MBD技術應用

2024年3月1日發(作者：小雪花圖片)

目前很多新項目（如Boeing787、MRJ和C919等）都采用基于模型定義技術（Model Bad Definition，MBD）。對于飛機設計，以全三維的MBD模型為數據源，傳遞給下游的工藝、質量和供應商使用；對于飛機制造，由于交付時間壓力，大量新工藝的產生，迫使企業采用先進制造技術，引進自動化設備提高裝配質量，縮短裝配周期，改進生產率。而這些設備（如數控機床、機器人、柔性工裝和激光跟蹤儀）基本都是數字驅動的；對于工藝設計，二維工藝規劃方法不能直接利用全數字化MBD模型，需要手工維護大量3D到2D轉換等不增值環節，缺少工藝驗證手段，編程停留在手工階段。當工程更改頻繁時，難以準確、高效地將MBD模型的數字量傳遞到數字化設備。

二維工藝規劃方法與上游的全三維數字化設計和下游的先進制造工藝與裝備已不相適應，逐漸成為數字化制造瓶頸，針對飛機全數字化MBD模型定義，需要一種直接基于幾何和特征的工藝規劃方法和自動編程工具，能進行工藝驗證，提高數字設備程序編制的質量和效率。本文探討了基于MBD的飛機數字化工藝規劃、驗證和執行技術。首先提出一種基于MBD的數字化制造與生產技術框架，然后建立了支持設計，工藝和質量的MBD模型體系與相應的數字化制造與生產系統，最后分析了基于MBD的數字化工藝規劃在方案設計、詳細設計和生產研制階段的一般流程。希望能為解決基于MBD的數字化制造與生產技術問題提供一些思路。

基于MBD的飛機數字化制造與生產技術框架

本文提出了一種飛機數字化制造框架，主要包含數據、工具和流程3個層次，如圖1所示。

數據層作為飛機和資源數字化定義的單一數據源，是數字化制造的基礎。其底層是支撐MBD技術體系的基礎數據庫，如產品標準件庫、工裝標準件庫、緊固件庫、工藝參數庫等。中間層是產品、工藝和資源的行業構型庫，代表典型的部件結構、工藝流程和工裝結構。頂層是對應于產品研制各個階段的設計MBD模型、工藝MBD模型和質量MBD模型。工具層包括支持MBD技術體系的工具集和數字化設備，是數字化制造的支撐。其底層是PDM/ERP層，中間層是基于MBD的產品、工藝和生產現場管理系統，頂層是基于MBD的產品/工裝設計工具和工藝設計工具，以與指令執行終端、數字化生產設備終端（如自動鉆鉚機）和檢驗終端（如激光跟蹤儀）。

流程層包含基于MBD的工藝規劃、規劃和執行的方法和流程，是數字化制造的核心。工藝規劃包含工藝方案、協調方案、裝配工藝規劃、零件工藝規劃、測量工藝規劃和工藝指令編制等流程。工藝驗證包含裝配仿真、人機仿真、自動鉆鉚仿真、零件加工仿真和測量仿真等流程。工藝執行包含基于MBD的工藝指令執行、不合格品管理和數據采集等流程。數字化制造技術框架每個層次都需要標準規X支撐，采用標準的MBD數據、工具和方法流程能夠保證產品數字化定義能夠高效，準確傳遞到下游，被工藝、質量和供應商等部門所使用。

支持設計、工藝和質量的MBD模型體系

支持設計、工藝和質量的MBD模型是數字化制造的基石。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個維度進行表達。MBD模型是逐步生成、逐步發展和逐步細化的。逐步生成是指模型類型，逐步發展是指模型沿產品生命周期進行演化，逐步細化是指模型由一般到特殊的發展過程。

模型維包含產品模型、工藝模型、資源模型和信息模型。產品模型描述產品組成以與產品與工藝、產品與資源之間的關系等內容。如產品包括結構件（機頭、機翼、機身），系統件（管路、電纜），零件（翼梁、肋、緊固件）等。工藝模型描述產品工藝路線、工位、裝配大綱和工序等形成的工藝結構和裝配與制造流程圖，維護與產品模型和資源模型之間的關系。資源模型是指與產品定義相關工裝，設備與工具等內容。包括型架、機床、機器人、跟蹤儀、刀具和終端執行器等。信息模型描述產品、工藝和資源模型的信息結構與關系是設計管理系統、工藝管理系統和生產現場管理系統的數據模型。

生命周期維至少包含概念設計、詳細設計和生產研制3個階段。每個階段分別對應設計MBD模型、工藝MBD模型和質量MBD模型，反映了MBD模型的演變過程。設計MBD模型是指面向功能的設計

數字樣機（As-design DMU），包含零件模型以與裝配需求模型ARM（AsmblyRequirement Model）等。工藝MBD模型是指面向裝配和制造過程的工藝數字樣機（As-planDMU），具體包含零件模型和制造的裝配需求模型（ManufacturingAsmbly RequirementModel，MARM）等，零件模型包含大量的工藝特征（裝配、零件和工裝的加工與檢測特征）。質量MBD模型是指生產現場經過測量和數據采集產生的質量數字樣機（As-built DMU）。

通用性層次維包含通用層、構型層和實例層3個層次，反映了MBD模型逐步細化的過程。模型維中的產品、工藝和資源模型反映通用性層次維中，是指支持MBD應用的基礎數據庫，包括產品/工裝標準件庫、工具/刀具/設備數據庫和工藝參數數據庫等；構型層是指典型的典型產品構型庫，工裝構型庫和工藝規程庫。實例層是指MBD模型實例，概念設計和詳細設計階段是指帶構型信息的各種數字樣機（Configured DMUs），生產研制階段是指單架次飛機的質量MBD模型。

支持MBD模型體系的數字化制造與生產系統

針對MBD模型體系，本文給出了支持該體系的數字化制造與生產系統結構，如圖3所示。

基于MBD的飛機數字化工藝規劃、驗證與執行的流程

1 基于MBD的數字化工藝方案設計（概念設計階段）

工藝方案設計（見圖4）：基于MBD的工藝設計輸入是體現設計方案的設計MBD模型（成熟度為A），包括零件模型和裝配需求模型（Asmbly Requirement Model，ARM）。模型中包括性能關鍵特性PKC（Performance Key Characteristic）（如影響飛行性能的壁板間的階差或間隙）。

工藝規劃人員直接在3D環境中進行工藝分離面劃分，建立相應的工藝組件，定義工藝路線形成頂層的裝配流程圖。同時工裝設計人員展開工裝和工藝布局的方案設計。工藝協調方案（如圖5所示）：PKC的是向下游傳遞的，形成裝配關鍵特性（Asmbly KeyCharacteristic，AKC）和制造關鍵特性（Manufacturing Key Characteristic，MKC）。AKC由裝配方法決定（如手工裝配能達到的精度），MKC 由加工設備決定。容差分配的原理是將這些信息作為3D公差分析軟件的輸入，計算MKC尺寸鏈向上累計是否能滿足PKC的需求。如不能則需要調整裝配協調方案（如裝配基準、定位方法、工裝結構、裝配順序、制造工藝和制造能力等輸入），直到滿足PKC的需求。

方案評審：根據技術和經濟性等指標，對不同的工藝方案和協調方案進行評審。輸出體現工藝方案的工藝MBD模型（又稱成品或制造裝配），該模型包括與裝配流程相關的產品、工裝和工具3D模型，其中公差分配的信息、AKC和MKC的也在相關的零部件和工裝MBD模型中。

2 基于MBD的數字化工藝規劃與驗證（詳細設計階段）

（1）詳細工藝規劃。

圖6所示的裝配詳細工藝規劃的輸入為成熟度為B的設計MBD模型，包括具有細節特征的零件模型和ARM。工藝設計人員根據輸入模型，細化工位級別的裝配大綱，建立裝配工序與相應的流程。

針對ARM模型中的緊固件信息，需要專門的緊固件工藝規劃。如圖7所示，在3D環境中，將緊固件指派到相應工位或工序，根據裝配需求，形成裝配的工藝MBD模型和制造的安裝需求模型（Manufacturing AsmblyRequirement Model，MARM）。基于工藝MBD模型，進行詳細工裝設計（如柔性夾具）形成工裝的MBD模型。如采用先進的裝配工藝方法需要結合數字化設備模型和工具進行工藝仿真。本階段的主要輸出是裝配流程圖中各個工位或裝配大綱相應的工藝MBD模型、自動鉆鉚設備和柔性工裝的數控程序等。

圖7所示的零件工藝規劃的輸入是零件MBD模型。首先進行設計特征識別，將設計特征轉換成加工特征，將工藝路線與加工特征關聯起來，產生工序MBD模型。根據工序MBD模型進行夾具設計，并配合數控機床的數字模型進行加工仿真。這個階段的主要輸出就是零件工序或工藝MBD模型和數控程序。檢驗工藝規劃的輸入是工藝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的檢測特征、尺寸公差和基準。直接利用檢測特征和尺寸定義，進行自動路徑規劃，采用預先定義的測量規則，快速生成檢測方案，并結合激光跟蹤儀或CMM測量機的數字模型，進行仿真驗證。檢測工藝規劃輸出是檢測工藝MBD模型（可直接驅動設備）或DMIS程序。

（2）工藝驗證。

詳細工藝規劃完成后，需要在三維環境進行工藝驗證以發現裝配、加工和測量中可能遇到的任何問題，包括裝配仿真驗證結構件和系統件可裝配性；手工裝配仿真驗證裝配工人可視性、工具可達性與可操作性；自動裝配仿真驗證終端執行器、柔性工裝和裝配件之間的干涉；零件加工仿真驗證刀具、夾具和工件之間是否存在干涉；檢測仿真驗證測量工具與工件的干涉并進行路徑優化。工藝驗證完后，對相應的工藝、工裝、甚至產品設計進行可能的更改。

（3）基于MBD工藝指令創建。

如圖8所示，設計MBD模型里的技術需求信息，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。工藝規劃人員根據需求，對每個工序所對應的輕量化的三維模型進行標注，以方便工人理解。工藝指令都是以三維數模中的MBD信息為數據源，當發生工程更改和構型更改，可以保證工藝指令和各種文檔數據的一致性。

（4）工藝評審。

對詳細的工藝設計（包括工藝MBD數據集）進行評審。如果沒有通過評審，則請求工藝更改，工裝更改或設計更改；如果通過評審，則

輸出帶構型信息、成熟度為C的工藝MBD數據集（包括工藝MBD模型，輕量化的MBD模型指令、NC和機器人程序）。

3 基于MBD的數字化工藝執行與反饋（生產研制階段）

（1）MBD工藝指令執行。

如圖9所示，生產執行階段的輸入是工藝MBD數據集。現場工人通過工藝指令執行終端，瀏覽三維的工藝指令信息，指導現場裝配操作，并進行質量數據采集。當現場發現不合格品，在3D模型中直接加入不合格零件的相關信息，啟動不合格品管理流程。系統能實時地顯示執行過程中的質量MBD模型，如裝配干涉位置、缺件以與因為延期或質量問題產生的不合格品等。

（2）工藝MBD數據集驅動數字化設備。

工藝MBD模型、NC/機器人/測量程序驅動生產設備終端和測量程序驅動檢測設備終端。現場檢驗工作按照工藝MBD模型中定義的AKC和MKC進行測量，并將測量形成的質量MBD模型與工藝MBD模型進行判比，以確定制造符合性。在很多自動裝配的應用中，需要工藝MBD模型和質量MBD模型，生產設備終端和檢測設備終端形成的實時系統，通過實時對比與模型擬合，算出偏差繼續驅動如柔性工裝等設備。

（3）基于MBD的數據采集。

工人執行工藝指令，從現場采集質量數據，通過生產現場管理系統可以將收集相關的零件、工裝和工藝數據到反映到3D模型里。跟蹤儀和測量機可直接執行工藝MBD模型，將測量結果反饋到3D模型里，

形成單架次的質量MBD模型。產生三坐標檢測報告、激光跟蹤儀檢測報告。從質量MBD模型規X樹里可以提取測量的AKC/MKC到AS9002表格里。

（4）質量MBD模型反饋。

質量部門對質量MBD數據集進行評審，并啟動工藝更改或設計更改流程。基于MBD表達的質量信息需反饋到工程部門，以獲得工程的設計數據修訂或讓步接收。質量MBD信息反饋到工藝管理系統中，工程人員可方便地瀏覽質量MBD模型。

結束語

本文提出一種基于MBD的數字化制造技術框架，并建立了MBD模型體系和數字化制造與生產系統架構，探討了基于MBD的工藝規劃，驗證和執行的一般流程。C919項目明確提出要用MBD技術，但是如何在較短時間里建立和形成設計、工藝、質量和供應商的MBD模型標準，工具標準和流程標準，提高數字化研制能力，對主制造商和供應商來說是非常急迫的挑戰。如何充分有效地利用內外部資源，參考C919項目里程碑推進MBD 技術是后續值得深入思考的問題。