MBD技術在設計與制造協(xié)同中的應用

張文祥， 張寶， 劉志學

（1.成都航空職業(yè)技術學院機電工程學院，成都610100；2.成都信息工程大學控制工程學院，成都610225）

0 引言

隨著工業(yè)化與信息化的深度融合、智能制造技術飛速發(fā)展，構建基于數(shù)字化的設計制造協(xié)同工作環(huán)境是企業(yè)實現(xiàn)高效、智能發(fā)展的必然趨勢。MBD技術將產(chǎn)品設計和制造信息共同定義到三維模型中，貫穿于產(chǎn)品整個生命周期，是集成設計、制造、檢驗、維護和管理為一體的先進數(shù)字化制造技術，是企業(yè)邁向MBE的重要基礎[1]。在新產(chǎn)品研制過程中，采用基于MBD的三維數(shù)模作為設計制造協(xié)同的唯一數(shù)據(jù)源，可以減少設計與制造部門之間的模型溝通和重構時間，限制或消除因模型重構而引起的模型不一致等質量問題；工藝設計過程中使用統(tǒng)一的三維模型實現(xiàn)虛擬驗證與工藝仿真，可以保證工藝文件的準確性和可操作性；對三維模型的關鍵特征識別和尺寸的提取，使得復雜產(chǎn)品的自動化檢測成為現(xiàn)實。因此，制造企業(yè)在實施智能制造改革和創(chuàng)新的過程中，通過MBD技術與生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的協(xié)同達到信息流通是實現(xiàn)數(shù)字化、信息化和智能化的關鍵。

在國內(nèi)，目前MBD技術已在航空、航天、船舶、汽車等制造企業(yè)廣泛應用和推廣，并在產(chǎn)品設計、工藝設計和生產(chǎn)制造階段取得了突破性進展，MBD技術的優(yōu)勢得到了很好的體現(xiàn)。但設計與制造協(xié)同之間卻暴露出較大的問題,例如設計和工藝系統(tǒng)平臺不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)的準確性無法保證；涉及MBD技術相關的規(guī)范未統(tǒng)一，設計部門無法完全按照制造部門的要求進行定義；傳統(tǒng)設計方法及設計習慣的阻礙；部分企業(yè)無法直接擺脫二維圖樣；業(yè)務流程中需要產(chǎn)生和管理大量數(shù)據(jù)，掌握相應技術的人員較少；缺乏有效的數(shù)據(jù)提取方法和工具，嚴重影響產(chǎn)品研制生產(chǎn)周期[2]。因此，將MBD技術應用于產(chǎn)品整個生命周期過程中，真正實現(xiàn)數(shù)字化設計、規(guī)劃、生產(chǎn)、檢驗成為設計和制造部門協(xié)同工作的重點研究和實施方向。圖1展示了基于MBD模式下的產(chǎn)品數(shù)字化設計制造協(xié)同示意圖。通過企業(yè)的長期實踐和應用，本文從產(chǎn)品數(shù)字化設計、結構化工藝設計、數(shù)字化檢驗規(guī)劃和數(shù)字化生產(chǎn)制造幾個方面對MBD技術在協(xié)同過程中的應用進行了梳理。

圖1 數(shù)字化設計制造

1 基于MBD的數(shù)字化產(chǎn)品設計

傳統(tǒng)制造企業(yè)在產(chǎn)品研制過程中，設計人員和工藝人員需要在三維模型和二維圖樣之間來回轉換才能實現(xiàn)工藝設計和數(shù)控程序的編制[3]。對于大型復雜零件，模型重構時間長，模型的一致性也難以保證。隨著產(chǎn)品的不斷更新?lián)Q代，零件的復雜程度和制造精度也在不斷提高，對研制生產(chǎn)周期也有了嚴格的要求。以二維圖樣作為協(xié)同的重要數(shù)據(jù)已嚴重受限，只有探索高效、高質量、自動化的協(xié)同方式才能適應新形式的發(fā)展。國外早在波音787等大型裝備上開始探索以數(shù)字化定義的方式進行新產(chǎn)品的研制，主要是采用MBD技術將設計和制造信息全部定義到三維數(shù)字化模型中作為唯一的數(shù)據(jù)源，下游部門直接繼承設計模型進行工藝設計和其它工作，模型的準確性可得到有效的保證，同時極大縮短了工藝準備周期。圖2為傳統(tǒng)模式和新模式下建模方式和工藝設計模式的轉變。MBD技術的應用優(yōu)勢明顯，協(xié)同過程中的重點就是產(chǎn)品數(shù)字化定義的規(guī)范，即如何將產(chǎn)品制造信息定義到數(shù)字化模型中，既能滿足制造部門的需求，又能實現(xiàn)高效便捷的產(chǎn)品設計。

圖2 建模方式

產(chǎn)品制造信息簡稱PMI，它包含傳統(tǒng)產(chǎn)品二維工程圖上的所有信息，如零部件圖號、名稱、材料等屬性信息[4]，以及視圖、基準、尺寸、公差、控制特征等信息，如圖3所示。PMI對象中零件尺寸較多，據(jù)統(tǒng)計，設計人員在對零部件進行產(chǎn)品設計制造信息定義的過程中，零件尺寸標注占MBD工作過程的95%以上。其主要原因是制造單位難以擺脫二維紙質文件進行生產(chǎn)，所以要求設計或工藝部門將所有尺寸全部標注在三維模型上。PMI信息量大，所有尺寸信息全部定義會出現(xiàn)數(shù)據(jù)量大，使用者難以快捷獲取，也不利于信息的提取，因此是否需要將尺寸完全注釋在三維模型上成為設計制造協(xié)同過程中各企業(yè)面臨的重大問題。在多家航空企業(yè)設計制造部門協(xié)同和實踐的過程中，總結出同時滿足設計與制造雙方需求的解決方案值得大家借鑒。首先對所有尺寸進行歸類，根據(jù)雙方協(xié)調(diào)共同制定標準，按重要性等級確定標注和檢驗等要求。例如對制造過程中的關鍵、重要尺寸、有特殊要求的尺寸、裝配所需上下偏差不等的尺寸等必須進行標注；未注尺寸按給定的國家標準或行業(yè)標準執(zhí)行；對于程序能保證的普通尺寸或無嚴格要求的尺寸可以不標注或不檢驗等。通過將PMI對象進行分類存儲和標記，按數(shù)據(jù)集的方式來進行管理，可以方便模型信息在信息系統(tǒng)中的分類提取，能大幅提高設計制造協(xié)同效率，促進企業(yè)信息化管理。

圖3 PMI對象

2 結構化工藝設計

2.1 產(chǎn)品BOM轉換

BOM一般指產(chǎn)品物料清單，在設計制造協(xié)同環(huán)境下，產(chǎn)品BOM是通過接收設計單位發(fā)送的三維模型或產(chǎn)品數(shù)據(jù)包生成[5]。如圖4（a）為產(chǎn)品設計三維模型，通過導入PDM系統(tǒng)后生成產(chǎn)品設計物料清單EBOM，結構如圖4（b）所示，該產(chǎn)品結構樹可以清晰地表達設計產(chǎn)品結構關系、零部件數(shù)量，同時也關聯(lián)了設計三維模型和可視的輕量化模型，附帶設計更改單和重要問題通知單等。EBOM作為指導下游部門工作的唯一依據(jù)，制造部門無權限修改BOM數(shù)據(jù)，只能通過BOM轉換重新搭建生產(chǎn)計劃物料清單PBOM來實現(xiàn)。BOM轉換后的PBOM能完整地繼承EBOM的所有信息，同時還能在PBOM上補充工藝屬性以滿足生產(chǎn)需要，例如工藝路線、產(chǎn)品裝配階段、產(chǎn)品配套類型等屬性。在PBOM上可以根據(jù)實際裝配需要對零部件進行拆分和重組，最后通過BOM比較查看兩者的差異，確保PBOM的正確性。圖5所示為BOM轉換及BOM重構。在產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的過程中采用EBOM、PBOM等多級BOM的管理方式主要是為了適應產(chǎn)品在不同任務階段的需求，通過協(xié)同和轉換各級BOM的基礎數(shù)據(jù)，可以保持與設計部門的一致性。

圖4 模型及BOM

2.2 結構化工藝

工藝設計是連接產(chǎn)品設計和制造的橋梁，工藝設計數(shù)據(jù)是車間計劃調(diào)度、生產(chǎn)資源準備、現(xiàn)場生產(chǎn)執(zhí)行的重要依據(jù)，因此工藝數(shù)據(jù)在各環(huán)節(jié)的流轉是企業(yè)實現(xiàn)車間數(shù)字化的基礎[6]。傳統(tǒng)工藝設計需要在二維圖樣和三維模型之間反復轉換，工藝規(guī)程與現(xiàn)場作業(yè)指導卡中大部分內(nèi)容和數(shù)據(jù)需要重復編制。導致整個工藝設計過程模型重構時間長、模型轉換易出錯、數(shù)據(jù)重復錄入耗時多、紙質文件管理混亂等問題突出。數(shù)字化協(xié)同模式下，工藝人員直接采用三維數(shù)字化模型對工藝進行結構化設計能有效地解決此類問題。結構化工藝是將生產(chǎn)制造過程中的人員、設備、物料、方法、環(huán)境等內(nèi)容全部定義到工藝規(guī)程中，并與工序和工步形成一定的關聯(lián)關系后組成。圖6展示了結構化工藝的數(shù)據(jù)結構，工藝數(shù)據(jù)包含了工序、工步、零件、資源、工時成本、中間模型、技術插圖、數(shù)控程序等生產(chǎn)過程中的所有信息。因工藝涉及的人、機、料、法、環(huán)等數(shù)據(jù)都以對象的方式存儲和使用，因此信息流通和數(shù)據(jù)集成方便。企業(yè)可以根據(jù)需求實現(xiàn)可視化的作業(yè)指導卡的定制和自動輸出，提高工藝編制質量與效率，減少返工與出錯。傳統(tǒng)生產(chǎn)過程中現(xiàn)場操作工人在進行產(chǎn)品加工和檢驗時，除了閱讀紙質作業(yè)指導卡和工藝規(guī)程外，還需要仔細翻閱大量圖樣、標準。執(zhí)行過程中操作者具有一定的自主性，經(jīng)驗和技能占很高的比重，導致產(chǎn)品質量難以控制?？梢暬淖鳂I(yè)指導卡在保證傳統(tǒng)信息的基礎上增加了輕量化模型窗口，工人通過該窗口可以查看三維裝配和仿真動畫、三維工序模型及其三維標注，也能實現(xiàn)模型的剖切、旋轉和測量，其內(nèi)容豐富、操作簡單，實用性更強，產(chǎn)品的質量也可以得到有效的提高[8]。同時工藝文件的結構化為生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)和分布式數(shù)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)集成傳遞提供了基礎，為推進車間的無紙化和數(shù)字化生產(chǎn)提供了重要保障。

圖5 BOM重構

圖6 結構化工藝

3 數(shù)字化檢驗規(guī)劃

生產(chǎn)制造過程中檢驗一般包含工序檢驗和產(chǎn)品終檢，對于產(chǎn)品試制需首件三檢。檢驗數(shù)據(jù)通常是工藝或檢驗人員根據(jù)產(chǎn)品二維圖樣編制的數(shù)據(jù)表格，需要手工錄入與人工比較。檢驗過程是由專職檢驗人員通過儀器或設備實現(xiàn)尺寸、粗糙度等的測量，對比設計檢驗要求進行產(chǎn)品質量的評定。傳統(tǒng)檢驗文件和檢測過程中人為影響因素較多，數(shù)據(jù)準確性、穩(wěn)定性、真實性等難以控制，漏檢等情況也常有發(fā)生，由此產(chǎn)品質量的可靠性得不到保證。自動化測量技術提出較早，主要是借助機器視覺、激光、虛擬設備、三坐標等自動化裝置實現(xiàn)特征或尺寸的快速提取，但局限于設計數(shù)據(jù)的來源需要手工錄入，仍然難以實現(xiàn)完全自動化。而基于MBD的三維數(shù)字化模型的出現(xiàn)，使得自動化檢測成為可能。MBD技術在檢驗階段的重要優(yōu)勢在于模型集設計、制造信息的集中化表達，通過一定的方法可以實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的提取和傳遞，同時將設計定義的模型作為數(shù)字化檢測的唯一依據(jù)[9]。產(chǎn)品在設計過程中，把制造和檢驗重點控制的關鍵特征或尺寸定義在三維模型中，高度集成的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以直接從模型中獲取定義的關鍵特征和尺寸，通過信息流通實現(xiàn)到檢驗系統(tǒng)的自動傳遞，實現(xiàn)待檢數(shù)據(jù)的自動獲取[10]。圖7為基于MBD的數(shù)字化測量過程。

圖7 基于MBD的數(shù)字化檢測

4 結語

MBD技術是傳統(tǒng)制造向先進制造過程中的重大變革，它以三維數(shù)字化定義的方式實現(xiàn)了數(shù)字化模型在生產(chǎn)制造各環(huán)節(jié)的傳遞和數(shù)據(jù)重用；以三維交互式的電子版作業(yè)指導卡實現(xiàn)了工人的可視化作業(yè)；以自動和高效的方式實現(xiàn)檢驗數(shù)據(jù)的獲取和自動化檢驗規(guī)劃；其深度應用必將引領產(chǎn)品設計、制造、檢驗和維護過程中的數(shù)字化技術飛速發(fā)展，為制造業(yè)的信息化建設打下堅實基礎。

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