| 基于模型定義的飛機(jī)數(shù)字化工藝規(guī)劃、驗(yàn)證及執(zhí)行技術(shù) | |
| 作者：羅煒 童秉樞 來源：航空制造技術(shù) | |
二維工藝規(guī)劃方法與上游的全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)和下游的先進(jìn)制造工藝及裝備已不相適應(yīng)，逐漸成為數(shù)字化制造瓶頸，針對(duì)飛機(jī)全數(shù)字化MBD模型定義，需要一種直接基于幾何和特征的工藝規(guī)劃方法和自動(dòng)編程工具，能進(jìn)行工藝驗(yàn)證，提高數(shù)字設(shè)備程序編制的質(zhì)量和效率。本文探討了基于MBD的飛機(jī)數(shù)字化工藝規(guī)劃、驗(yàn)證和執(zhí)行技術(shù)。首先提出一種基于MBD的數(shù)字化制造與生產(chǎn)技術(shù)框架，然后建立了支持設(shè)計(jì)，工藝和質(zhì)量的MBD模型體系及相應(yīng)的數(shù)字化制造與生產(chǎn)系統(tǒng)，最后分析了基于MBD的數(shù)字化工藝規(guī)劃在方案設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)研制階段的一般流程。希望能為解決基于MBD的數(shù)字化制造與生產(chǎn)技術(shù)問題提供一些思路。 基于MBD的飛機(jī)數(shù)字化制造與生產(chǎn)技術(shù)框架 本文提出了一種飛機(jī)數(shù)字化制造框架，主要包含數(shù)據(jù)、工具和流程3個(gè)層次，如圖1所示。  流程層包含基于MBD的工藝規(guī)劃、規(guī)劃和執(zhí)行的方法和流程，是數(shù)字化制造的核心。工藝規(guī)劃包含工藝方案、協(xié)調(diào)方案、裝配工藝規(guī)劃、零件工藝規(guī)劃、測量工藝規(guī)劃和工藝指令編制等流程。工藝驗(yàn)證包含裝配仿真、人機(jī)仿真、自動(dòng)鉆鉚仿真、零件加工仿真和測量仿真等流程。工藝執(zhí)行包含基于MBD的工藝指令執(zhí)行、不合格品管理和數(shù)據(jù)采集等流程。數(shù)字化制造技術(shù)框架每個(gè)層次都需要標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范支撐，采用標(biāo)準(zhǔn)的MBD數(shù)據(jù)、工具和方法流程能夠保證產(chǎn)品數(shù)字化定義能夠高效，準(zhǔn)確傳遞到下游，被工藝、質(zhì)量和供應(yīng)商等部門所使用。 支持設(shè)計(jì)、工藝和質(zhì)量的MBD模型體系 支持設(shè)計(jì)、工藝和質(zhì)量的MBD模型是數(shù)字化制造的基石。圖2是本文建立的一種MBD模型體系，用模型維、生命周期維和通用性層次維3個(gè)維度進(jìn)行表達(dá)。MBD模型是逐步生成、逐步發(fā)展和逐步細(xì)化的。逐步生成是指模型類型，逐步發(fā)展是指模型沿產(chǎn)品生命周期進(jìn)行演化，逐步細(xì)化是指模型由一般到特殊的發(fā)展過程。 模型維包含產(chǎn)品模型、工藝模型、資源模型和信息模型。產(chǎn)品模型描述產(chǎn)品組成以及產(chǎn)品與工藝、產(chǎn)品與資源之間的關(guān)系等內(nèi)容。如產(chǎn)品包括結(jié)構(gòu)件（機(jī)頭、機(jī)翼、機(jī)身），系統(tǒng)件（管路、電纜），零件（翼梁、肋、緊固件）等。工藝模型描述產(chǎn)品工藝路線、工位、裝配大綱和工序等形成的工藝結(jié)構(gòu)和裝配及制造流程圖，維護(hù)與產(chǎn)品模型和資源模型之間的關(guān)系。資源模型是指與產(chǎn)品定義相關(guān)工裝，設(shè)備及工具等內(nèi)容。包括型架、機(jī)床、機(jī)器人、跟蹤儀、刀具和終端執(zhí)行器等。信息模型描述產(chǎn)品、工藝和資源模型的信息結(jié)構(gòu)及關(guān)系是設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)、工藝管理系統(tǒng)和生產(chǎn)現(xiàn)場管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型。  通用性層次維包含通用層、構(gòu)型層和實(shí)例層3個(gè)層次，反映了MBD模型逐步細(xì)化的過程。模型維中的產(chǎn)品、工藝和資源模型反映通用性層次維中，是指支持MBD應(yīng)用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，包括產(chǎn)品/工裝標(biāo)準(zhǔn)件庫、工具/刀具/設(shè)備數(shù)據(jù)庫和工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫等；構(gòu)型層是指典型的典型產(chǎn)品構(gòu)型庫，工裝構(gòu)型庫和工藝規(guī)程庫。實(shí)例層是指MBD模型實(shí)例，概念設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段是指帶構(gòu)型信息的各種數(shù)字樣機(jī)（Configured DMUs），生產(chǎn)研制階段是指單架次飛機(jī)的質(zhì)量MBD模型。 支持MBD模型體系的數(shù)字化制造與生產(chǎn)系統(tǒng) 針對(duì)MBD模型體系，本文給出了支持該體系的數(shù)字化制造與生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。  1 基于MBD的數(shù)字化工藝方案設(shè)計(jì)（概念設(shè)計(jì)階段） 工藝方案設(shè)計(jì)（見圖4）：基于MBD的工藝設(shè)計(jì)輸入是體現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)MBD模型（成熟度為A），包括零件模型和裝配需求模型（Assembly Requirement Model，ARM）。模型中包括性能關(guān)鍵特性PKC（Performance Key Characteristic）（如影響飛行性能的壁板間的階差或間隙）。   2 基于MBD的數(shù)字化工藝規(guī)劃及驗(yàn)證（詳細(xì)設(shè)計(jì)階段） （1） 詳細(xì)工藝規(guī)劃。 圖6所示的裝配詳細(xì)工藝規(guī)劃的輸入為成熟度為B的設(shè)計(jì)MBD模型，包括具有細(xì)節(jié)特征的零件模型和ARM。工藝設(shè)計(jì)人員根據(jù)輸入模型，細(xì)化工位級(jí)別的裝配大綱，建立裝配工序及相應(yīng)的流程。  圖7所示的零件工藝規(guī)劃的輸入是零件MBD模型。首先進(jìn)行設(shè)計(jì)特征識(shí)別，將設(shè)計(jì)特征轉(zhuǎn)換成加工特征，將工藝路線與加工特征關(guān)聯(lián)起來，產(chǎn)生工序MBD模型。根據(jù)工序MBD模型進(jìn)行夾具設(shè)計(jì)，并配合數(shù)控機(jī)床的數(shù)字模型進(jìn)行加工仿真。這個(gè)階段的主要輸出就是零件工序或工藝MBD模型和數(shù)控程序。檢驗(yàn)工藝規(guī)劃的輸入是工藝MBD模型。基于MBD檢測方法首先需要在模型里定義與裝配和零件制造相關(guān)的檢測特征、尺寸公差和基準(zhǔn)。直接利用檢測特征和尺寸定義，進(jìn)行自動(dòng)路徑規(guī)劃，采用預(yù)先定義的測量規(guī)則，快速生成檢測方案，并結(jié)合激光跟蹤儀或CMM測量機(jī)的數(shù)字模型，進(jìn)行仿真驗(yàn)證。檢測工藝規(guī)劃輸出是檢測工藝MBD模型（可直接驅(qū)動(dòng)設(shè)備）或DMIS程序。 詳細(xì)工藝規(guī)劃完成后，需要在三維環(huán)境進(jìn)行工藝驗(yàn)證以發(fā)現(xiàn)裝配、加工和測量中可能遇到的任何問題，包括裝配仿真驗(yàn)證結(jié)構(gòu)件和系統(tǒng)件可裝配性；手工裝配仿真驗(yàn)證裝配工人可視性、工具可達(dá)性及可操作性；自動(dòng)裝配仿真驗(yàn)證終端執(zhí)行器、柔性工裝和裝配件之間的干涉；零件加工仿真驗(yàn)證刀具、夾具和工件之間是否存在干涉；檢測仿真驗(yàn)證測量工具與工件的干涉并進(jìn)行路徑優(yōu)化。工藝驗(yàn)證完后，對(duì)相應(yīng)的工藝、工裝、甚至產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行可能的更改。 （3）基于MBD工藝指令創(chuàng)建。 如圖8所示，設(shè)計(jì)MBD模型里的技術(shù)需求信息，如公差、裝配條件和緊固件等，傳遞到工藝路線的工序中，形成MBD工藝指令。工藝規(guī)劃人員根據(jù)需求，對(duì)每個(gè)工序所對(duì)應(yīng)的輕量化的三維模型進(jìn)行標(biāo)注，以方便工人理解。工藝指令都是以三維數(shù)模中的MBD信息為數(shù)據(jù)源，當(dāng)發(fā)生工程更改和構(gòu)型更改，可以保證工藝指令和各種文檔數(shù)據(jù)的一致性。 對(duì)詳細(xì)的工藝設(shè)計(jì)（包括工藝MBD數(shù)據(jù)集）進(jìn)行評(píng)審。如果沒有通過評(píng)審，則請(qǐng)求工藝更改，工裝更改或設(shè)計(jì)更改；如果通過評(píng)審，則輸出帶構(gòu)型信息、成熟度為C的工藝MBD數(shù)據(jù)集（包括工藝MBD模型，輕量化的MBD模型指令、NC和機(jī)器人程序）。 3 基于MBD的數(shù)字化工藝執(zhí)行及反饋（生產(chǎn)研制階段） （1）MBD工藝指令執(zhí)行。 如圖9所示，生產(chǎn)執(zhí)行階段的輸入是工藝MBD數(shù)據(jù)集?，F(xiàn)場工人通過工藝指令執(zhí)行終端，瀏覽三維的工藝指令信息，指導(dǎo)現(xiàn)場裝配操作，并進(jìn)行質(zhì)量數(shù)據(jù)采集。當(dāng)現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)不合格品，在3D模型中直接加入不合格零件的相關(guān)信息，啟動(dòng)不合格品管理流程。系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地顯示執(zhí)行過程中的質(zhì)量MBD模型，如裝配干涉位置、缺件以及因?yàn)檠悠诨蛸|(zhì)量問題產(chǎn)生的不合格品等。 工藝MBD模型、NC/機(jī)器人/測量程序驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備終端和測量程序驅(qū)動(dòng)檢測設(shè)備終端?，F(xiàn)場檢驗(yàn)工作按照工藝MBD模型中定義的AKC和MKC進(jìn)行測量，并將測量形成的質(zhì)量MBD模型與工藝MBD模型進(jìn)行判比，以確定制造符合性。在很多自動(dòng)裝配的應(yīng)用中，需要工藝MBD模型和質(zhì)量MBD模型，生產(chǎn)設(shè)備終端和檢測設(shè)備終端形成的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)對(duì)比及模型擬合，算出偏差繼續(xù)驅(qū)動(dòng)如柔性工裝等設(shè)備。 （3）基于MBD的數(shù)據(jù)采集。 工人執(zhí)行工藝指令，從現(xiàn)場采集質(zhì)量數(shù)據(jù)，通過生產(chǎn)現(xiàn)場管理系統(tǒng)可以將收集相關(guān)的零件、工裝和工藝數(shù)據(jù)到反映到3D模型里。跟蹤儀和測量機(jī)可直接執(zhí)行工藝MBD模型，將測量結(jié)果反饋到3D模型里，形成單架次的質(zhì)量MBD模型。產(chǎn)生三坐標(biāo)檢測報(bào)告、激光跟蹤儀檢測報(bào)告。從質(zhì)量MBD模型規(guī)范樹里可以提取測量的AKC/MKC到AS9002表格里。 （4）質(zhì)量MBD模型反饋。 質(zhì)量部門對(duì)質(zhì)量MBD數(shù)據(jù)集進(jìn)行評(píng)審，并啟動(dòng)工藝更改或設(shè)計(jì)更改流程?；贛BD表達(dá)的質(zhì)量信息需反饋到工程部門，以獲得工程的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)修訂或讓步接收。質(zhì)量MBD信息反饋到工藝管理系統(tǒng)中，工程人員可方便地瀏覽質(zhì)量MBD模型。 結(jié)束語 本文提出一種基于MBD的數(shù)字化制造技術(shù)框架，并建立了MBD模型體系和數(shù)字化制造與生產(chǎn)系統(tǒng)架構(gòu)，探討了基于MBD的工藝規(guī)劃，驗(yàn)證和執(zhí)行的一般流程。C919項(xiàng)目明確提出要用MBD技術(shù)，但是如何在較短時(shí)間里建立和形成設(shè)計(jì)、工藝、質(zhì)量和供應(yīng)商的MBD模型標(biāo)準(zhǔn)，工具標(biāo)準(zhǔn)和流程標(biāo)準(zhǔn)，提高數(shù)字化研制能力，對(duì)主制造商和供應(yīng)商來說是非常急迫的挑戰(zhàn)。如何充分有效地利用內(nèi)外部資源，參考C919項(xiàng)目里程碑推進(jìn)MBD 技術(shù)是后續(xù)值得深入思考的問題。(end) | |
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