基于MBD的三維裝配工藝設計技術研究

中機生產力促進中心□陳 杰

中國標準化研究院□馬義博

中機生產力促進中心□潘康華

基于模型的定義（Model Based Definition，MBD）技術是將產品的所有相關設計定義、工藝描述、屬性和管理等信息都附著在產品三維模型中的先進數字化定義方法。隨著計算機技術的發展和三維CAD技術的成熟、普及，產品定義技術經歷了“二維設計、二維出圖”， “三維設計、二維出圖”到MBD全三維數字化設計三個階段。在技術應用方面，國外發達國家在航空航天產品的設計制造領域，都已實現了MBD技術對傳統生產方式的改造，如美國空軍JSF戰斗機和空客A380的研制都是成功的范例。洛克希德馬丁公司在JSF戰機研制過程中采用數字化裝配技術，縮短了制造周期，降低了生產成本。空客公司在飛機A380研制過程中通過實施數字化設計與制造技術，也大大縮短了研制周期。近年來，隨著中國航空工業的快速發展，基于MBD的三維裝配技術在國內航空制造技術領域亦受到廣泛關注，并成為研究與應用的熱點之一。本文對基于MBD的三維裝配工藝設計技術進行了研究，在系統梳理已有研究成果的基礎上，給出了基于MBD的三維裝配工藝設計的流程，包括三維裝配工藝模型構建、裝配工藝信息標注、三維裝配工藝詳細設計及三維裝配工藝發放等內容，能夠規范和指導基于MBD的三維裝配工藝設計技術在相關行業的推廣應用。

1 三維裝配工藝模型構建

進行三維裝配工藝設計時首先需構建三維裝配工藝模型，以表達從首個裝配件模型到產品裝配成品的每個工序/工步的裝配工藝過程，裝配工序/工步模型包含裝配基準、裝配方向、裝配路徑、裝配尺寸、配合公差等工藝要求，裝配工藝模型構建包括以下步驟：

1）準備產品設計模型、產品技術規范、工藝要求等數據，將三維模型、產品BOM結構等數據導入三維工藝規劃系統，搭建裝配工藝模型構建環境；

2）對裝配零部件設計BOM結構進行調整，搭建面向裝配過程的裝配件BOM結構；

3）對產品裝配零部件的裝配步驟、裝入順序等裝配工藝過程進行分析，完成工序/工步的劃分及裝配特征的定義；

5）在工序/工步模型上進行裝配工藝內容的表達，定義產品裝配裝入件的裝配方向、裝配路徑、裝配基準、裝配關鍵尺寸、配合公差等工藝要求；

6）根據需要，在工序/工步模型創建中添加設備、工裝、工具等工藝資源模型，并裝配在工序/工步模型中用于裝配仿真驗證、三維可視化等業務需求；

7）在工序/工步節點下添加設備、工裝、模具、工時等信息，完成工序/工步模型屬性信息定義；

8）對裝配工藝模型質量進行檢查。

2 裝配工藝信息標注

三維裝配工藝模型構建完成后，一般采用工藝信息框格的型式將裝配工藝信息直接標注在三維模型上，部分不宜通過工藝信息框格表示的工藝信息通過屬性保存在三維模型中。裝配工藝信息框格如圖1所示。

圖1 裝配工藝信息框格

裝配工藝信息主要包括以下內容：

1）裝入數量。在同一工序或工步下，裝入相同對象的數量。對于多個相同零部件的裝配，僅標注一個工藝信息框格，且多個相同裝配特征都應與工藝信息框格保持查詢關聯性；

2.例文不夠多。64篇習作中老教材才出現4篇例文，主要為讀后感例文、寫信例文、縮寫例文、我的小伙伴（開頭）例文。在這4篇中有3篇是應用文。而細節描寫、修改的形式、應用文的格式等重點都沒在例文中體現，更沒有以正楷字的形式、標準的格式寫進方格中。

2）裝配工藝方法標識。以裝配工藝方法圖形符號表示，符號從裝配工藝方法圖形符號庫中獲取；

3）裝配工藝參數。裝配工藝參數為工藝方法相關的工藝參數及數值；

4）工藝資源信息。為裝配過程中使用的設備、工裝等資源信息，如資源名稱或資源型號等，從企業設備資源庫中獲取，并正確反映現實資源配備情況；

5）關鍵檢驗信息。為裝配的關鍵檢驗要求，如裝配精度范圍和測量手段等；

6）工步序列號。為當前工步在整個工序中的先后順序，使用“①”、 “②”、 “③”等表示。

3 三維裝配工藝詳細設計

三維裝配工藝模型構建完成并標注裝配工藝信息后，進行三維裝配工藝詳細設計。三維裝配工藝詳細設計主要包括以下步驟。

（1）根據三維產品或部件模型，分析裝配工藝特征

根據裝配模型，分析裝配約束，分析組件平行裝配和檢驗的可行性。基于模型進行靜態裝配干涉檢查，檢查裝配位置是否存在干涉。基于模型進行碰撞干涉檢查，驗證工裝器具裝配使用可達性。

（2）依據三維模型、工藝技術要求和生產組織條件，構建三維裝配BOM，確定整體技術要求

確定產品或部件裝配組織形式，規劃裝配工藝方法。根據產品或部件模型進行裝配分層，劃分裝配單元，構建三維可視化裝配BOM。基于模型確定裝配單元基準零件，規劃裝配單元順序。確定裝配工藝質量要求標準和檢驗方案。提出工裝設備購置或設計意見，確定工藝裝備系數。確定三維環境下裝配工藝仿真和驗證要求。

（3）根據裝配工藝方案，開展三維裝配詳細設計

以結構樹和流程圖等形式組織工藝規程結構數據，工藝規程結構數據包含工藝規程、工序、工步父子關系和緊前緊后邏輯關系。工藝規程、工序、工步對象的構建依據設計模型裝配約束和裝配BOM結構，也可根據BOM結構相似性結合典型工藝庫復用已有工藝，快速完成裝配工藝詳細設計。依據裝配BOM和裝配順序，逐級逐次構建工藝規程的工序、工步節點，定義各節點工藝內容，包括裝入件明細、裝配順序、工藝方法、工藝參數、所需工裝、設備、資源、輔助材料和工時定額。根據工藝規程設計的工藝規程結構和裝入件數據，同步構建工藝模型（包括工序和工步模型）。根據裝配工藝模型，規劃裝配順序，滿足裝配單元方向合理，裝配單元順序幾何檢查可行性，關重件裝配工藝可行性，裝配單元操作可行性，裝配工藝工裝可行性；根據裝配工藝模型，確定裝配路徑，分析判斷零部件裝配起始點，根據相對位置關系和空間坐標進行運動干涉檢查，確定可行的裝配路徑。進行工藝仿真驗證，包括裝配順序評價和優化分析，裝配路徑評價和優化分析，干涉與碰撞分析，人機工效分析及裝配工藝平衡性分析等。

4 三維裝配工藝發放

完成三維裝配工藝設計后，對三維裝配工藝數據進行簽審和發放。發放的三維裝配工藝數據包括BOM信息、工藝路線、裝配工藝模型、裝配工序模型、裝配仿真動畫、零部件明細表、工裝模型、技術要求和管理技術信息等。發放的形式主要包括在線發放、離線發放及紙介質發放等。

發放的裝配工藝數據如圖2所示，主要包括以下基本信息要素：

1）基本信息，包括零部件圖號、名稱、版本、工序名稱、設備名稱和計劃數量等內容；

2）工藝注釋信息，包括工步號、工裝代號、質量控制文件、安全控制文件、外購工具明細表、專用工藝裝備明細表、企業標準（通用）工具明細表、工位器具明細表和專用工藝裝備設計任務書等信息；

3）工藝路線，通常以樹狀形式進行表達，樹的每個節點為工序或工步；

4）裝配零部件清單，每一道工序、工步裝配的零部件；

圖2 裝配工藝數據信息要素

5）三維工序模型，即與工藝路線樹中選定節點對應的帶工藝標注信息的三維模型；

6）定額信息，包括工時定額；

7）簽署信息，包括設計、審核、批準等人員的數字簽名信息。