MBD技術(shù)在航空制造業(yè)中的應(yīng)用

阮超峰

(中航工業(yè)空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽 471000)

所謂基于模型的數(shù)字化定義(Model Based Definition，MBD)，就是用集成的三維模型來完整表達(dá)產(chǎn)品定義信息，并將其作為生產(chǎn)制造過程中的唯一依據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、工藝、制造、檢測(cè)等的高度集成［1］。近年來，MBD技術(shù)在航空制造行業(yè)已經(jīng)得到了長(zhǎng)足發(fā)展。如何更有效地利用MBD技術(shù)，將MBD技術(shù)的應(yīng)用從產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段擴(kuò)展到工藝設(shè)計(jì)和車間制造的層面，打通從設(shè)計(jì)到制造過程的全三維數(shù)字化之路，是當(dāng)今航空制造業(yè)的發(fā)展方向和必由之路。

1 基于MBD的三維數(shù)字化制造體系架構(gòu)

基于MBD的全三維數(shù)字化制造體系，是以MBD技術(shù)為基礎(chǔ)，依靠先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合當(dāng)今企業(yè)信息化發(fā)展水平和企業(yè)實(shí)際業(yè)務(wù)需求而構(gòu)建，目的是通過先進(jìn)的企業(yè)信息化管理思想和工具，來提高企業(yè)的研發(fā)、工藝和制造能力，建立基于三維模型的數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造一體化管理平臺(tái)，為企業(yè)的“協(xié)同設(shè)計(jì)、精益制造”模式的創(chuàng)建提供依據(jù)。圖1為基于MBD的企業(yè)全三維數(shù)字化制造體系架構(gòu)。

圖1 企業(yè)三維數(shù)字化制造體系架構(gòu)圖

三維數(shù)字化制造平臺(tái)以MBD技術(shù)為基礎(chǔ)，依靠先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，綜合集成基于MBD的三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)(CAD)、三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)(CAPP)、制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)和企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)(ERP)等［2］。設(shè)計(jì)部門進(jìn)行基于MBD的三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)，通過PDM系統(tǒng)傳遞給工藝部門;工藝部門利用接收到的MBD模型進(jìn)行三維工藝設(shè)計(jì)，利用PDM系統(tǒng)對(duì)三維工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，并通過MES系統(tǒng)下發(fā)到車間;車間現(xiàn)場(chǎng)接收到工藝數(shù)據(jù)信息(工時(shí)定額、材料定額等)，并通過MES系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)排產(chǎn)、生產(chǎn)調(diào)度、派工報(bào)工和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控等;工裝管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)車間工裝的制造、使用、報(bào)廢等管理;生產(chǎn)管理員利用DNC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車間現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)監(jiān)控等。

2 MBD模型在企業(yè)中的應(yīng)用

2．1 MBD技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

近年來，MBD技術(shù)在航空制造行業(yè)已經(jīng)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，特別是在設(shè)計(jì)部門，已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)了全三維方式，并且設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的發(fā)放以三維模型作為唯一的數(shù)據(jù)源。MBD模型中包含了產(chǎn)品的幾何屬性(尺寸、公差等)、制造屬性(材料定額等)和管理屬性(產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、EBOM等)，只需要將MBD模型作為唯一數(shù)據(jù)源下發(fā)到工藝部門即可，工藝人員可以從MBD模型上獲取產(chǎn)品全部信息，進(jìn)而進(jìn)行三維工藝設(shè)計(jì)，保證了整個(gè)過程的單一數(shù)據(jù)源特性。為了能夠規(guī)范基于產(chǎn)品的模型定義方法，企業(yè)需要根據(jù)實(shí)際需求定義一系列標(biāo)準(zhǔn)來支撐，如:建模標(biāo)準(zhǔn)、尺寸和公差標(biāo)注標(biāo)準(zhǔn)、注釋標(biāo)準(zhǔn)等等。基于MBD的產(chǎn)品設(shè)計(jì)將產(chǎn)品的設(shè)計(jì)屬性、工藝屬性、制造屬性、檢測(cè)屬性等都高度集成在三維實(shí)體模型上，取代了傳統(tǒng)由三維實(shí)體模型描述幾何形狀信息，二維工程圖紙定義尺寸、公差和工藝信息的分步式描述方法。

2．2 MBD模型在工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在MBD環(huán)境下，工藝設(shè)計(jì)統(tǒng)一在CAD平臺(tái)下進(jìn)行，工藝信息集成在PDM系統(tǒng)中進(jìn)行管理。工藝部門通過PDM系統(tǒng)接收到設(shè)計(jì)部門發(fā)放的三維MBD模型后，主要進(jìn)行以下幾個(gè)步驟的工作:(1)進(jìn)行工藝性審查，主要對(duì)設(shè)計(jì)模型的幾何特征、產(chǎn)品屬性、尺寸標(biāo)注、基準(zhǔn)、技術(shù)要求等進(jìn)行審查，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)提交設(shè)計(jì)部門，設(shè)計(jì)部門修改后重新下發(fā);(2)進(jìn)行EBOM到MBOM的轉(zhuǎn)換，所謂EBOM是指設(shè)計(jì)部門發(fā)放的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，而MBOM是制造部門從加工、裝配角度搭建的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，MBOM去除EBOM的虛擬件轉(zhuǎn)換成了實(shí)體件，并增加了工裝等工藝資源;(3)進(jìn)行工藝路線規(guī)劃即構(gòu)建基本的工藝路線卡，進(jìn)而對(duì)每道工序進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，即針對(duì)每一道工序完善加工方法(數(shù)控加工、表面處理、檢驗(yàn)等)并關(guān)聯(lián)相應(yīng)的制造資源(刀具、夾具、設(shè)備等)，其中在數(shù)控編程階段，需要生成每道工序的加工模型，用于NC程序的編制和檢驗(yàn)，并結(jié)合關(guān)聯(lián)的制造資源(機(jī)床、刀具、夾具等)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，最后將驗(yàn)證結(jié)果(NC代碼、仿真動(dòng)畫等數(shù)據(jù))保存回對(duì)應(yīng)的工序;(4)進(jìn)行可視化發(fā)布，生成三維可視化工藝文件進(jìn)行審核后提交PDM系統(tǒng)進(jìn)行管理，并通過MES下發(fā)車間生產(chǎn)。圖2所示為基于MBD模型的三維加工工藝設(shè)計(jì)流程。

圖2 基于MBD模型的三維加工工藝設(shè)計(jì)流程

2．3 基于模型的制造資源庫(kù)管理

企業(yè)需要構(gòu)建自己的三維制造資源庫(kù)，將企業(yè)所有的制造資源進(jìn)行統(tǒng)一管理。三維制造資源庫(kù)包含企業(yè)所有的機(jī)床設(shè)備、刀具、夾具、量具、各類工裝資源等，與企業(yè)的資源實(shí)物通過條碼或二維碼等進(jìn)行管理，并與資源庫(kù)中的三維輕量化模型一一對(duì)應(yīng)［3］。統(tǒng)一的資源庫(kù)管理使得企業(yè)在進(jìn)行生產(chǎn)線規(guī)劃、生產(chǎn)力能力評(píng)估、三維工藝設(shè)計(jì)時(shí)，可以直接調(diào)用資源庫(kù)的三維模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，提高了前期規(guī)劃效率和準(zhǔn)確度。例如在三維工藝設(shè)計(jì)階段，需要調(diào)用資源庫(kù)中的機(jī)床、刀具、工裝等資源進(jìn)行數(shù)控加工的驗(yàn)證仿真，如果需要制造專用工裝，則發(fā)起專用工裝設(shè)計(jì)申請(qǐng)，由工裝設(shè)計(jì)部門進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后將設(shè)計(jì)完成的三維工裝模型保存到工裝資源庫(kù)中。

2．4 基于模型的現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行

基于PDM系統(tǒng)將工藝數(shù)據(jù)(三維作業(yè)指導(dǎo)書、工時(shí)定額、材料定額等)通過MES系統(tǒng)傳遞到制造車間。車間生產(chǎn)計(jì)劃員根據(jù)接收到的相關(guān)工藝數(shù)據(jù)，結(jié)合車間資源、庫(kù)房資源等信息進(jìn)行計(jì)劃排產(chǎn)和生產(chǎn)調(diào)度。車間工人利用現(xiàn)場(chǎng)終端，訪問PDM系統(tǒng)中保存的工藝數(shù)據(jù)，可以對(duì)三維工藝模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放、測(cè)量尺寸、標(biāo)注等操作，以及查看三維作業(yè)指導(dǎo)書。在制造過程中發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)或者工藝問題時(shí)可以直接在三維模型上進(jìn)行標(biāo)注，及時(shí)反饋給設(shè)計(jì)、工藝部門進(jìn)行修改，重新下達(dá)。

3 結(jié)束語

近年來，MBD技術(shù)已經(jīng)成為了當(dāng)今航空制造業(yè)的一個(gè)熱門，也是促進(jìn)航空制造業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。本文以MBD技術(shù)為核心，構(gòu)建了基于模型全三維數(shù)字化制造體系，并對(duì)MBD技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)制造和制造資源管理中的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了探討。研究了MBD技術(shù)在航空制造業(yè)中的應(yīng)用，將MBD技術(shù)的應(yīng)用從產(chǎn)品設(shè)計(jì)推廣到工藝、現(xiàn)場(chǎng)制造等方面，對(duì)MBD技術(shù)在航空制造業(yè)中的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)作用。

［1］ 馮潼能．MBD技術(shù)在數(shù)字化協(xié)同制造中的應(yīng)用與展望［J］．南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，44(增刊1):138－143．

［2］ 付紅旭．基于 PLM的三維數(shù)字化車間整體解決方案［J］．航天制造技術(shù)，2013(1):71－74．

［3］ 柴天佑．制造執(zhí)行系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)［J］．控制工程，2005，12(6):4－9．