基于MBD的飛機數(shù)字化裝配技術(shù)研究

汪小雨 原 蒙

（中航陜飛集團有限公司，漢中 723200）

作為航空制造行業(yè)主要發(fā)展趨勢，應用全三維基于特征的表述方法（Model Based Definition，MBD）可使相關(guān)制造工作表現(xiàn)出更接近理想狀態(tài)的效率。基于MBD所開展的飛機裝配相關(guān)工作，強調(diào)將各部門信息存儲在指定數(shù)據(jù)集中，經(jīng)由研制管理+數(shù)據(jù)管理，通過協(xié)同作業(yè)的方式，提升產(chǎn)品的設計速度，賦予其更理想的可制造性。現(xiàn)階段，該技術(shù)已得到較為廣泛的應用，圍繞其展開研究是大勢所趨。

1 MBD技術(shù)介紹

MBD技術(shù)主要用來數(shù)字化定義處理產(chǎn)品，強調(diào)按照特定模型組織產(chǎn)品定義相關(guān)參數(shù)。該技術(shù)依托基礎(chǔ)為產(chǎn)品模型，相關(guān)參數(shù)及信息均由模型展示，如管理信息和工藝描述等。除特殊情況外，它無需繪制二維圖紙[1]。作為以三維模型為載體表達產(chǎn)品定義信息的技術(shù)，MBD對經(jīng)由模型所展示產(chǎn)品的規(guī)格和標注公差需要遵循的規(guī)則等內(nèi)容做出了明確規(guī)定。該技術(shù)表達產(chǎn)品信息的形式如圖1所示，可見MBD與既有技術(shù)的區(qū)別主要是將三維模型視為制造產(chǎn)品所依托的唯一主體。不僅提升了制造速度，而且更接近預期的產(chǎn)品精準度。

圖1 MBD模型

2 數(shù)字裝配模型介紹

MBD的表現(xiàn)形式是基于三維模型表達產(chǎn)品定義，主要用來展示產(chǎn)品公差和規(guī)格參數(shù)。基于該技術(shù)開展飛機裝配作業(yè)，強調(diào)以實踐為載體，借助三維模型為產(chǎn)品制造環(huán)節(jié)具有的形式依據(jù)提供保障，確保達到預期的制造效率[2]。結(jié)合飛機裝配流程可知，MBD模型的特點主要是能夠借助文字及圖形，確保物料項提出的功能需求得到直觀展示。該技術(shù)所依托的分類標準主要有零件模型和裝配模型，還有數(shù)據(jù)集和零件列表。

3 相關(guān)技術(shù)優(yōu)化策略探究

3.1 完善設計體系

應用MBD開展數(shù)字裝配作業(yè)，通常要求嚴格監(jiān)管裝配指令。制定設計方案時，有關(guān)人員應以各構(gòu)造階段所表現(xiàn)的特點為依據(jù)，有序推進設計路徑、模擬工藝等環(huán)節(jié)，根據(jù)實際情況調(diào)整既有裝配規(guī)劃，確保最大化呈現(xiàn)數(shù)字裝配優(yōu)勢。現(xiàn)有軟件平臺強調(diào)以三維裝配系統(tǒng)為基礎(chǔ)，借助數(shù)字工藝工程（Digital Proces Engineer，DPE）和數(shù)字制造工藝（Digital Proces Manufacture，DPM）等技術(shù)，在打造可視環(huán)境的前提下，基于頂層設計相關(guān)原理，使產(chǎn)品設計與裝配環(huán)節(jié)均有符合實際需求的有效路徑，減小不必要問題出現(xiàn)的概率[3]。MBD的作用主要是提升規(guī)劃處理和設計可行性，為數(shù)字裝配相關(guān)操作的有效性提供保證。

3.2 重視測量裝配

MBD為數(shù)字裝配提供了廣闊的應用空間，相關(guān)技術(shù)強調(diào)依托室內(nèi)全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）和激光跟蹤等先進技術(shù)設備，在實時檢測零件尺寸與規(guī)格的基礎(chǔ)上，根據(jù)實際情況采取切實可行的措施，確保零件形狀得到嚴格控制。數(shù)字測量裝配往往配合測量系統(tǒng)應用，先由測量系統(tǒng)采集零件相關(guān)參數(shù)，再對比采集數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)得出最終結(jié)論。若采集數(shù)據(jù)未達到產(chǎn)品要求，有關(guān)人員可選擇自動或手動方式調(diào)整其位置，待采集數(shù)據(jù)處于公差范圍內(nèi)，方可開展后續(xù)工作。

事實證明，應用該技術(shù)可省略常規(guī)協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)。隨著誤差積累問題的解決，協(xié)調(diào)精準度會隨之提高，由此帶來的積極影響主要體現(xiàn)在安裝速度和裝配效果方面。此外，改型并制造產(chǎn)品所需時間大幅縮短，通常只需更改數(shù)據(jù)集，便可獲得改型后的產(chǎn)品。進入工裝定檢環(huán)節(jié)后，有關(guān)人員可利用計算機測量控制點，從而獲得符合實際情況的檢測結(jié)果。隨著搬運并定位實物樣件的環(huán)節(jié)的省略，裝配效率更接近預期。

基于MBD開展零件設計相關(guān)工作，首選方法為數(shù)字化方法。通過飛機坐標系相關(guān)坐標值確定安裝基準。一般來說，只有采用精度極高的測量技術(shù)，才能保證產(chǎn)品整體質(zhì)量。常規(guī)測量機并不符合相關(guān)要求，若條件允許，有關(guān)人員可購入激光跟蹤儀，為裝配檢測提供支持[4]。

基于數(shù)控技術(shù)和MBD所形成的裝配工裝，需要通過提升零件制造與裝配準確性的方式，使裝配工裝更加協(xié)調(diào)。有關(guān)人員可借助測量系統(tǒng)明確工具球?qū)嶋H坐標值，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)實際情況選擇最小平方轉(zhuǎn)換或是軸對準的方法，通過建立基礎(chǔ)坐標系的方式，確保工具球相關(guān)數(shù)值被映射到MBD產(chǎn)品參數(shù)中。

裝配零件時，只需利用激光跟蹤儀明確工具點所在位置的坐標即可。考慮到理論坐標與實際坐標存在差異的情況難以避免，有關(guān)人員可根據(jù)實際情況調(diào)整定位器所處位置，確保實際坐標可最大限度靠近理論坐標，隨后便可確定定位器所在位置。待制造環(huán)節(jié)結(jié)束，再根據(jù)適宜位置標記工具球?qū)崪y值。

3.3 數(shù)字協(xié)調(diào)技術(shù)

MBD作為飛機數(shù)字裝配核心技術(shù)，通常圍繞飛機的主幾何開展相關(guān)工作，根據(jù)計算機所提供產(chǎn)品和工裝的對應關(guān)系確定三維模型，借助基準系統(tǒng)生成模型，制造并檢驗零件及工裝。數(shù)控技術(shù)的優(yōu)勢主要是能夠直接傳遞相關(guān)數(shù)字量，以數(shù)據(jù)量得到的物化處理為前提，配合測量技術(shù)打造數(shù)據(jù)環(huán)，用來檢測工裝和零件的安裝效果。

由此可見，MBD貫穿產(chǎn)品制造始終，根據(jù)制造流程可將其應用方向分為以下階段。首先，設計協(xié)調(diào)階段。該階段強調(diào)利用建模環(huán)境，實時傳遞零件尺寸、幾何形狀以及協(xié)調(diào)基準，根據(jù)三維模型建立特定基準，通過科學分配公差的方式，使各要素呈現(xiàn)出理想?yún)f(xié)調(diào)性。對數(shù)字化協(xié)調(diào)相關(guān)作業(yè)而言，要想使作業(yè)效果達到預期，關(guān)鍵是要將光學測量融入裝配環(huán)節(jié)，通過在裝備結(jié)構(gòu)及裝配工藝上加設動態(tài)口令（One-time Password，OTP）的方式，發(fā)揮光學測量優(yōu)勢。其次，加工協(xié)調(diào)階段。該階段的主要任務是對三維模型做工藝設計和后置相關(guān)處理，從而獲得以數(shù)字量形式呈現(xiàn)的加工指令，然后通過相關(guān)指令操控設備裝配零件。關(guān)于飛機產(chǎn)品特有零件，有關(guān)人員應控制其質(zhì)量，避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不協(xié)調(diào)或類似問題而影響產(chǎn)品有效性。最后，裝配協(xié)調(diào)階段[5]。該階段可分為兩步：一是以數(shù)字測量為載體，利用工裝零件裝配飛機型架；二是根據(jù)飛機型架裝配相關(guān)零件，獲得完整的飛機產(chǎn)品。

3.4 現(xiàn)場應用方案

MBD模式的特點主要是綜合應用仿真設計、數(shù)字建模和三維產(chǎn)品，在明確裝配流程的基礎(chǔ)上，生成生產(chǎn)圖示和裝配動畫。上述數(shù)據(jù)和產(chǎn)品可在人員培訓環(huán)節(jié)作為多媒體資料替代傳統(tǒng)二維圖紙及工藝指令。基于飛機數(shù)字裝配建立可視系統(tǒng)十分必要，強調(diào)立足工藝活動，在串聯(lián)相關(guān)參數(shù)、生產(chǎn)圖示以及裝配動畫的基礎(chǔ)上，通過車間網(wǎng)絡設備確保三維數(shù)據(jù)能夠被完整和快速地傳遞至裝配現(xiàn)場，從而為相關(guān)工作的開展提供指導。裝配現(xiàn)場應用MBD的具體模式，如圖2所示。

圖2 MBD應用模式

在前期準備環(huán)節(jié)，通過播放裝配動畫的方式，幫助有關(guān)人員明確裝配工序和各環(huán)節(jié)所用技術(shù)。此外，有關(guān)人員可借助終端設備查詢裝配相關(guān)信息，通過觀看圖示何動畫的方式，避免出現(xiàn)人為失誤。如果條件允許，還可以通過工藝信息建立鏈接打造數(shù)字環(huán)境，使集成應用工藝數(shù)據(jù)的設想成為現(xiàn)實[6]。

4 結(jié)語

對飛機裝配作業(yè)而言，隨著信息技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，基于二維文字的計算機輔助工藝過程設計（Computer Aided Process Planning，CAPP）所能取得的效果有限，因此引入可視三維技術(shù)是必然選擇。事實證明，應用相關(guān)系統(tǒng)可更加高效且精準地操作裝配指令，顯著提升面向航空制造所開展的裝配與管理工作效率。未來，相關(guān)技術(shù)仍是研究重點，需引起業(yè)內(nèi)人員的重視。