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基于MBD的三维工艺技术

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【摘要】于MBD的三维数字化装配工艺设计技术是现代航空数字化制造中的一门新兴学科，基于MBD的二维工程图向三维模型的尺寸映射算法也是未来飞机三维装配工艺设计的发展趋势。通过基于MBD的三维数字化定义、三维数字化工艺,设计与仿真、三维数字化工艺装备的设计与制造、基于轻量化模型的装配过程可视化技术、三维数字化检验检测技术以及基于MBD的产品数据管理系统集成技术的应用，能够有效地缩短产品研制周期，改善生产现场工作环境，提高产品质量和生产效率，真正实现无二维图纸、无纸质工作指令的三维数字化集成制造。
关键字：MBD，产品数据管理，三维数字化工艺。
Abstract：MBD-based assembly process of three-dimensional digital design is not only a new discipline in aircraft digital manufacture, but also the future aircraft design trends. The application of MBD-based three-dimensional digital definition, design and simulation, three-dimensional digitization process equipment of design and manufacturing, the technology of assembly process visualization based on the lightweight mode, and three-dimensional digitized detection technology as well as MBD-based product data management system integrated technology can effectively shorten the product development cycle, improving the working environment of the production site, to improve product quality and production efficiency, and realize three-dimensional digitized Integrated manufacturing without two-dimensional drawings and paper work orders.
KEY WORDS：MBD，production data management, three-dimensional digital technology.
1 引言
1795年法国科学家蒙日系统地提出了以投影几何为主线的画法几何，把工程图的表达与绘制高度规范化、唯一化，工程图便成为工程界常用的定义产品的语言。20世纪后期，计算机技术的不断进步，CAD技术与各种先进设计以及制造技术迅速结合并飞速发展，尽管工程图在引进CAD技术后发生了巨大的变化，但仍难以克服自身的不足，很难满足先进制造技术的各种要求。美国波音公司是世界航空企业的霸主之一，其技术水平代表着制造领域内的最高水平。经过长期的技术累积、探索和实践，波音公司在波音787飞机中全面推出了一种完全不同于工程图的、全新的定义产品技术——基于模型的定义（Model Based Definition，MBD）[1]。
随着数字化设计与制造技术在航空制造业的广泛应用，传统的以数字量为主、模拟量为辅的协调工作法开始被全数字量传递的协调工作法代替，三维数模已经取代二维图纸，成为新机研制的唯一制造依据。在很多国内的复杂工艺产品生产企业，传统的以数字量为主、模拟量为辅的协调工作法开始被全数字量传递的协调工作法代替，并取得了一些阶段性成果。但是，与国外发达航空企业相比，仍然存在很大的差距，主要表现在三维数模并没有贯穿于整个数字化制造过程中，基于MBD技术的产品定义工作尚处于探索阶段，以MBD为核心的数字化工艺设计和产品制造模式尚不成熟，MBD的设计、制造和管理规范还有待完善，三维数字化设计制造一体化集成应用体系尚未贯通。
本论文分为四部分，第一部分对MBD的起源发展，涵义及其用进行了相关研究，第二部分分析我国国内基于MBD的三维工艺技术的现状，并指出了相关的不足，探讨未来的研究方向和在三维工艺技术中的推广，第三部分，结论。
2 MBD技术
2.1 MBD的起源和发展
1997年，ASME（美国机械工程师协会）在波音公司开始研究MBD技术，并在2003年成为“Y14.41（Digital Product Definition Data Practices）”美国国家标准，与此同时，各CAD软件（CATIA、UG、PTC等）公司把Y14.41标准设计到软件中，波音公司制定了应用标准规范和开发了相应的应用软件，把CAD软件CATIA嵌入产品数据管理软件LCA中，并与Delmia集成，并应用于787新机的研制中，实现了产品设计（含工艺设计）、工装设计、零件加工、部件装配、零部件检测检验的高度集成、协同和融合，建立了三维数字化设计制造一体化集成应用体系，开创了飞机数字化设计制造的新模式，确保了波音787飞机的研制周期和质量。
2.2 MBD技术的内涵
MBD技术的目标是规范产品数字化定义的信息，实现产品数字化定义信息的完整性和标准性，其核心和基础是产品的数字化定义技术，即用三维数字化定义工具（CAD系统平台）定义出能够为下游各应用环节所使用的准确、完整、规范和有效的产品信息。因此，MBD技术是实现数字化产品定义的手段，也是实现产品研制体系转变的技术基础[2]。
（1）MBD数据集是产品信息完整精确的“数字化”表达。
MBD数据集是指产品定义的信息种类和组织方式，它不仅具有产品的三维几何描述和三维尺寸标注等功能，还能将所有相关的工艺描述信息、属性信息、管理信息等非几何信息在三维模型上进行简单复制，它是1个包含产品全生命周期研制信息在内的、完整的、可供飞机研制各环节数字化系统直接解析和使用的信息模型。其技术关键是如何按照一定的数据规范和格式将原来离散的信息进行“数字化”处理，并集成在MBD数据集中。
（2）MBD支持产品全生命周期的信息集成。
PDM系统基本能实现产品核心信息（如产品结构、2D/3D模型、零部件属性、版本、有效性等）的管理。但类似技术条件等信息一直游离在信息系统（如PDM）的管理范围之外，其主要原因是这些信息多是非结构化的，并且在数量、类型上都不确定。MBD技术要求通过相应的规范和格式将这些信息变为可检索、可解析的数字化信息。
（3）MBD支持产品全生命周期研制过程的集成。
MBD技术应用的最终目标是支持产品全生命周期研制过程的集成，MBD数据集提供了完整准确的产品数字化定义信息，可为整个产品研制流程的各个数字化处理环节提供可以检索和解析的，并进行了有效分类的设计、制造等流程所需要的有用信息；能有力支持产品研制下游各环节如数字化管理（如ERP、MES等）、数字化处理（三维数字化工艺及工艺仿真等）、数字化设备（数控钻铆机、数控测量机等）等业务过程的集成。
2.3 MBD的优越性
和工程图相比，MBD技术有着巨大的优越性：
（1）MBD数据集是所有生产环节的单一数据源，直接解决了工程图需保持一致性等比较繁琐、成本高等问题；
（2）三维模型可以很好地表达曲线曲面造型，尤其在使用CATIA时；
（3）可以使研制、生产中的各职能人员更准确、更直接地明白并理解设计意图；
（4）实现了对新型制造和加工技术（如NC）的支持；
（5）MBD数据集集成了完整的数字化产品定义信息，大大提高了工程定义的质量，使CAD和CAM（加工、装配、测量、检验等）等实现高度的集成，即使脱离了图纸，仍可顺利地进行设计、制造、检验等；
（6）CAD系统具备的隐藏、显示、移动、旋转和缩放等功能，使得MBD定义的内容能更加简洁、有效地存取、管理和展示；
（7）基于MBD的制造技术采用数字化研制体系，准确、高效地传递产品定义信息，后续生产环节无需技术人员阅读、输入相关信息，这就减少了产品研制全过程的人工干预频频出错的现象，也减少了纸质实物系统与计算机系统脱节而造成的重复性劳动；
（8）MBD技术体系带来的便利也极大地支持了并行工程。在数字化协同研制环境中，各职能部门的人员可以在一个未完成的产品模型上协同工作，既提高了设计效率，也提高了产品的可制造性。
3 国内复杂制造工业的MBD应用现状及其分析
3.1 应用现状
目前，在复杂产品制造行业，如航空、汽车行业等，基本实现了设计三维化，设计端向工艺端发放的只有三维模型、公差、配合关系以及材料等信息。随着三维标注技术的逐步成熟，我国的大飞机项目已经在产品设计阶段应用了MBD技术，设计端向下游发放三维设计模型。但是目前我国复杂工艺的MBD应用中还存在一下问题[3]。
（1）标准不统一。目前各航空型号设计单位根据自身需要分别建立了MBD应用规范，并开始在型号研制中使用，造成制造单位面临要贯彻多个MBD标准（根据型号标准）的困境，难以形成统一的MBD技术体系和应用环境。
（2）MBD数据集的“数字化”程度不高。多数单位的MBD标准仅把原来二维图纸上的信息“照搬”到三维MBD模型中，而没有对这些信息进行必要的“数字化”处理（如对技术条件等离散信息的统一信息编码处理），后续的制造、工艺人员仍然要靠人工理解的方式获取信息，不能很好的支持制造、装配等环节的数字化工作的开展。
（3）支持MBD数字化建模的手段落后。目前，虽然三维设计工具（CATIA等）已经在飞机设计中使用了多年，但仍以使用CATIA自身基本功能进行产品设计为主要手段，这既影响了设计效率、也影响了MBD数据集的规范性、稳定性和可靠性。MBD技术对数据的准确性、规范性、完整性提出了非常高的要求，所以对MBD数据集的建立、数据管理、数据使用等环节，仅靠手工操作难以完成，需要配套相应的辅助软件工具，以提高数据的标准/规范性，以及后续环节使用的效率。
（4）产品数据管理的范围有待扩展。目前，采用PDM系统基本实现了产品设计信息。类似技术条件等制造信息等一直游离在信息系统（如PDM）的管理范围之外，需要加强对这类后续制造、装配和检测等环节所需数据信息的集成与管理。
3.2 基于MBD的三维数字化制造研究内容
为了实现基于MBD的三维数字化制造流程的有效控制和管理，必须依据三维数字化制造流程，预先开展以下技术的攻关研究[4]。
1基于MBD的数字化定义技术
采用MBD技术后，数字化产品定义信息必须按MBD要求进行分类组织管理，完整准确地表达产品零部件本身的几何属性、工艺属性、质量检测属性以及管理属性等信息，满足制造过程各阶段对数据的需求，因此，应该在吸收、消化ISO/DIS 16792、ASME Y14.41的基础上，结合国标《技术产品文件数字化产品定义数据通则》系列标准以及波音、空客三维模型和我国航空产品数字化设计制造技术的实际情况，开展基于MBD的设计建模技术、基于MBD的工艺建模技术、基于MBD的检验建模技术、基于MBD的并行设计流程管理技术、基于MBD的设计质量控制技术的研究。
2基于MBD的数字化工艺设计与仿真技术
MBD技术以三维数模作为唯一的制造依据，工艺设计与仿真将在三维数字化环境下，依据基于MBD技术的数字化工艺协调制造体系要求，以产品EBOM和三维数字样机为基础，以工艺数字化并行定义为核心，制定工艺总方案，建立三维工艺数字样机，进行数字化三维工艺设计、数字化工艺容差分配、仿真和优化、数字化三维工艺仿真验证。在工艺审查阶段，对零件、组件、部件组成的制造单元进行可制造性、可装配性分析，检查结构设计的合理性；在工艺规划阶段，通过装配工艺仿真，确定零部件之间的装配顺序和运动路径；在工装设计阶段，进行制造资源仿真，设计出合格的工装资源；在工艺编制阶段，通过建立起产品、工艺、资源数字化工艺数据模型（PPR），通过关键部件基于MBD的工艺容差分配计算和优化，实现基于模型的工艺分离面划分、装配工位设计、装配流程设计、三维工艺指令设计等。
3基于MBD的工艺装备设计制造集成技术
在工装设计过程中，产品设计数模、工艺数模的版本变化将直接引起工装数模的版本变化。因此，必须应用三维关联技术和三维在线技术预先开展基于MBD工艺装备设计与飞机产品、工艺设计及仿真的数字化协同技术、工艺装备设计与产品设计、工艺设计的关联更改技术、工艺装备三维数字化设计制造一体化集成技术、基于三维数字化工艺装备设计、制造等技术的研究工作。
4基于MBD的数字化检测与质量控制技术
在基于MBD的产品数字样机和工艺数字样机的基础上，开展三维工艺检验计划的技术研究工作，探讨三维数字图形转换为测量机等数字化设备能够识别的数字信息的技术方法，并以基于MBD的三维设计数模、工艺数模和检测方案为依据开发检验数据计算程序，建立基于MBD的三维检验数模，并与产品数字样机和工艺数字样机一起纳入PDM系统进行管理。与此同时，在制造产品数据结构（MBOM）的基础上，建立基于质量产品结构（QBOM）的集成质量管理系统。以PDM系统的检测计划、三维检测模型为依据，通过集成质量管理系统在生产现场采集飞机检验检测数据，并建立检验检测结果与QBOM的关联关系，纳入集成质量管理系统进行有效的管理。
5基于轻量化模型的装配过程可视化技术
在MBD制造模式下，装配现场已摆脱传统基于二维图样的模拟量传递体系，三维数模及三维工艺指令已经完全替代了二维工程图纸和纸质工艺指令成为在生产现场指导工人工作的技术依据。为了确保装配现场能够及时获取现行有效的三维数模、轻量化模型、三维装配工艺指令，满足飞机装配过程管理与执行控制的要求，需要解决三维数模轻量化的问题，并将基于MBD的设计模型、工艺模型、检验模型、三维工装资源数据、轻量化模型、三维装配工艺指令统一纳入企业级PDM中进行管理，并建立与装配现场作业计划的关联关系，实现三维可视化装配技术在装配制造执行系统（MES）的集成应用，实现真正的无纸化。
6基于MBD的产品数据管理系统集成技术
在MBD制造模式下，产品工艺数据、检验检测数据的形式与类型发生了很大的变化。采用MBD技术后，设计部门不再向制造部门发放二维工程图纸，减少了设计工作量，简化了管理流程。工艺部门通过三维数字化工艺设计与仿真，依据基于MBD的三维产品设计数模建立三维工艺模型，生成零件加工、部件装配动画等多媒体工艺数据；检验部门通过三维数字化检验，依据基于MBD的三维产品设计数模、三维工艺模型，建立三维检验模型和检验计划。
3 结论
本文简要分析了MBD技术的起源发展，内涵，及其目前在国内复杂三维工艺制作中的应用，并就其在三维工艺技术中的研究方向和进行了分析，MBD技术的深入应用必将推动我国复杂工艺技术制造业的迅猛发展。
参考文献
[1] 唐健钧，贾晓亮，田锡天，等. 面向MBD的数控加工工艺三维工序模型技术研究[J]. 航空制造技术. 2012(16): 62-66.
[2] 巫鹏伟，卢鹄，于勇，等. 工程师的新语言——基于模型的定义[J]. 航空制造技术. 2010(21): 68-71.
[3] 肖珺，谢曦鹏. 数字化三维工艺设计[J]. 数字技术与应用. 2010(12): 9.
[4] 周秋忠，范玉青. MBD技术在飞机制造中的应用[J]. 航空维修与工程. 2008(3): 55-57.