基于MBD的飛機裝配技術發展及應用分析

蔡國慶 薛宏

中航西安飛機工業集團股份有限公司 陜西 西安 710089

引言

飛機數字化MBD技術正在型號產品中推進實施，三維設計模型作為設計交付載體，成為復雜產品研制過程的唯一依據，迫切需要保證其完整性和準確性。航空、汽車等領域已構建起以模型為核心的復雜產品質量管理方法，建立相應的技術規范和業務流程，以支持研制過程中的質量業務協同。飛機上搭載了大量用于動力、電氣、作戰和生活保障等系統的設備和裝置，數量以千、萬型計。在研制過程中，為有效提升型號產品設計質量，質量管理部門會提前制定設備建模檢查細則，針對具體任務，組織專人進行質量檢查，并形成質量過程記錄表，要求相關設計人員完成整改工作，實現質量歸零[1]。飛機設備建模布置是飛機研制過程中的重要工作之一。裝配設備技術成熟度不僅受限于采購狀態，還受自身技術狀態和機內布置要求確定性的影響。此外，位置、容量、結構、系統狀態等頻繁調整，使得機內設備布置協調變更頻繁。而對應不同設計階段的任務節點，均需對裝配設備開展質量檢查，以往依靠人工逐項校對審核，費時費力，且易產生誤檢查。因此，有必要結合研制業務流程，采用信息化手段正確梳理質量檢查過程中的相互作用與制約關系，開發質量檢查工具，從而有效提升檢查效率和準確率。

1 相關概述

1.1 MBD技術規格

MBD(model based defination）是一種基于模型定義的技術，有時也稱為數字產品定義，它是一種計算機輔助的數字定義技術，其核心是使用集成的三維實體模型充分表達產品定義信息并允許制造設計。MBD技術使三維實體模型成為制造的唯一基礎，從而改變了傳統的二維圖紙和基于三維實體模型的制造方法，以避免制造過程中的差異。

1.2 MBD的組件數據集

組件數據集是組件模型、產品模型或產品工藝模型、工藝信息、裝配順序等信息的集合。這是在飛機流程設計過程中安裝零部件、在特定裝配位置安裝零件所必需的，這是流程設計的結果，也是實現公差分配仿真和裝配流程仿真的唯一基礎。MBD是一種定義方法，它使用集成的三維實體模型來完全表示生成的信息。在飛機數字裝配技術系統中，裝配數據集由設計人員使用MBD技術生成，為裝配的安裝和檢查提供了基礎。MBD組件工藝模型包括有關組件工藝的信息、安裝列表和3D實體模型中組件資源的說明[2]。MBD組件模型由一系列MBD零件模型以及以文字表示的注釋和屬性數據組成的組件零件列表。由于產品不同于數字原型，MBD組件模型包含許多輔助信息，如參考曲面、標準內容、輔助平面、直線、空間定位點等。以及構成產品的數字原型。產品數據集可以分為單模型數據集和多模型數據集，具體取決于模型的內容量。如果尺寸允許，您可以使用單一模型資料集，也就是說，將所有幾何模型放置在單一模型中。如果大小太大，請使用多模式方法，在這種情況下，每個拆分的數據集都必須有一個通用滑塊。此外，組件模型是在本地坐標系中定義的，并且在定義組件模型時必須盡可能簡單，因為每個組件都包含零件和零件之間的關系、裝配零件的位置、標識和數量。由于安裝模型是在machine坐標系統中定義的，因此每個安裝模型都必須包含諸如其在machine坐標系統中的位置、其識別以及構成組件/安裝的零件數目等資訊。所有支持數字預裝配（DPA）的模板都必須定義一個物理模型以支持下游用戶的工作。但是，在定義組件/裝配時，并非所有組件零件都可以使用。對于標準零件（例如填充物、靜態接頭、絕緣體和接頭），請使用+符號來指示螺栓及其在組件/裝置3D模型中的位置，而不是定義螺栓詳細資料。

1.3 飛機裝配中MBD技術的發展

MBD技術在使用過程中，將飛機裝配成三維數字形狀原型，進一步豐富了設計和制造系統的功能，并為飛機整個壽命周期的測試、飛機試驗飛行和飛機設計等多項工作提供了技術支持在目前的發展階段，MBD技術只能通過構建一個完整的三維數字制造系統，初步提高產品生命周期搜索鏈中基于數據模型的產品設計和制造能力，而搜索系統仍有待優化和改進，以便因此，設想方案、功能模型和績效模型方面的重大進展應在今后的發展中得到進一步加強，同時提高用戶和供應商之間的服務安全性，并更全面地采用MBD技術。同時，在飛機裝配過程中需要進一步加強虛擬現實和人工智能的應用，以便MBD技術分析能夠有效地應用于產品的設計、測試和制造，從而有效地促進l裝配水平的不斷提高

2 裝配工藝仿真與優化

裝配工藝仿真與優化是在三維環境下，利用飛機三維輕量化模型對裝配工藝進行仿真分析，驗證裝配工藝設計的合理性，并針對工藝中不合理的內容進行優化，裝配工藝仿真包括裝配路徑仿真、裝配精度仿真等。飛機裝配涉及線纜的鋪設、接插件的接插等內容，實際裝配中常常因為對裝配路徑考慮不周而造成接插件無法接插等問題。在工藝設計環節，預先進行裝配路徑仿真，對裝配過程中零件、工裝及工具的可達性、操作空間的開敞性開展仿真驗證，同時檢查零件和工裝等資源在裝配過程中是否會發生干涉。若裝配工藝不合理，根據仿真結果對裝配工藝進行優化改進。裝配精度仿真是針對產品的關鍵特性，利用飛機及工裝的三維輕量化模型，根據裝配工藝中零組件的定位方式建立零組件及工裝之間的裝配約束關系，并引入零組件和工裝制造偏差，建立裝配偏差傳遞模型，對裝配精度進行統計預測分析，并據預測結果優化導致裝配精度超差的裝配工藝內容，包括零組件裝配順序、定位方案以及工裝精度的優化等。飛機的裝配精度分析目標一般包括前后滑塊的平面度的同軸度以及安裝角等。

3 基于MBD的飛機裝配技術發展及應用分析

3.1 基于MBD的飛機裝配工藝規劃

由于當前飛機產品的結構層次較多，為切實降低裝配工作的難度，在實際工作過程中，相關工作人員可以利用設計工藝將不同層次的MDB模型劃分成不同的裝配單元，并盡量減少裝配單元零件的數量，然后依據轉配單元間具體的約束關系建立同一層次的局部有向圖。

3.2 測量具有特殊重要性的組件

MBD提供了廣泛的數字裝配應用，使GPS（全球定位系統）和激光跟蹤等先進技術設備能夠實現對零件尺寸和規格的實時精確控制。數字測量組件通常與測量系統一起應用，首先從測量系統中捕獲與零件相關的參數，然后再將其與理論數據進行比較。如果數據不符合產品要求，則受影響的人員可以自動或人工調整其位置，直到收集到的數據在允差范圍內[3]。事實證明，這種技術的應用省略了正常的投票階段。當錯誤收集問題得到解決時，協調的準確性會提高。產生積極影響的主要原因是安裝速度和部件效果。此外，產品轉換和制造所需的時間大大減少，您通常只需更改記錄即可獲得新產品。進入預裝配試驗臺后，受影響者可以使用計算機上的檢測點進行可測量的測量，以獲得可測量的結果。裝配效率在處理和定位真實物體肢體時更有希望。基于MBD執行與部件設計相關的任務的首選方法是數字方法。安裝列車由飛機坐標系的坐標值確定。通常，只有高精度測量技術才能保證產品的整體質量。通用測量儀不符合要求，條件允許時，受影響人員可以購買激光跟蹤器來支持裝配檢測。基于NC和MBD技術的組件需要通過提高零件生產和匯編的精度來更好地協調。測量系統可讓您根據情況選取最小平方轉換方法或軸對齊方式，以明確地確定刀具球的實際坐標值，以確保刀具軌跡值透過建立基礎坐標系來對應MBD產品參數。安裝零件時，使用激光捕獲工具可以輕松地確定刀具點位置的坐標。考慮到理論坐標和實際坐標難以避免，可以根據實際情況調整定位裝置的位置，以確保實際坐標盡可能接近理論坐標，然后確定定位裝置的位置。在制造節點的末端，根據刀具球的位置給出刀具球的測量值。

3.3 套用孔萃取

由于數據不完整，飛機組件的實際運行需要ca。大型飛機設計中存在150萬至200萬個接頭，機械連接是主要實現方法。某些飛機模型設計目前在CATIA模型文件中表示為零件對象、模型文件等。這改進了提取組件孔信息的實際應用，以簡化產品設計過程中的元素對象集成（幾何信息、文本數據），并重新利用產品元素的關聯技術進行相應的產品開發。飛機零件裝配技術使用深度、面積大小、唇平滑度等提取孔信息[4]。它使用CAD相關的開發階段來完成相應的裝配孔信息，以確保MBD技術和各種模型處理應用。整合上游生產線上的存儲、分類、挑庫、運輸等業務流程，并執行創建節點設計所需的集中對象管理。這樣可以避免連接孔裝配的元件裝配信息碎片化，并為MBD技術和模型的裝配提供實用的結果。有關科學家通過開發CAA孔信息提取開發工具、優化用戶界面裝配列表和裝配操作、手動刪除實際裝配模型以及為數字裝配技術奠定基礎，簡化了用戶交互列表和裝配操作的處理。

3.4 現場應用模式

裝配可視化技術是將產品設計信息、制造資源和工藝設計信息數字化傳遞到所演示的車間。將網絡安裝到裝配車間的裝配站，安裝生產數字化設備，將三維數據傳送到裝配位置，使用多媒體裝配信息、三維產品數據和三維裝配數據在數字環境中將其傳送到飛機裝配。

3.5 關鍵裝配特性的識別與研究

3.5.1 關鍵裝配特性分析。關鍵裝配特性是指在實際裝配過程中，參與到裝配工作中零部件的結構、尺寸、形狀等會對裝配協調工作產生影響的幾何特征。裝配協調性則是指參與到裝配工作中的零部件相互之間幾何參數相互配合關系的一致程度。在基于MBD飛機裝配技術應用的過程中，關鍵裝配特性不僅明確了零部件裝配工作中應重點控制的對象，還映射了裝配設計的部分要求。這種情況的出現一方面為裝配質量監測工作提供了參數依據，另一方面降低了以關鍵裝配特性為中心的監測數據模型構建的難度。

3.5.2 關鍵裝配特征的識別方法。由于在飛機裝配工作過程中，從最初提出的裝配需求到最終裝配方案的成型，都離不開關鍵裝配特征的選擇工作。因此，關鍵裝配特征的選擇效果與飛機裝配工作質量間存在著直接的聯系。在飛機裝配初始階段，可以從裝配需求的角度對關鍵裝配特征進行篩選預定義。但隨著裝配工作的逐漸推進，裝配零部件的復雜度、數量等不斷增長，大大提升了從裝配零件幾何特性中識別關鍵裝配特征的難度。因為此時概括性的關鍵裝配特征已經無法滿足裝配工作的實際需要，所以需要對關鍵裝配特征進行進一步的細化分解。但需要注意的是，在飛機裝配過程中，若關鍵裝配特征過多，可能會導致裝配測量和控制工作的工作量大幅度增加，從而影響后續裝配工作的順利進行。

4 結束語

隨著飛機數字化設計技術的應用，MBD模型數據已經成為飛機研制的重要依據。深入分析飛機設備質量檢查細則，從型號研制任務入手梳理飛機設備數字化質量審查流程，探明設備模型入庫檢查、設備庫狀態檢查以及飛機設備布置檢查技術路線，基于CAA二次開發工具實現相關功能，打通了飛機設備質量檢查的數據傳遞。在工程型號中能夠較好應用，有助于檢查人員快速高效地完成檢查任務，避免大重復工作。