MBD模式下的飛機結(jié)構(gòu)零件工藝設(shè)計研究

李永毅，楚王偉，王曉剛

LI Yong-yi1，CHU Wang-wei1，WANG Xiao-gang2

（1.中航工業(yè)成飛結(jié)構(gòu)件廠，成都 610091；2.中國人民解放軍駐成飛公司軍事代表室，成都 610091）

0 引言

隨著飛機新研項目更迭速率的加快，項目研制周期日益縮短，如何在短期內(nèi)高效高質(zhì)量的完成工藝設(shè)計成為了零件加工車間研究的課題。當前三維數(shù)字化設(shè)計技術(shù)和數(shù)字化樣機技術(shù)隨著航空制造業(yè)數(shù)字化技術(shù)的迅猛發(fā)展得到了深入應(yīng)用。同時，隨著計算機和數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)以模擬量傳遞的實物標工協(xié)調(diào)法被數(shù)字量傳遞為基礎(chǔ)的數(shù)字化協(xié)調(diào)法代替，縮短了新機研制周期，提高了產(chǎn)品質(zhì)量[1,2]。但是，在當前我國的三維數(shù)字化技術(shù)并未完全成熟，MBD模式下的飛機結(jié)構(gòu)零件工藝設(shè)計依然是航空制造業(yè)亟待解決的課題，而隨著裝備技術(shù)的快速發(fā)展，工藝設(shè)計已經(jīng)成為飛機制造新的瓶頸。

本文在簡要介紹MBD以及零件工藝設(shè)計的基礎(chǔ)上，結(jié)合飛機中小結(jié)構(gòu)零件特點，論述了MBD模式下的工藝設(shè)計流程及具體方法實施，并在新機項目研制進程中取得了實效。

1 MBD模式下工藝設(shè)計概述

1.1 MBD的內(nèi)涵

MBD(Model Based Definition)，即基于模型的工程定義，是一個用集成的三維實體模型來完整表達產(chǎn)品定義信息的方法體[3]。MBD數(shù)據(jù)涵蓋了產(chǎn)品后續(xù)加工、裝配、檢測等環(huán)節(jié)的所有幾何信息與非幾何信息，其包含的內(nèi)容主要由以下元素構(gòu)成：相關(guān)設(shè)計基準數(shù)據(jù)、實體模型、毛坯、零件坐標系統(tǒng)、三維標注、工程注釋、材料信息、標注集以及其他定義數(shù)據(jù)。其內(nèi)容構(gòu)成如圖1所示。MBD使三維實體模型作為生產(chǎn)制造過程中的唯一依據(jù)，改變了傳統(tǒng)以工程圖紙為主，而以三維實體模型為輔的制造方法。MBD在2003年被ASME批準為機械產(chǎn)品工程模型的定義標準，是以三維實體模型作為唯一制造依據(jù)的標準體[4]。MBD技術(shù)的目標是規(guī)范產(chǎn)品數(shù)字化定義的信息，實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)字化定義信息的完整性和準確性，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）定義出能夠為下游各應(yīng)用環(huán)節(jié)所使用的準確、完善、規(guī)范和有效地產(chǎn)品信息。因此，MBD技術(shù)是實現(xiàn)數(shù)字化產(chǎn)品定義的手段，也是實現(xiàn)產(chǎn)品研制體系轉(zhuǎn)變的技術(shù)基礎(chǔ)[5]。

圖1 MBD數(shù)據(jù)集的組成元素

1.2 工藝設(shè)計

工藝設(shè)計是指工藝人員在產(chǎn)品設(shè)計的基礎(chǔ)上，從參加新產(chǎn)品的設(shè)計、工藝調(diào)研開始，經(jīng)過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工藝性審查和工藝設(shè)計，直至完成工藝驗證、總結(jié)與整頓等一系列的工藝工作。工藝設(shè)計的質(zhì)量與效率不僅直接影響產(chǎn)品質(zhì)量，而且對生產(chǎn)組織、生產(chǎn)效率、制造成本和生產(chǎn)技術(shù)準備周期等都有直接影響，是生產(chǎn)技術(shù)準備工作的重要階段，也是工藝管理工作的中心環(huán)節(jié)。

在設(shè)計資料以二維圖紙為主的傳統(tǒng)工藝設(shè)計流程中，產(chǎn)品設(shè)計、工藝審查、方案設(shè)計、工藝資料編制及試制一直以串行模式展開，項目研制周期長，且以常規(guī)機加占主導地位。隨著MBD技術(shù)的成熟，傳統(tǒng)工藝設(shè)計流程也隨之發(fā)生巨大變革，工藝設(shè)計流程由傳統(tǒng)的串行模式向并行模式轉(zhuǎn)變（如圖2所示），工藝審查與產(chǎn)品設(shè)計在進程上融為一體，方案設(shè)計在工藝審查階段即可進行，同時由于設(shè)計資料的三維化，工藝資料編制時間大幅減少，大大縮短項目研制周期，并且數(shù)控機加逐漸占據(jù)主導地位，提高了項目產(chǎn)品質(zhì)量，降低了項目研制成本。對比傳統(tǒng)工藝設(shè)計及MBD模式下的工藝設(shè)計（如表1所示），能明顯看出MBD模式下工藝設(shè)計具有更快的反應(yīng)能力，對于項目研制具有更好的促進作用。

圖2 工藝設(shè)計流程示意圖

表1 工藝設(shè)計模式比較

2 MBD模式下的工藝設(shè)計流程

MBD技術(shù)的應(yīng)用對飛機產(chǎn)品的數(shù)據(jù)管理、信息傳遞、工藝規(guī)劃、工藝文件編制與仿真、零部件制造都提出了全新的要求。以前需要三維數(shù)模和二維圖紙同時表達的各種信息，現(xiàn)在全部集中到MBD數(shù)據(jù)集中，各部門獲得信息的來源只有MBD數(shù)據(jù)集。在MBD數(shù)據(jù)集中獲取零件信息對制造、裝配的各個環(huán)節(jié)中至關(guān)重要。工藝人員在工藝設(shè)計規(guī)范的指導下，直接依據(jù)三維實體模型開展工藝開發(fā)工作，改變了以往同時依據(jù)二維工程圖紙和三維實體模型來設(shè)計產(chǎn)品裝配工藝和零件加工工藝的做法，縮短了項目研制周期，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。圖3是MBD模式下的飛機零件工藝設(shè)計流程。

從零件工藝設(shè)計流程可以看出，在初期工藝審查，項目總體規(guī)劃，到具體零件工藝方案制定，工藝規(guī)程、NC程序編制及仿真，直至現(xiàn)場加工以及資料歸零，MBD技術(shù)始終貫穿于零件工藝設(shè)計的整個流程。由于MBD技術(shù)的引入，流程各階段存在較多的交叉并行作業(yè)，在產(chǎn)品設(shè)計成熟度M3階段，工藝人員通過VPM平臺參與工藝審查，就產(chǎn)品數(shù)模問題與設(shè)計進行溝通，在產(chǎn)品數(shù)模正式發(fā)布前完成審查；在零件工藝方案制定完成后，即可啟動三表兩單編制以及工藝規(guī)程編制，同時根據(jù)工藝規(guī)程要求并行啟動生產(chǎn)資源配置及生產(chǎn)排程，有效提高新機項目的推進速度。

圖3 MBD模式下的飛機零件工藝設(shè)計流程

3 MBD模式下的工藝設(shè)計方法實施

MBD模式下技術(shù)的產(chǎn)品制造以MBD零件模型作為制造唯一依據(jù)，使產(chǎn)品的工藝設(shè)計活動發(fā)生了根本的變化：工藝設(shè)計與仿真將在三維數(shù)字化環(huán)境中進行。一般的，從原材料到成品零件的工藝過程包括加工、成形、改性、檢驗等多種類型工序，共同組成工藝鏈[6]。工藝設(shè)計貫穿于產(chǎn)品工藝鏈的整個活動流程中，工藝設(shè)計的質(zhì)量及進度影響到整個項目的研制質(zhì)量與進度。下文將以項目研制為載體，詳細闡述MBD模式下的工藝設(shè)計方法實施。

3.1 基于成熟度的項目工藝審查

當新項目設(shè)計數(shù)模進入成熟度M3階段[7]（即設(shè)計MBD模型進入校對階段）時，工藝人員通過VPM平臺參與到數(shù)模設(shè)計環(huán)節(jié)進行工藝審查，主要針對零件三維數(shù)模結(jié)構(gòu)、工藝性、材料信息、特種信息、附注信息等進行審查，確定零件的可加工性。當產(chǎn)品數(shù)模不利于加工工藝或者存在明顯設(shè)計缺陷時，工藝人員可直接與設(shè)計溝通，圍繞零件工藝性、結(jié)構(gòu)符合性、設(shè)計初始意圖進行討論，在滿足設(shè)計要求的同時，盡量使產(chǎn)品利于機械加工與檢測?；赩PM平臺的工藝審查界面如圖4所示。

圖4 基于VPM平臺的工藝審查界面

MBD模式下的三維設(shè)計數(shù)模，具有更強的表現(xiàn)力，能夠更真實地表現(xiàn)設(shè)計制造特征，更好、更準確地表達設(shè)計意圖，也容易進行工程信息的抽取和知識的挖掘。因此在工藝審查階段，借用VPM平臺，可輕松在MBD三維數(shù)模中確定零件特征（如圖5所示）為后續(xù)工藝設(shè)計做準備。在分析零件特征基礎(chǔ)上，對零件附注信息、材料信息、特種信息等通過三維數(shù)模結(jié)構(gòu)樹可清晰的明確知悉，如圖6所示。通過項目工藝審查，使工藝部門初步明確項目研制情況，以便盡早進入項目工藝設(shè)計階段。

圖5 零件特征信息

3.2 車間級項目方案制定及實施

新研項目正式研制階段，需要由項目技術(shù)管理團隊制定項目研制方案，確定項目總體目標，明確項目任務(wù)情況及任務(wù)難點，從技術(shù)創(chuàng)新、進度控制、質(zhì)量控制、成本控制方面入手，對項目研制提出具體要求。

以某民機項目研制為例，在項目正式研制階段，項目技術(shù)管理團隊負責召開項目工藝技術(shù)準備工作會，明確項目任務(wù)情況，從零件項數(shù)、零件結(jié)構(gòu)、零件材料、典型零件簡介等方面對項目進行介紹。同時建立專業(yè)化團隊（如表2所示），針對技術(shù)創(chuàng)新、進度、質(zhì)量、成本控制方面，由專業(yè)化團隊成員各司其職。在技術(shù)創(chuàng)新方面，主要針對機床應(yīng)用、工藝凸臺設(shè)計、工藝方案設(shè)計、通用工裝應(yīng)用等方面開展工作；在進度控制方面，落實工藝分工，制定階段任務(wù)節(jié)點，確保項目節(jié)點目標；在質(zhì)量控制方面，落實工藝總方案，控制工藝源頭質(zhì)量，同時各職能部門各司其職控制技術(shù)狀態(tài)；在成本控制方面，通過應(yīng)用新技術(shù)提高數(shù)控加工能力，降低常規(guī)加工成本，規(guī)范刀具應(yīng)用，提高刀具使用效率，同時大量采用套裁方案提高材料利用率。

表2 項目專業(yè)化團隊分工

在制定項目總體研制方式的同時，需要將項目零件按照零件族分類標準分為框、梁、接頭、肋、型材、角盒等不同類型，同時將難加工材料如鈦合金零件單獨進行分類。在完成零件族分類后，按照專業(yè)化團隊的理念將同類型零件分工給擅長的工藝團隊，同時按照數(shù)控機床選用原則確定零件加工機床，使車間生產(chǎn)資源達到有效利用。

3.3 詳細工藝方案設(shè)計及工藝資料編制與仿真

在零件方案設(shè)計階段，由方案設(shè)計團隊成員根據(jù)零件制造工藝方案設(shè)計指導原則及工藝凸臺設(shè)計規(guī)范針對項目典型零件設(shè)計工藝方案，包括帶凸臺工藝數(shù)模，零件具體加工流程，特殊刀量具需求等方面內(nèi)容。待工藝方案評審后正式啟動零件工藝資料編制，包括基于CAPP、PDM系統(tǒng)的訂貨單、工藝規(guī)程等工藝資料的編制與審簽，以及基于UG/CATIA的NC編制，基于CGTech VERICUT的NC仿真。在工藝資料編制過程中，工藝部門編制了各類規(guī)范標準，諸如零件工藝規(guī)程編制規(guī)范、工藝草圖繪制規(guī)范、鋁合金程編規(guī)范等，規(guī)范標準的引入，使得工藝人員在工藝資料編制時有章可循，使工藝設(shè)計工作規(guī)范化、模式化。

MBD數(shù)據(jù)集包含的相關(guān)設(shè)計基準數(shù)據(jù)、零部件坐標系、實體模型、毛坯、標注集、附注集及其他信息對工藝方案設(shè)計以及工藝資料編制有重要的作用。設(shè)計基準即零件基準面及裝配所需的工藝孔、協(xié)調(diào)孔等設(shè)計特征，這些設(shè)計特征需要在工藝方案設(shè)計及加工工序安排時用最可靠的手段進行保證，也在一定程度上限制了零件方案及加工流程。毛坯信息包括零件加工的毛坯尺寸及材料信息，在方案設(shè)計階段確定后可以用于材料的先期準備，已達到工藝設(shè)計與生產(chǎn)準備并行。標注集中包含的零件形位公差、重要尺寸等設(shè)計特征也同樣限制了零件加工流程。附注集中包含的零件熱表處理信息、特種檢查信息、標記信息等定義了零件機加后的工序流程?？傊?，MBD數(shù)據(jù)集中包含的數(shù)據(jù)信息對方案設(shè)計提出了要求，同時也規(guī)范了工藝規(guī)程的編制及工藝流程的安排。

3.4 零件資料歸零

待現(xiàn)場試制完成后，需要對零件制造過程中所有工藝資料歸零，包括設(shè)計MBD模型、工藝MBD模型、NC程序、工藝規(guī)程、工序說明書、VT仿真模型、測量工藝規(guī)劃等，歸零數(shù)據(jù)形成如圖7所示的壓縮文件包。

圖7 數(shù)控加工零件歸零數(shù)據(jù)集

3.5 項目技術(shù)狀態(tài)控制

在新項目研制過程中，技術(shù)狀態(tài)控制尤為重要。一方面需要將現(xiàn)場試制合格的工藝資料歸零，同時新項目工程更改較為頻繁，需要嚴格控制工程更改的執(zhí)行情況，避免技術(shù)狀態(tài)失控。MBD模型在設(shè)計部門采用構(gòu)型批次管理，即不同狀態(tài)的零件構(gòu)型模型對應(yīng)不同的批架次，每份工程更改對應(yīng)一項MBD零件模型。零件加工車間即根據(jù)數(shù)模版本與工程更改進行對應(yīng)，獲得相應(yīng)架次的零件數(shù)模信息。圖8所示的工程更改下的零件制造模型表示出了MBD模型、工程更改、數(shù)模版本及有效架次的關(guān)系。

圖8 工程更改下的零件制造模型

根據(jù)圖8所示的工程更改下的零件制造模型構(gòu)建可以看出，節(jié)點數(shù)據(jù)（對應(yīng)零件制造過程中某個狀態(tài)的MBD零件模型）具有很強的時效性，前一節(jié)點通常是后一節(jié)點的輸入，將制造模型按照時序關(guān)系組織成制造模型樹，每個樹節(jié)點對應(yīng)一個MBD零件模型，每個MBD零件模型對應(yīng)相應(yīng)的工程更改及對應(yīng)版本的數(shù)模，根據(jù)有效架次的管理，不同版本數(shù)模應(yīng)用于后續(xù)不同架次的零件生產(chǎn)。通過制造模型樹的建立，便于對制造狀態(tài)所包含的各種數(shù)據(jù)進行管理，在工藝設(shè)計階段根據(jù)不同狀態(tài)的MBD模型建立對應(yīng)批架次的工藝規(guī)程、NC等工藝設(shè)計資料，在生產(chǎn)制造階段同樣基于批架次進行工藝資料發(fā)放并指導生產(chǎn)?；诖四Ｐ蜆淇捎行Ы鉀Q零件制造過程中不同有效架次的工藝設(shè)計及生產(chǎn)制造的需要。

3.6 項目成效

通過MBD技術(shù)在新機項目研制中的應(yīng)用，提高了項目工藝設(shè)計效率及質(zhì)量，同時提升了整個項目的技術(shù)管理水平。以C919項目工藝設(shè)計為例，整個項目根據(jù)PBOM分工有697項零組件，通過MBD技術(shù)的應(yīng)用，整個項目在4個月內(nèi)完成了工藝設(shè)計工作。在工藝設(shè)計效率方面，項目工藝設(shè)計時間較之前項目相比提升了30%；在工藝設(shè)計質(zhì)量方面，各類工藝規(guī)范的建立，使工藝工作規(guī)范化、模式化，提高了項目質(zhì)量，在項目試制過程中因工藝原因造成的質(zhì)量問題下降了近40%；在項目技術(shù)管理方面，MBD模型的電子數(shù)據(jù)作為唯一依據(jù)，簡化了管理幅度，特別在項目技術(shù)狀態(tài)控制方面，以構(gòu)型批次管理的工程更改更加利于管理；在技術(shù)提升方面，在項目開展過程中，對工藝規(guī)范進行了實際運用，將工藝規(guī)范不合理的要求進行了更改，使規(guī)范標準趨于實用化。

4 結(jié)束語

MBD技術(shù)使三維實體模型成為制造過程中的唯一依據(jù)，通過三維數(shù)字化協(xié)調(diào)建模、三維工藝仿真設(shè)計與三維數(shù)字化工藝現(xiàn)場應(yīng)用，真正實現(xiàn)了無圖紙三維設(shè)計制造技術(shù)。但是MBD模式下的工藝設(shè)計作為一項新興技術(shù)，在發(fā)展過程中仍有大量問題需要解決。首先，在設(shè)計/工藝協(xié)同方面，國內(nèi)航空工業(yè)普遍存在著廠所分離的情況，設(shè)計、工藝分屬不同的單位，交流和溝通存在天然的屏障，設(shè)計、工藝之間無法充分溝通。其次，MBD標準不統(tǒng)一，各機型項目各自制定自己的MBD標準，給下游制造廠的工藝設(shè)計帶來較大困難[8]。再次，零件制造車間長期處于傳統(tǒng)的工藝設(shè)計模式中，對于MBD技術(shù)的認識與熟悉程度仍然不夠，現(xiàn)場生產(chǎn)時一直存在三維與二維轉(zhuǎn)化的問題。當然，隨著MBD的技術(shù)成熟，設(shè)計工藝化，工藝設(shè)計化的實現(xiàn)，零件車間工藝設(shè)計工作也必將隨之發(fā)生變化，諸如三維CAPP的應(yīng)用，無紙化工程的開展，在線測量的普遍應(yīng)用，企業(yè)知識工程的開發(fā)應(yīng)用等都將逐步實現(xiàn)。

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