基于MBD的框類組件數字化制造方法應用

劉志存 孟 飆 梅中義

(1 華北理工大學機械工程學院，唐山 063009) (2 沈陽航空航天大學航空制造工藝數字化國防重點學科實驗室，沈陽 110136) (3 北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191)

·工程實踐·

基于MBD的框類組件數字化制造方法應用

劉志存1孟 飆2梅中義3

(1 華北理工大學機械工程學院，唐山 063009) (2 沈陽航空航天大學航空制造工藝數字化國防重點學科實驗室，沈陽 110136) (3 北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191)

文 摘 大型框類組件的制造采用數字化制造方法具有很大優越性，本文論述了將MBD技術應用于框類組件的數字化制造中的方法，給出了框類組件的數字化協調路線以及MBD環境下的數字標工建立方法及應用方法，對提高大型框類組件的制造技術水平并顯著縮短制造周期具有重要現實意義。

數字標工，MBD技術，數字化

1 框類組件數字化制造模式

如今國內外制造業中已經廣泛使用數字化制造方法，包括零件加工和組件及部件的裝配，與傳統制造模式相比取得了驚人的效果，無論是效率提高還是研制周期的縮短以及制造精度的大幅提高都是傳統制造方式無法比擬的。框類組件也已經開展數字化生產加工和裝配方式，即取消傳統工作鉆模和標準鉆模。因為大尺寸產品取消鉆模以后，由于相配合一對框組件只能分別獨立制造，如今已采用數字化制造方式獨立進行數控加工端部鈑金框的協調孔和螺栓孔，相配合的一對框組件整圈幾十個螺栓孔及銷孔可以保證裝配過程中的配合準確度。

但在產品標注過程中仍然需要在二維圖中進行，指導生產。而波音公司已經使用的MBD技術應用到框類組件中使得標注在三維中進行，使得設計制造簡單化和直觀方便。

2 基于MBD的數字化制造技術

MBD(Model Based Definition，即基于模型定義)技術是在三維設計中，產品所有制造有關的信息都被標注到三維模型空間中，不再使用二維工程圖，這樣后續所有制造環節的信息取得都使用這單一的數據源[1]。在產品研發過程中，并行設計初期，并行IPT團隊人員在三維設計模型中進行各種尺寸標注及容差標注，產品設計同時依據產品設計形成的工程數據集進行工藝設計，包括產品組件和部件裝配仿真、零件數字化加工模擬仿真、裝配和制造大綱等各種工藝文件編制、數控加工程序編制、零件工裝和裝配工裝設計、檢驗數據集設計、維護模型設計等，然后將設計的各種工藝文檔寫入MBD產品數據三維模型的節點中。這樣，即可使得車間生產人員以所見即所得的方式從車間終端上直觀得到各種產品三維模型及所有制造所需的工藝信息作為產品制造依據[2-3]。為適應生產需要，在實際生產中企業文化、管理體制、生產方式、檢驗制度等必須進行重大變化。

MBD技術在飛機設計制造中發揮了重要作用，在數字化協調方式中定義MBD數字標工，在統一基準下把產品協調部位尺寸與形狀信息通過數字量方式直接傳遞到生產工裝上，保證零件工裝與裝配工裝之間、工裝與產品之間形狀和尺寸的協調互換。在數字標工的定義時將標準工裝所需的全部協調數據以三維標注的方式標注于MBD數字標工中，使得MBD數字標工具有極大的優越性和方便性[4]。

在工藝容差控制方面，對產品進行科學、合理、可行的容差分配，并分配到零件工裝和裝配工裝上面，然后對于零件工裝和裝配工裝的設計要求，其容差設計結果要標注于相應MBD數字標工中。

3 框類組件數字化協調方案的設計

框類組件的一個部段是由一對裝配工裝進行裝配的，首先將部段兩端的端部框定位到裝配工裝定位器上，以銷孔定位，然后以長桁連接兩個端部框，鉚接形成一個部段。端部框的定位銷孔和連接螺栓孔是數控加工的，尤其是定位銷孔的位置度要求極高，銷孔孔位則作為螺栓孔的設計基準。一個部段的一個端部框的銷孔與相連接的另一個部段的相鄰端部框的銷孔必須具有高度協調準確度。而框類組件無論是鋁合金還是復合材料其協調制造方法是相同的。

為了保證以上兩個端部框之間的高度協調關系，在當今的數字化制造模式中采用基于MBD的數字標工協調法進行零件制造和裝配工裝的設計制造。

在框類組件的設計制造活動中，復合材料件在零件制造和裝配定位時采用的以MBD數字標工為基礎的數字化協調方式從本質上說與鈑金件是相同的。

根據裝配協調要求，定義零件、組件、段件、部件的關鍵協調特征，作為關鍵特性，在制造過程中的每個環節進行監控跟蹤，制定監控跟蹤計劃。在并行設計初期即開始進行數字化協調方案的設計工作，定義MBD數字標工。

根據產品最終交付要求和裝配工藝方案確定各個裝配環節的交付要求。如部段最終裝配后交付要求滿足各個測量點的坐標要求，為此在裝配協調方案的制定時需要給出部段對接時對接部位的協調精度要求，以滿足最終各部段對接時的總同軸度要求。

框類組件每個部段的裝配工裝都有左右(或上下)兩個端蓋(或底座與上蓋)，兩個端蓋之間要保證協調準確度，目的是保證在此工裝內部裝配完成的各個相鄰部段之間對接時的協調準確度。協調方法是MBD數字標工協調，裝配工裝每個端蓋上安裝三個定位器，每個定位器上鉆出的一個銷孔是定位端部框用的，是協調的核心點，用數控加工方法進行制造，在裝配工裝進行組裝時采用數字化測量設備(如激光跟蹤儀等)進行數字化定位裝配，裝配工裝在制造完成后及使用過程中定期進行工裝功能性檢查，檢查依據為MBD數字標工。

復合材料成型模和金屬鈑金件端部框的成型模都是采用MBD數字標工協調設計和制造，然后數控加工方法進行鉆制銷孔和一圈螺栓孔。

4 MBD環境下的框類組件數字化制造

4.1 協調路線設計

框類組件的傳統協調路線是以產品設計數據協調制造標準鉆模，然后以標準鉆模協調制造工作鉆模，進而鉆制產品端部框的定位銷孔和螺栓孔，并以標準鉆模協調制造裝配工裝的端蓋。而數字化設計制造技術完全改變了這種傳統的工作方法，它借助于計算機三維設計技術，在MBD環境下，采用三維數字化定義，把產品結構和零件工裝及裝配工裝全部用三維實體描述出來，并且把各種技術要求、設計說明、材料要求、尺寸要求、形位公差等幾何和非幾何信息以及各種結構之間的相對位置關系表示清楚。在此基礎上進行產品的虛擬裝配，檢查零件、組件、部件之間是否發生干涉以及他們之間間隙的合理性，排除某些設計的不合理性，最終形成數字樣機。數字樣機作為產品的制造依據，基本上實現了精確設計，使工程更改可減少80%以上，節省了大量實體工裝和生產準備時間。部段零件通過數字化模型來表達，各階段可共享模型單一數據源數據，因此在產品并行設計同時，可進行CAE分析計算、零件工裝和裝配工裝設計、工藝規程設計、可制造性分析[5]。

建立全三維數字樣機，不再依賴物理樣機，降低時間和研制成本，同時以模擬裝配盡快發現產品之間以及產品與工裝之間的干涉和不協調現象。

框類組件在MBD環境下由IPT團隊以產品工程數據集進行MBD數字標工的設計，然后據此進行零件工裝和裝配工裝的設計，并進行產品之間、產品與工裝之間、工裝與工裝之間的協調分析、容差分配，定義關鍵特性，制定關鍵特性樹，制定關鍵特性測量計劃和控制計劃，制定以關鍵特性為中心產品質量工程，保證最終的產品質量要求[6]。對框類組件實施MBD環境下的數字化裝配協調路線設計如圖1所示。

4.2 框類組件并行產品數字化定義

在并行設計階段初期由IPT團隊對框類組件進行設計，建立產品三維MBD模型，進行三維尺寸及容差等的三維標注，建立三維產品MBD數據集。根據框類組件產品結構特點和制造特點，建立三維零組件庫，便于各型號的產品設計。IPT團隊需要對產品設計階段的模型隨時進行工藝性分析和可測量性分析，隨時更改，及早發現錯誤，盡力減少后續階段的返工。

產品設計階段所設計的產品三維模型還包括所有制造和檢驗所必需的產品數據，以便于后續工作中有足夠的設計制造依據，這就是并行工程的優越性。產品的非幾何信息包括各種有關的關聯設計數據、全機坐標系、局部坐標系、全機基準系統、產品及工裝的公差及尺寸標注、工程說明、材料需求說明、詳細的裝配說明、安裝要求、產品和工裝數據集所需遵循的數字化定義標準等信息，這些信息需定義在MBD數據集中的若干節點中。

框類組件的MBD數據集中需給出零組件的工藝信息，包括零件制造工藝信息、裝配工藝信息、各種工程說明等非幾何信息，建立工藝節點。

產品及工裝的MBD模型中還包括有產品及工裝的屬性信息，如模型創建的相關信息(作者姓名、設計日期等)，更改信息(更改說明、版次及依據等)。

對于機加件，為了滿足各種所需機床加工需要，在MBD數據集中需要標注詳細的三維尺寸和公差信息以取代二維工程圖所給出的信息。對于鈑金件的設計，需使用專用鈑金設計模塊，這樣可進行鈑金件的毛料展開。對于復合材料零組件的設計，要用專用的復合材料設計模塊，進行鋪層和材料定義，以便于后續需要進行的數控加工。

裝配件的MBD工程數據集和工裝數據集包括零件模型和裝配件模型，可從中自動取得EBOM和MBOM信息。后續的制造過程中，車間裝配工人可從MBD工程數據集和工裝數據集定義中方便地取得裝配材料信息、連接件的位置信息及定位特征信息以及關鍵特性信息。

4.3 框類組件數字標工定義

框類組件的裝配工裝的設計制造需要以數字標工為協調依據進行，MBD數字標工中的數字化協調數據是框類組件制造中的全數字化協調依據，需要由專門IPT設計人員進行設計和定義，需要由產品設計人員、工藝人員和工裝設計人員共同參與，在并行設計階段給出，用于協調產品和工裝，是制造和檢驗生產工裝的數字量協調標準，是保證工裝之間、產品組件和部件之間的尺寸和形狀互換協調的重要依據。

基于MBD的數字化協調數據定義于數字標工模型中，定義節點。數字化協調數據應該包括：坐標系、協調特征模型(如孔位特征及孔軸向定位特征等)、基準系統、銷孔直徑及其公差、形位公差標注、根據需要包括的框軸線、長桁軸線、定位銷孔孔位軸線及其位置容差、協調位置的要求標注、協調位置檢查要求標注、協調各個型架需要的協調特征標注說明、協調位置的相關要求、相協調的工裝定檢要求及操作方法、及工裝裝配和檢驗所需的工裝定位公差。

框類組件數字標工模型結構樹如圖2所示。

4.4 框類組件裝配工裝設計制造

框類組件相配合的兩個部段在總裝對接時是將兩個相鄰部段以銷孔定位相互關系，然后進行螺栓孔連接，所以一號部段的右框與二號部段的左框就具有配合關系，而在部段內部自身裝配時一號部段的右框與二號部段的左框分別定位在同一裝配工裝的右端蓋和左端蓋上，也就是說，裝配工裝的左右端蓋必須具有準確度極高的協調關系。部段內部裝配時端部框以銷孔為定位基準定位于左右端蓋，而總裝時兩個部段對接裝配時是以螺栓連接，所以必須保證兩個框間相配合的螺栓孔的配合準確度，這由端部框的數控加工來保證。

由于在MBD數字標工中已經定義了關鍵的協調特征，即定位銷孔的數據，在部段的裝配工裝中安裝銷定位器，每個定位銷孔位置安裝一個該種定位器，而每個定位器都是在其相應MBD數字標工的協調下進行數控加工的，在定位器安裝到裝配工裝上時以MBD數字標工中的協調數據為依據進行數字化測量定位，然后以三個螺孔緊固于裝配工裝端部。

在裝配工裝的日常維護中需要進行工裝定檢，而檢驗依據為以MBD數字標工(產品檢測標工)進行定義的工裝檢驗數據集，工裝檢驗數據集的定義由IPT團隊在工裝設計階段進行設計和定義。

在裝配工裝制造完成后立即需要進行工裝的功能性檢驗，在長期使用中的維護之中也需要進行工裝定位器的功能性檢驗。而工裝的功能性檢驗所需的測量依據則是工裝的檢驗數據集。

5 結論

框類組件的數字化設計制造方式中，MBD環境下的數字標工為依據的協調方法使得框類組件的設計制造更加直觀、便于制造和檢驗、提高研制效率、降低研制周期，為保證質量前提下的按時交付提供了最有利的條件，可以解決大尺寸產品數字化制造中的技術難題，使框類組件的制造產生革命性變化。

[1] 周秋忠，范玉青.MBD技術在飛機制造中的應用[J].航空維修與工程，2008(3):55-57.

[2] 阮超峰.MBD技術在航空制造業中的應用[J].機械設計與制造工程,2014(6):83-85.

[3] 王巍,等.MBD技術在某型飛機垂尾前緣制造中的應用[J].航空制造技術，2013(10):26-29.

[4] 王聲，蘇衛華，肖望東.數字化標準工裝在飛機工藝研制中的研究與應用[J].現代制造工程，2014(6):104-108.

[5] 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.

[6] 劉志存，鄒冀華，范玉青.框類組件制造關鍵特性分析研究[J]宇航材料工藝，2006,36(6):56-60.

Application of Digital Manufacturing Method in Subassembly of Frame Kind Based on MBD

LIU Zhicun1MENG Biao2MEI Zhongyi3

(1 College of Mechanical Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan 063009) (2 Key Laboratory of Fundamental Science for National Defense of Aeronautical Digital Manufacturing Process, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136) (3 School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijing 100191)

There is a large superiority in digitalize manufacturing of large subassembly of frame kind. In this paper the method of application of MBD technology to subassembly of frame kind digital manufacturing is discussed. Digital coordination line of subassembly of frame kind and designing method of digital master tooling and its applying method on MBD environment is provided. It has important practical meaning in improving our subassembly of frame kind manufacturing technology and shorting its manufacturing cycle.

Digital master tooling, MBD technology, Digitalization

2016-04-20

劉志存，1965年出生，博士，副教授，主要從事機械制造技術及航空航天制造技術的研究工作。E-mail：doctorlzc@163.com

TH14,TP29

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.01.018