基于MBD的飛機(jī)工裝數(shù)字化定義與管理技術(shù)研究

祁海群，唐敦兵，王 強(qiáng)，康與云，劉佩惠，殷磊磊

（1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016；2.成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，四川 成都 610092）

基于模型定義(Model Based Definition, MBD)技術(shù)首先由波音公司提出，并在波音787的研制過程中得到全面應(yīng)用，引起了飛機(jī)設(shè)計過程和制造模式的革命性變化。工程史上首次真正實現(xiàn)了三維數(shù)字化、無紙化協(xié)同設(shè)計制造，大大簡化了產(chǎn)品設(shè)計和管理過程，縮短了產(chǎn)品研制周期。隨著波音公司在全球供應(yīng)商推廣此項最新技術(shù)，MBD數(shù)字化設(shè)計與制造已成為航空制造業(yè)信息化的發(fā)展趨勢[1-2]。

MBD技術(shù)是用集成的三維實體模型來準(zhǔn)確、完整、規(guī)范、有效地表達(dá)產(chǎn)品定義信息的方法[3]，產(chǎn)品的制造信息和設(shè)計信息都附著在三維綜合化模型中[4]。MBD技術(shù)改變了傳統(tǒng)的以工程圖紙為主、三維實體模型為輔的設(shè)計制造方法，使三維綜合化模型成為設(shè)計制造過程中的唯一依據(jù)，克服了工程圖紙復(fù)用性低，可讀性差，與數(shù)控環(huán)境格格不入等缺點[5]，有效解決了設(shè)計制造一體化問題[6]。

目前，學(xué)者們對飛機(jī)產(chǎn)品和工藝的MBD的表示內(nèi)容、定義方法及管理等多個方面進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[7]對飛機(jī)產(chǎn)品非幾何信息的表達(dá)方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹；文獻(xiàn)[8]以工序MBD模型為基本單位，建立了面向工藝的MBD模型；文獻(xiàn)[9]提出需標(biāo)注有分類顯示與隱藏的要求，并研究了同一平面內(nèi)只表達(dá)同類標(biāo)注信息的管理方法；文獻(xiàn)[10]提出MBD模型成熟度概念，并指出其在基于并行協(xié)同的飛機(jī)研制一體化流程中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[11]研究了MBD環(huán)境下產(chǎn)品的全生命周期管理方案，并有效指導(dǎo)了產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計。

為迎接國際航空市場激烈的競爭與挑戰(zhàn)，國內(nèi)航空企業(yè)也正逐步使用MBD技術(shù)指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計。但與國外發(fā)達(dá)航空企業(yè)相比，仍然存在較大差距，主要體現(xiàn)在MBD技術(shù)沒有貫穿產(chǎn)品的全生命周期，工藝裝備（以下簡稱工裝）部門傳統(tǒng)的以二維圖紙為主的現(xiàn)狀沒有改變，已逐漸成為數(shù)字化設(shè)計制造的瓶頸。為了實現(xiàn)三維綜合化模型在工裝部門內(nèi)得到全面應(yīng)用，就必須研究工裝MBD模型的定義與管理技術(shù)。若采用文獻(xiàn)[7]飛機(jī)產(chǎn)品MBD定義方法，則表達(dá)信息量巨大，定義方法繁瑣，工裝部分需求信息缺失，如光學(xué)工具球點(Optical Tooling Points, OTP)，增強(qiáng)坐標(biāo)系(Enhance Reference System, ERS)，工裝申請單等信息，因而這種定義方法并不能滿足工裝部門的使用。若采用文獻(xiàn)[9]的標(biāo)注管理方法，則標(biāo)注不靈活，操作麻煩。鑒于上述原因，本文對面向工裝的MBD模型進(jìn)行研究，并開發(fā)了一套基于MBD的工藝裝備數(shù)字化定義與管理工具。

1 工裝MBD模型定義

1.1 數(shù)學(xué)建模

安裝配單元分類，工裝MBD模型可分為總裝模型、組件模型和零件模型。總裝模型用于保障飛機(jī)制造或裝配的工藝精度；組件模型是總裝模型中的各獨立單元；零件模型是指導(dǎo)工裝零件制造的唯一依據(jù)。參考ASME Y14.41[12]、GB/T 24734[13]等標(biāo)準(zhǔn)，工裝MBD模型的組織結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 工裝MBD模型組織結(jié)構(gòu)圖

由圖1可知，無論總裝模型、組件模型還是零件模型，均包含幾何元素、標(biāo)注和特性三部分，因此它們統(tǒng)一表示為公式(1)：

式(1)中，Mt表示工裝MBD模型，包括總裝模型、組件模型和零件模型，其須滿足上游產(chǎn)品、工藝MBD模型的設(shè)計要求；Gi表示模型幾何元素；Aj表示模型表面的標(biāo)注信息；Pk表示模型的特性信息。工裝MBD模型的組成實例，如圖2所示。

圖2 工裝MBD模型實例

模型幾何元素指在工裝建模中所使用的幾何形狀信息。幾何元素Gi可表示為公式(2)：

式(2)中，Gm，Ga分別表示模型主幾何元素和輔助幾何元素。主幾何元素描述工裝實體造型特征，反映了加工后工裝成品的真實形貌；輔助幾何元素只在建模過程中輔助描述主幾何體的區(qū)域狀態(tài)，在實際生產(chǎn)過程中不需要加工制造，如描述零件毛料的包絡(luò)體，標(biāo)識零件需特殊工藝處理的平面區(qū)域等。

標(biāo)注采用指引線的方式表達(dá)與特征區(qū)域有緊密關(guān)聯(lián)度的非幾何制造信息，它顯示在三維幾何模型區(qū)域。標(biāo)注Aj可表示為公式(3)：

式(3)中，Ad,At,Ar,An,Aa分別表示尺寸（公差）、形位公差、表面粗糙度、注釋和基準(zhǔn)。其中：尺寸（公差）描述工裝制造裝配的尺寸精度要求；形位公差描述了工裝的形狀和位置精度要求，包括形狀公差和位置公差；粗糙度反映了零件加工后的表面質(zhì)量要求；注釋一般采用文本、旗注的方式描述特征區(qū)域的一些特殊要求，如多工位件、表面處理說明等；基準(zhǔn)是確定其他特征位置、形狀的依據(jù)。

特性用于描述整個零件、組件、總裝的非幾何制造信息，如工裝人員、材料注釋、工裝制造等信息。每條特性以字符串類型的參數(shù)形式放入工裝目錄樹或?qū)傩灾?，特性描述由特性?biāo)識名稱與特性值組成，形式上如“參數(shù)名=參數(shù)值”。為便于查閱和操作，同類型特性需放入同一容器以便歸類統(tǒng)一管理。特性Pk可表示為公式(4)：

式(4)中，Pg,Pp,Pa分別表示幾何圖形集、參數(shù)集、屬性。幾何圖形集和零件屬性可用作零件特性容器，參數(shù)集和裝配件屬性則作為總裝、組件的特性容器。

表1 工裝MBD模型目錄樹結(jié)點分類說明

1.2 工裝模型信息

工程圖紙上的各類信息是散亂的，故難以對其進(jìn)行形式化表達(dá)、共享和重用[14]。MBD技術(shù)將這些信息進(jìn)行了結(jié)構(gòu)化分類和存儲，這樣可被計算機(jī)檢索、管理[15]。工裝與飛機(jī)產(chǎn)品在設(shè)計制造過程中的需求信息明顯不同，根據(jù)工裝MBD模型的組織結(jié)構(gòu)，表1對CATIA目錄樹節(jié)點的工裝模型信息進(jìn)行了分類說明。

工裝MBD定義技術(shù)不僅要求需將工裝需求信息表達(dá)出來，而且要以最簡單的方式加以表達(dá)。以焊接件為例，若先將焊接件各部分零件單獨設(shè)計出，然后在裝配環(huán)境下加以約束，最后添加焊接要求，則各部分零件間無法相互參考，設(shè)計和裝配麻煩，無法體現(xiàn)MBD的優(yōu)越性。若焊接件各部分在同一零件環(huán)境下以幾何體的形式進(jìn)行設(shè)計，則可彼此參考特征，再結(jié)合開發(fā)的焊接標(biāo)注功能，亦可方便和完整地定義焊接件，如圖3所示。

圖3 焊接件簡化表示方法

2 工裝MBD信息管理

2.1 工裝MBD特性管理

由式(4)可知，工裝特性分布廣泛，雖然已按表1進(jìn)行規(guī)范化表達(dá)，但查閱和提取相關(guān)特性依舊繁瑣不便。本文采用基于集成界面分類顯示的工裝MBD特性信息管理方式可有效管理各類別的特性信息，如圖4所示。對于工裝特性信息管理，集成界面的作用有2個：

（1）定義工具；

（2）查詢和修改工具。

圖4 基于集成界面分類顯示的MBD特性信息管理

在未定義工裝特性信息時，集成界面將作為定義工具。工程人員需在界面內(nèi)按類別完成工裝需求信息的填寫。填寫方式有3種：①系統(tǒng)自動填寫，②下拉菜單選取，③手動填寫。工裝需求信息填寫完成后，系統(tǒng)將會按表1的標(biāo)準(zhǔn)自動進(jìn)行規(guī)范化表達(dá)，將各特性分別保存到幾何圖形集、參數(shù)集和屬性中。

在已定義工裝特性信息時，集成界面將作為查閱和修改工具。啟動界面時，系統(tǒng)將自動從各容器中讀取特性，并分類匯總到界面中，從而工程人員可輕松查閱相關(guān)特性信息。工程人員也可修改界面內(nèi)相關(guān)特性，此時容器中的對應(yīng)特性也將發(fā)生更改。

2.2 工裝MBD標(biāo)注管理

無論是裝配件還是零件都有數(shù)量眾多的標(biāo)注信息，它們覆蓋整個工裝幾何模型，形成應(yīng)用的混亂與不便。因此，為了方便有條理地查閱和使用標(biāo)注信息，需要提供相應(yīng)的組織和管理辦法。

標(biāo)注信息的組織管理問題通常采用標(biāo)注平面和捕獲面的方法來解決。利用不同角度、不同位置的標(biāo)注平面來組織所有標(biāo)注信息。同時，利用捕獲面來快速查找和清晰顯示某視角的標(biāo)注記錄。為讓熟悉二維圖紙的工程人員更易接受工裝MBD模型，本文對標(biāo)注平面進(jìn)行了規(guī)范，只采用3個相互垂直的標(biāo)注平面。由于類似三視圖，因而稱此方法為基于三視圖的MBD標(biāo)注信息管理，如圖5、圖6所示。

圖5 標(biāo)注平面

圖6 捕獲面

在實際應(yīng)用中，下游用戶并不會瀏覽和使用所有類別的信息，例如工裝檢驗部門更關(guān)心含有公差的尺寸，若整個模型只顯示公差尺寸，而屏蔽其余所有類別的標(biāo)注信息，可簡化模型，方便檢驗人員查閱，這將大大提高工作效率。因此，對工裝MBD標(biāo)注信息管理除了具有組織與捕獲功能外，還需有按要求顯示與隱藏標(biāo)注信息的功能。圖7是本文提供的一套標(biāo)注分類顯示方案，具體可實現(xiàn)以下3種功能：

圖7 基于分類顯示的MBD標(biāo)注信息管理

（1）方便地顯示或隱藏所有標(biāo)注信息；

（2）根據(jù)需要按類型顯示或隱藏標(biāo)注信息；

（3）只顯示用戶所選組件的標(biāo)注信息。

3 應(yīng)用實例

根據(jù)以上研究，利用Visual Studio 2005 組件應(yīng)用架構(gòu)(Component Application Architecture，CAA)技術(shù)在CATIA V5R18平臺上開發(fā)了基于MBD的飛機(jī)工藝裝備數(shù)字化定義與管理系統(tǒng)，由零件MBD定義模塊、裝配件MBD定義模塊、標(biāo)注分類顯示等模塊組成。該系統(tǒng)已在某大型航空企業(yè)工藝裝備部門得到了良好的應(yīng)用。

圖4的功能可利用零件和裝配件MBD定義模塊來加以實現(xiàn)，工程人員在該兩個模塊中可以很方便地對工裝特性進(jìn)行分類定義、修改和查閱。模塊下拉菜單中的常用特性信息，可通過“+”“-”按鈕進(jìn)行添加和刪除，并更新保存到相應(yīng)的XML文件中。此外，在零件模塊中還可以快速生成毛坯包絡(luò)體，簡化表達(dá)系列件、標(biāo)準(zhǔn)件、數(shù)控件、焊接件等特殊工裝零件；在裝配件模塊還可以完成組件的遍歷定義與單獨定義，遍歷生成OTP及ERS坐標(biāo)，簡化標(biāo)注多工位件。通過零件與裝配件MBD定義模塊，工程人員就可以很完整地定義出工裝零件、組件、裝配件的各類需求信息。圖8是上述功能的具體實例。

圖8 零件、裝配件MBD定義模塊

完成工裝產(chǎn)品的實體建模后，利用CATIA內(nèi)自帶的PFT&A和FT&A模塊可分別對裝配件和零件進(jìn)行標(biāo)注，按基于三視圖的方式對工裝MBD標(biāo)注信息進(jìn)行管理。利用標(biāo)注分類顯示模塊，就可實現(xiàn)圖7的功能，篩選出所需標(biāo)注，從而簡化模型，方便查閱，實例如圖9所示。標(biāo)注分類顯示模塊在零件環(huán)境和裝配環(huán)境下均能運(yùn)行。

圖9 標(biāo)注分類顯示模塊

4 結(jié)論

（1）研究了工裝MBD模型定義技術(shù)，利用幾何元素、特性和標(biāo)注3種方式完整定義了工裝模型信息。

（2）研究了基于集成界面分類顯示的特性管理模式、基于三視圖的標(biāo)注管理模式和標(biāo)注分類顯示方法，有效管理了MBD模型非幾何信息。

（3）開發(fā)了基于MBD的飛機(jī)工藝裝備數(shù)字化定義與管理系統(tǒng)，并在某大型航空企業(yè)工藝裝備部門得到了應(yīng)用。

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