基于MBD的 三維工藝技術(shù)

1、基于MBD的三維工藝技術(shù)【摘要】于MBD的三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)技術(shù)是現(xiàn)代航空數(shù)字化制造中的一門新興學(xué)科，基于MBD的二維工程圖向三維模型的尺寸映射算法也是未來飛機(jī)三維裝配工藝設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。通過基于MBD的三維數(shù)字化定義、三維數(shù)字化工藝,設(shè)計(jì)與仿真、三維數(shù)字化工藝裝備的設(shè)計(jì)與制造、基于輕量化模型的裝配過程可視化技術(shù)、三維數(shù)字化檢驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)以及基于MBD的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)集成技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效地縮短產(chǎn)品研制周期，改善生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，真正實(shí)現(xiàn)無二維圖紙、無紙質(zhì)工作指令的三維數(shù)字化集成制造。關(guān)鍵字：MBD，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理，三維數(shù)字化工藝。Abstract：MBD-base

2、d assembly process of three-dimensional digital design is not only a new discipline in aircraft digital manufacture, but also the future aircraft design trends. The application of MBD-based three-dimensional digital definition, design and simulation, three-dimensional digitization process equipment

3、of design and manufacturing, the technology of assembly process visualization based on the lightweight mode, and three-dimensional digitized detection technology as well as MBD-based product data management system integrated technology can effectively shorten the product development cycle, improving

4、 the working environment of the production site, to improve product quality and production efficiency, and realize three-dimensional digitized Integrated manufacturing without two-dimensional drawings and paper work orders.KEY WORDS：MBD，production data management, three-dimensional digital technolog

5、y. 1 引言1795年法國科學(xué)家蒙日系統(tǒng)地提出了以投影幾何為主線的畫法幾何，把工程圖的表達(dá)與繪制高度規(guī)范化、唯一化，工程圖便成為工程界常用的定義產(chǎn)品的語言。20世紀(jì)后期，計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，CAD技術(shù)與各種先進(jìn)設(shè)計(jì)以及制造技術(shù)迅速結(jié)合并飛速發(fā)展，盡管工程圖在引進(jìn)CAD技術(shù)后發(fā)生了巨大的變化，但仍難以克服自身的不足，很難滿足先進(jìn)制造技術(shù)的各種要求。美國波音公司是世界航空企業(yè)的霸主之一，其技術(shù)水平代表著制造領(lǐng)域內(nèi)的最高水平。經(jīng)過長期的技術(shù)累積、探索和實(shí)踐，波音公司在波音787飛機(jī)中全面推出了一種完全不同于工程圖的、全新的定義產(chǎn)品技術(shù)基于模型的定義（Model Based Definition，

6、MBD）1。隨著數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)在航空制造業(yè)的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的以數(shù)字量為主、模擬量為輔的協(xié)調(diào)工作法開始被全數(shù)字量傳遞的協(xié)調(diào)工作法代替，三維數(shù)模已經(jīng)取代二維圖紙，成為新機(jī)研制的唯一制造依據(jù)。在很多國內(nèi)的復(fù)雜工藝產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)，傳統(tǒng)的以數(shù)字量為主、模擬量為輔的協(xié)調(diào)工作法開始被全數(shù)字量傳遞的協(xié)調(diào)工作法代替，并取得了一些階段性成果。但是，與國外發(fā)達(dá)航空企業(yè)相比，仍然存在很大的差距，主要表現(xiàn)在三維數(shù)模并沒有貫穿于整個(gè)數(shù)字化制造過程中，基于MBD技術(shù)的產(chǎn)品定義工作尚處于探索階段，以MBD為核心的數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造模式尚不成熟，MBD的設(shè)計(jì)、制造和管理規(guī)范還有待完善，三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化集成應(yīng)用

7、體系尚未貫通。本論文分為四部分，第一部分對(duì)MBD的起源發(fā)展，涵義及其用進(jìn)行了相關(guān)研究，第二部分分析我國國內(nèi)基于MBD的三維工藝技術(shù)的現(xiàn)狀，并指出了相關(guān)的不足，探討未來的研究方向和在三維工藝技術(shù)中的推廣，第三部分，結(jié)論。2 MBD技術(shù)2.1 MBD的起源和發(fā)展1997年，ASME（美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)）在波音公司開始研究MBD技術(shù)，并在2003年成為“Y14.41（Digital Product Definition Data Practices）”美國國家標(biāo)準(zhǔn)，與此同時(shí)，各CAD軟件（CATIA、UG、PTC等）公司把Y14.41標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)到軟件中，波音公司制定了應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和開發(fā)了相應(yīng)的應(yīng)用軟件

8、，把CAD軟件CATIA嵌入產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理軟件LCA中，并與Delmia集成，并應(yīng)用于787新機(jī)的研制中，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)（含工藝設(shè)計(jì)）、工裝設(shè)計(jì)、零件加工、部件裝配、零部件檢測(cè)檢驗(yàn)的高度集成、協(xié)同和融合，建立了三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化集成應(yīng)用體系，開創(chuàng)了飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造的新模式，確保了波音787飛機(jī)的研制周期和質(zhì)量。2.2 MBD技術(shù)的內(nèi)涵MBD技術(shù)的目標(biāo)是規(guī)范產(chǎn)品數(shù)字化定義的信息，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)字化定義信息的完整性和標(biāo)準(zhǔn)性，其核心和基礎(chǔ)是產(chǎn)品的數(shù)字化定義技術(shù)，即用三維數(shù)字化定義工具（CAD系統(tǒng)平臺(tái)）定義出能夠?yàn)橄掠胃鲬?yīng)用環(huán)節(jié)所使用的準(zhǔn)確、完整、規(guī)范和有效的產(chǎn)品信息。因此，MBD技術(shù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化產(chǎn)

9、品定義的手段，也是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品研制體系轉(zhuǎn)變的技術(shù)基礎(chǔ)2。（1）MBD數(shù)據(jù)集是產(chǎn)品信息完整精確的“數(shù)字化”表達(dá)。MBD數(shù)據(jù)集是指產(chǎn)品定義的信息種類和組織方式，它不僅具有產(chǎn)品的三維幾何描述和三維尺寸標(biāo)注等功能，還能將所有相關(guān)的工藝描述信息、屬性信息、管理信息等非幾何信息在三維模型上進(jìn)行簡(jiǎn)單復(fù)制，它是1個(gè)包含產(chǎn)品全生命周期研制信息在內(nèi)的、完整的、可供飛機(jī)研制各環(huán)節(jié)數(shù)字化系統(tǒng)直接解析和使用的信息模型。其技術(shù)關(guān)鍵是如何按照一定的數(shù)據(jù)規(guī)范和格式將原來離散的信息進(jìn)行“數(shù)字化”處理，并集成在MBD數(shù)據(jù)集中。（2）MBD支持產(chǎn)品全生命周期的信息集成。PDM系統(tǒng)基本能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品核心信息（如產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、2D/3D模型、零部

10、件屬性、版本、有效性等）的管理。但類似技術(shù)條件等信息一直游離在信息系統(tǒng)（如PDM）的管理范圍之外，其主要原因是這些信息多是非結(jié)構(gòu)化的，并且在數(shù)量、類型上都不確定。MBD技術(shù)要求通過相應(yīng)的規(guī)范和格式將這些信息變?yōu)榭蓹z索、可解析的數(shù)字化信息。（3）MBD支持產(chǎn)品全生命周期研制過程的集成。MBD技術(shù)應(yīng)用的最終目標(biāo)是支持產(chǎn)品全生命周期研制過程的集成，MBD數(shù)據(jù)集提供了完整準(zhǔn)確的產(chǎn)品數(shù)字化定義信息，可為整個(gè)產(chǎn)品研制流程的各個(gè)數(shù)字化處理環(huán)節(jié)提供可以檢索和解析的，并進(jìn)行了有效分類的設(shè)計(jì)、制造等流程所需要的有用信息；能有力支持產(chǎn)品研制下游各環(huán)節(jié)如數(shù)字化管理（如ERP、MES等）、數(shù)字化處理（三維數(shù)字化工藝及工

11、藝仿真等）、數(shù)字化設(shè)備（數(shù)控鉆鉚機(jī)、數(shù)控測(cè)量機(jī)等）等業(yè)務(wù)過程的集成。2.3 MBD的優(yōu)越性和工程圖相比，MBD技術(shù)有著巨大的優(yōu)越性：（1）MBD數(shù)據(jù)集是所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)的單一數(shù)據(jù)源，直接解決了工程圖需保持一致性等比較繁瑣、成本高等問題；（2）三維模型可以很好地表達(dá)曲線曲面造型，尤其在使用CATIA時(shí)；（3）可以使研制、生產(chǎn)中的各職能人員更準(zhǔn)確、更直接地明白并理解設(shè)計(jì)意圖；（4）實(shí)現(xiàn)了對(duì)新型制造和加工技術(shù)（如NC）的支持；（5）MBD數(shù)據(jù)集集成了完整的數(shù)字化產(chǎn)品定義信息，大大提高了工程定義的質(zhì)量，使CAD和CAM（加工、裝配、測(cè)量、檢驗(yàn)等）等實(shí)現(xiàn)高度的集成，即使脫離了圖紙，仍可順利地進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造、

12、檢驗(yàn)等；（6）CAD系統(tǒng)具備的隱藏、顯示、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和縮放等功能，使得MBD定義的內(nèi)容能更加簡(jiǎn)潔、有效地存取、管理和展示；（7）基于MBD的制造技術(shù)采用數(shù)字化研制體系，準(zhǔn)確、高效地傳遞產(chǎn)品定義信息，后續(xù)生產(chǎn)環(huán)節(jié)無需技術(shù)人員閱讀、輸入相關(guān)信息，這就減少了產(chǎn)品研制全過程的人工干預(yù)頻頻出錯(cuò)的現(xiàn)象，也減少了紙質(zhì)實(shí)物系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)脫節(jié)而造成的重復(fù)性勞動(dòng)；（8）MBD技術(shù)體系帶來的便利也極大地支持了并行工程。在數(shù)字化協(xié)同研制環(huán)境中，各職能部門的人員可以在一個(gè)未完成的產(chǎn)品模型上協(xié)同工作，既提高了設(shè)計(jì)效率，也提高了產(chǎn)品的可制造性。3 國內(nèi)復(fù)雜制造工業(yè)的MBD應(yīng)用現(xiàn)狀及其分析3.1 應(yīng)用現(xiàn)狀 目前，在復(fù)雜產(chǎn)品

13、制造行業(yè)，如航空、汽車行業(yè)等，基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)三維化，設(shè)計(jì)端向工藝端發(fā)放的只有三維模型、公差、配合關(guān)系以及材料等信息。隨著三維標(biāo)注技術(shù)的逐步成熟，我國的大飛機(jī)項(xiàng)目已經(jīng)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段應(yīng)用了MBD技術(shù)，設(shè)計(jì)端向下游發(fā)放三維設(shè)計(jì)模型。但是目前我國復(fù)雜工藝的MBD應(yīng)用中還存在一下問題3。（1）標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。目前各航空型號(hào)設(shè)計(jì)單位根據(jù)自身需要分別建立了MBD應(yīng)用規(guī)范，并開始在型號(hào)研制中使用，造成制造單位面臨要貫徹多個(gè)MBD標(biāo)準(zhǔn)（根據(jù)型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)）的困境，難以形成統(tǒng)一的MBD技術(shù)體系和應(yīng)用環(huán)境。（2）MBD數(shù)據(jù)集的“數(shù)字化”程度不高。多數(shù)單位的MBD標(biāo)準(zhǔn)僅把原來二維圖紙上的信息“照搬”到三維MBD模型中，而沒有對(duì)

14、這些信息進(jìn)行必要的“數(shù)字化”處理（如對(duì)技術(shù)條件等離散信息的統(tǒng)一信息編碼處理），后續(xù)的制造、工藝人員仍然要靠人工理解的方式獲取信息，不能很好的支持制造、裝配等環(huán)節(jié)的數(shù)字化工作的開展。（3）支持MBD數(shù)字化建模的手段落后。目前，雖然三維設(shè)計(jì)工具（CATIA等）已經(jīng)在飛機(jī)設(shè)計(jì)中使用了多年，但仍以使用CATIA自身基本功能進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)為主要手段，這既影響了設(shè)計(jì)效率、也影響了MBD數(shù)據(jù)集的規(guī)范性、穩(wěn)定性和可靠性。MBD技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、規(guī)范性、完整性提出了非常高的要求，所以對(duì)MBD數(shù)據(jù)集的建立、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)使用等環(huán)節(jié)，僅靠手工操作難以完成，需要配套相應(yīng)的輔助軟件工具，以提高數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范性，以及后

15、續(xù)環(huán)節(jié)使用的效率。（4）產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的范圍有待擴(kuò)展。目前，采用PDM系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息。類似技術(shù)條件等制造信息等一直游離在信息系統(tǒng)（如PDM）的管理范圍之外，需要加強(qiáng)對(duì)這類后續(xù)制造、裝配和檢測(cè)等環(huán)節(jié)所需數(shù)據(jù)信息的集成與管理。3.2 基于MBD的三維數(shù)字化制造研究?jī)?nèi)容為了實(shí)現(xiàn)基于MBD的三維數(shù)字化制造流程的有效控制和管理，必須依據(jù)三維數(shù)字化制造流程，預(yù)先開展以下技術(shù)的攻關(guān)研究4。1基于MBD的數(shù)字化定義技術(shù)采用MBD技術(shù)后，數(shù)字化產(chǎn)品定義信息必須按MBD要求進(jìn)行分類組織管理，完整準(zhǔn)確地表達(dá)產(chǎn)品零部件本身的幾何屬性、工藝屬性、質(zhì)量檢測(cè)屬性以及管理屬性等信息，滿足制造過程各階段對(duì)數(shù)據(jù)的需求，

16、因此，應(yīng)該在吸收、消化ISO/DIS 16792、ASME Y14.41的基礎(chǔ)上，結(jié)合國標(biāo)技術(shù)產(chǎn)品文件數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則系列標(biāo)準(zhǔn)以及波音、空客三維模型和我國航空產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)的實(shí)際情況，開展基于MBD的設(shè)計(jì)建模技術(shù)、基于MBD的工藝建模技術(shù)、基于MBD的檢驗(yàn)建模技術(shù)、基于MBD的并行設(shè)計(jì)流程管理技術(shù)、基于MBD的設(shè)計(jì)質(zhì)量控制技術(shù)的研究。2基于MBD的數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)MBD技術(shù)以三維數(shù)模作為唯一的制造依據(jù)，工藝設(shè)計(jì)與仿真將在三維數(shù)字化環(huán)境下，依據(jù)基于MBD技術(shù)的數(shù)字化工藝協(xié)調(diào)制造體系要求，以產(chǎn)品EBOM和三維數(shù)字樣機(jī)為基礎(chǔ)，以工藝數(shù)字化并行定義為核心，制定工藝總方案，建立三維

17、工藝數(shù)字樣機(jī)，進(jìn)行數(shù)字化三維工藝設(shè)計(jì)、數(shù)字化工藝容差分配、仿真和優(yōu)化、數(shù)字化三維工藝仿真驗(yàn)證。在工藝審查階段，對(duì)零件、組件、部件組成的制造單元進(jìn)行可制造性、可裝配性分析，檢查結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性；在工藝規(guī)劃階段，通過裝配工藝仿真，確定零部件之間的裝配順序和運(yùn)動(dòng)路徑；在工裝設(shè)計(jì)階段，進(jìn)行制造資源仿真，設(shè)計(jì)出合格的工裝資源；在工藝編制階段，通過建立起產(chǎn)品、工藝、資源數(shù)字化工藝數(shù)據(jù)模型（PPR），通過關(guān)鍵部件基于MBD的工藝容差分配計(jì)算和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)基于模型的工藝分離面劃分、裝配工位設(shè)計(jì)、裝配流程設(shè)計(jì)、三維工藝指令設(shè)計(jì)等。3基于MBD的工藝裝備設(shè)計(jì)制造集成技術(shù)在工裝設(shè)計(jì)過程中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)模、工藝數(shù)模的版本

18、變化將直接引起工裝數(shù)模的版本變化。因此，必須應(yīng)用三維關(guān)聯(lián)技術(shù)和三維在線技術(shù)預(yù)先開展基于MBD工藝裝備設(shè)計(jì)與飛機(jī)產(chǎn)品、工藝設(shè)計(jì)及仿真的數(shù)字化協(xié)同技術(shù)、工藝裝備設(shè)計(jì)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)的關(guān)聯(lián)更改技術(shù)、工藝裝備三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化集成技術(shù)、基于三維數(shù)字化工藝裝備設(shè)計(jì)、制造等技術(shù)的研究工作。4基于MBD的數(shù)字化檢測(cè)與質(zhì)量控制技術(shù)在基于MBD的產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)和工藝數(shù)字樣機(jī)的基礎(chǔ)上，開展三維工藝檢驗(yàn)計(jì)劃的技術(shù)研究工作，探討三維數(shù)字圖形轉(zhuǎn)換為測(cè)量機(jī)等數(shù)字化設(shè)備能夠識(shí)別的數(shù)字信息的技術(shù)方法，并以基于MBD的三維設(shè)計(jì)數(shù)模、工藝數(shù)模和檢測(cè)方案為依據(jù)開發(fā)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算程序，建立基于MBD的三維檢驗(yàn)數(shù)模，并與產(chǎn)品數(shù)字

19、樣機(jī)和工藝數(shù)字樣機(jī)一起納入PDM系統(tǒng)進(jìn)行管理。與此同時(shí)，在制造產(chǎn)品數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（MBOM）的基礎(chǔ)上，建立基于質(zhì)量產(chǎn)品結(jié)構(gòu)（QBOM）的集成質(zhì)量管理系統(tǒng)。以PDM系統(tǒng)的檢測(cè)計(jì)劃、三維檢測(cè)模型為依據(jù)，通過集成質(zhì)量管理系統(tǒng)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)采集飛機(jī)檢驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)，并建立檢驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果與QBOM的關(guān)聯(lián)關(guān)系，納入集成質(zhì)量管理系統(tǒng)進(jìn)行有效的管理。5基于輕量化模型的裝配過程可視化技術(shù)在MBD制造模式下，裝配現(xiàn)場(chǎng)已擺脫傳統(tǒng)基于二維圖樣的模擬量傳遞體系，三維數(shù)模及三維工藝指令已經(jīng)完全替代了二維工程圖紙和紙質(zhì)工藝指令成為在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)工人工作的技術(shù)依據(jù)。為了確保裝配現(xiàn)場(chǎng)能夠及時(shí)獲取現(xiàn)行有效的三維數(shù)模、輕量化模型、三維裝配工藝指令，滿足飛機(jī)裝配過程管理與執(zhí)行控制的要求，需要解決三維數(shù)模輕量化的問題，并將基于MBD的設(shè)計(jì)模型、工藝模型、檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>