guī)劃，DPM則提供一個三維可視化的環(huán)境便于產品數據的劃分和裝配仿真等工作。由于DELMIA只是提供了一個平臺且目前MBD設計標準不統一，故需要在原有基礎上進行客戶化定制和開發(fā)，本系開發(fā)了多種輔助工藝設計工具以便工藝設計人員只需極少的文字輸入即可完成工藝設計，所有關鍵數據均直接繼承自產品MBD數模，保證了工藝信息的完整和準確；此系統中最為復雜難度最大是MBD數模中標準件的處理和劃分，由于大型飛機標準件數量都在數十萬甚至上百萬件以上，采用實體建模將會產生天量的數據，因此目前飛機標準件設計大都采用點線等元素進行簡化表達，無法使用DELMIA中標準功能進行標準件的工藝規(guī)劃，因此系統開發(fā)了一套專門處理標準件模型的工具，本系統也是國內目前唯一實現了對以點線表達的標準件識別和劃分的系統，如圖9所示。

本系統依托VPM協同設計平臺提供MBD產品數據，在DELMIA中完成PBOM的創(chuàng)建、頂層MBOM的劃分、三維裝配指令的設計并向協同平臺提供底層MBOM以及三維裝配指令等數據，由系統平臺進行管理和發(fā)放。三維數字化裝配工藝設計系統的流程及架構如圖4所示，整個三維數字化裝配工藝設計系統始終保持設計數據的一致性，保證數據的準確性及完整性，同時本系統可給生產管控系統（MES）以及ERP系統設置數據接口[3]。

圖4 基于MBD的三維數字化裝配工藝設計的流程及架構

3.2 三維數字化裝配工藝設計系統的工作流程

三維數字化裝配工藝設計系統主要由需要工藝管理部門和各車間工藝設計部門使用和管理，工藝管理部門和各車間工藝設計部門必須緊密協同才能順利開展三維數字化裝配工藝設計，同時工藝管理部門需要給予車間一級足夠的權限，畢竟車間一級工藝人員對產品設計特點有更深入的了解。

工藝管理部門主要負責三維裝配設計系統數據的頂層設計，其利用DELMIA中的DPE環(huán)境下的數據接口進行EBOM導入，通過對EBOM的重組增加工藝組件和路線定義等形成PBOM；在PBOM的基礎上構建頂層MBOM；根據各廠際分工要求進行大部件級的頂層工藝組件的劃分，如圖5所示。

圖5 創(chuàng)建頂層MBOM以及PBOM（DPE環(huán)境）

各車間工藝技術主管接收工藝管理部門下發(fā)的數據，進行各車間內部工藝面的進一步劃分并將之分派給具體每個工藝員；工藝員接收工藝主管分發(fā)的具體某個裝配單元的數據，進行本裝配單元裝配工藝的層次劃分以及具體工步的分解，在DPM三維可視化的環(huán)境中中進行零組件及標準件的劃分，然后在DPE環(huán)境下進一步進行裝配可視化修飾等細節(jié)編輯，但對于裝配工藝所需飛機裝配技術條件、材料、工藝規(guī)范文件等全部采用專門開發(fā)的工藝設計工具進行創(chuàng)建以保證編制數據的準確和完整。最后直接在DPE中輸出結構化和標準化的三維裝配指令并提交審批，經過審批的裝配指令發(fā)送到協同平臺進行統一進行發(fā)放及管理，以上過程見下圖6～圖14所示。

圖6 裝配工藝的詳細規(guī)劃和細節(jié)設計（DPE環(huán)境）

圖7 資源庫的創(chuàng)建（DPE環(huán)境）

圖8 三維可視化環(huán)境下的零組件劃分（DPM環(huán)境）

圖9 三維可視化環(huán)境下對點線表達的標準件劃分（DPM環(huán)境）

圖10 三維可視化環(huán)境下的裝配工序細節(jié)編輯（DPE環(huán)境）

圖11 輸出的標簽式三維可視化裝配指令

圖12 BOM及裝配指令審批

三維裝配指令審批發(fā)送到系統平臺后由工藝管理部門統一管理，不屬于裝配工藝設計的范疇，本文不再贅述。

4 基于MBD的三維數字化裝配工藝設計的優(yōu)勢及要求

4.1 基于MBD的三維數字化裝配工藝設計的優(yōu)勢

1）采用基于MBD的三維數字化裝配工藝設計，徹底解決了制約裝配工藝設計過程中涉及的數據準確性、完整性的問題，整個裝配工藝的設計完全基于設計的MBD數模，保證了與設計數據的一致性；

2）工藝人員在三維可視化的環(huán)境下進行裝配工藝的規(guī)劃、仿真和設計，使得裝配工藝設計更加直觀更有操作性，通過裝配路徑仿真、人機功效仿真以及自動化設備工作仿真等可提前發(fā)現存在的設計、工裝及工藝規(guī)劃包含的問題并提前予以解決，大幅減少現場實際生產時的各類問題，提高生產效率并大幅降低生產成本；三維可視化裝配指令設計系統使工藝人員完全從枯燥的文字編輯以及事后數據校對中解放出來，工藝人員只需關注裝配工藝的可行性和合理性，無需花大量精力進行數據準確性和完整性的檢查；

3）在三維數字化裝配工藝設計系統中輸出的三維裝配指令徹底顛覆了傳統文字化的裝配指令，工人只需在系統輸出的三維可視化裝配指令中進行簡單操作即可，無需查找大量的圖紙、設計技術文件以及其他工藝性文件，做到了可見即所得、所得即所需的效果，同時工人還可在裝配指令的三維視圖中對輕量化的設計數模進行各類尺寸的直觀測量，便于工人現場操作的進一步了解；

4）三維數字化裝配工藝設計系統可輸出裝配部門準確完整的底層MBOM，有利于ERP以及MES系統的實施和管理；

5）三維數字化裝配工藝設計系統可以與裝配知識庫系統緊密集成，使得公司積累的知識在裝配工藝設計時順利地的共享和調用；

6）工藝管理部門可利用DELMIA軟件平臺中DPE模塊對整個裝配數據進行有效的管理，保證下游數據的完整性和準確性，利于工藝設計部門編制完整準確的裝配指令。

4.2 基于MBD的三維數字化裝配工藝設計的要求

1）基于MBD的三維數字化裝配工藝設計要求有準確、完整及規(guī)范的且嚴格執(zhí)行的MBD數模，產品設計數據是所有下游數據的源頭，設計數據是否準確、完整及規(guī)范是決定三維裝配工藝設計系統是否順暢和準確最關鍵的要素。因此產品設計部門必須要有科學合理的與制造部門協商過的MBD設計標準和規(guī)范且必須嚴格執(zhí)行，否則必定會導致整個下游其他系統的數據的混亂和實施困難[4]。

2）工程制造部門也須有嚴格的與設計部門MBD設計標準和規(guī)范相協調的各類工藝規(guī)范且必須嚴格執(zhí)行，用以支撐三維數字化裝配工藝設計。本文所述的裝配工藝設計系統在開發(fā)過程中發(fā)現產品設計標準很大程度上體現的是傳統二維設計模式的思想，不能很好的適應當前基于MBD的三維數字化設計要求，而且設計人員沒有嚴格執(zhí)行現有標準化要求，特別是以點線表達的標準件模型存在大量的格式錯誤等不規(guī)范設計，導致系統開發(fā)比較緩慢，僅為了解決標準件數模處理和劃分就占了近三分之一的時間。因此產品設計應開發(fā)專用的標準化設計工具和數據庫用以支撐基于MBD的產品設計，同時需要借助專業(yè)化的軟件工具對MBD產品數據進行標準化等項目的批量檢查，最大限度地減少因人為因素導致的產品數據錯誤。

3）工藝設計人員必須具備相當的工程經驗，熟練理解并掌握三維數字化裝配工藝設計系統所涉及的理念和軟件使用要求，三維數字化裝配工藝設計系統對工程技術人員來說只是工具，它本身無法識別工藝設計和規(guī)劃的合理性和可行性，這些都必須由工藝設計人員依靠經驗和知識確定。

5 結束語

基于MBD的三維數字化裝配工藝設計系統的實施，實現了了產品數據向裝配數據的順利傳遞，實現了裝配工藝的三維可視化設計和規(guī)劃，保證了裝配數據的完整性、準確性和可操作性，是裝配工藝設計的革命性突破，工藝設計人員能夠采用三維可視化技術讀取這些信息，一線操作人員能夠準確、迅速地查閱裝配過程中需要的信息，提高裝配的準確性和裝配效率，縮短裝配時間。然而進行三維數字化裝配工藝設計，必須建立科學有效的產品數字化設計、數據輸出、數據傳遞和管理的流程和標準規(guī)范體系，才能將產品幾何信息和非幾何屬性信息（如裝配順序說明或動畫、裝配產品結構以及其他技術要求等信息）準確完整的傳遞到操作者手中，達到對裝配過程和結果準確管控的目的；不管是基于MBD的產品設計還是工藝設計，都是信息化的范疇，其核心并不是采用了什么軟件和技術，關鍵還是企業(yè)業(yè)務流程的改進和工藝、標準化等專業(yè)技術的不斷進步。

[1]范玉清.現代飛機制造技術[M].北京：北京航空航天大學出版社,2001.

[2]馮潼能.MBD 技術在協同設計制造中的應用[J].航空制造技術,2010,(18)：126-127.