劉志存 孟 飆 梅中義

(1 華北理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，唐山 063009) (2 沈陽航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110136) (3 北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京 100191)

·工程實(shí)踐·

基于MBD的框類組件數(shù)字化制造方法應(yīng)用

劉志存1孟 飆2梅中義3

(1 華北理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，唐山 063009) (2 沈陽航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110136) (3 北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京 100191)

文 摘 大型框類組件的制造采用數(shù)字化制造方法具有很大優(yōu)越性，本文論述了將MBD技術(shù)應(yīng)用于框類組件的數(shù)字化制造中的方法，給出了框類組件的數(shù)字化協(xié)調(diào)路線以及MBD環(huán)境下的數(shù)字標(biāo)工建立方法及應(yīng)用方法，對提高大型框類組件的制造技術(shù)水平并顯著縮短制造周期具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

數(shù)字標(biāo)工，MBD技術(shù)，數(shù)字化

1 框類組件數(shù)字化制造模式

如今國內(nèi)外制造業(yè)中已經(jīng)廣泛使用數(shù)字化制造方法，包括零件加工和組件及部件的裝配，與傳統(tǒng)制造模式相比取得了驚人的效果，無論是效率提高還是研制周期的縮短以及制造精度的大幅提高都是傳統(tǒng)制造方式無法比擬的?？蝾惤M件也已經(jīng)開展數(shù)字化生產(chǎn)加工和裝配方式，即取消傳統(tǒng)工作鉆模和標(biāo)準(zhǔn)鉆模。因?yàn)榇蟪叽绠a(chǎn)品取消鉆模以后，由于相配合一對框組件只能分別獨(dú)立制造，如今已采用數(shù)字化制造方式獨(dú)立進(jìn)行數(shù)控加工端部鈑金框的協(xié)調(diào)孔和螺栓孔，相配合的一對框組件整圈幾十個螺栓孔及銷孔可以保證裝配過程中的配合準(zhǔn)確度。

但在產(chǎn)品標(biāo)注過程中仍然需要在二維圖中進(jìn)行，指導(dǎo)生產(chǎn)。而波音公司已經(jīng)使用的MBD技術(shù)應(yīng)用到框類組件中使得標(biāo)注在三維中進(jìn)行，使得設(shè)計(jì)制造簡單化和直觀方便。

2 基于MBD的數(shù)字化制造技術(shù)

MBD(Model Based Definition，即基于模型定義)技術(shù)是在三維設(shè)計(jì)中，產(chǎn)品所有制造有關(guān)的信息都被標(biāo)注到三維模型空間中，不再使用二維工程圖，這樣后續(xù)所有制造環(huán)節(jié)的信息取得都使用這單一的數(shù)據(jù)源[1]。在產(chǎn)品研發(fā)過程中，并行設(shè)計(jì)初期，并行IPT團(tuán)隊(duì)人員在三維設(shè)計(jì)模型中進(jìn)行各種尺寸標(biāo)注及容差標(biāo)注，產(chǎn)品設(shè)計(jì)同時依據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)形成的工程數(shù)據(jù)集進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，包括產(chǎn)品組件和部件裝配仿真、零件數(shù)字化加工模擬仿真、裝配和制造大綱等各種工藝文件編制、數(shù)控加工程序編制、零件工裝和裝配工裝設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)數(shù)據(jù)集設(shè)計(jì)、維護(hù)模型設(shè)計(jì)等，然后將設(shè)計(jì)的各種工藝文檔寫入MBD產(chǎn)品數(shù)據(jù)三維模型的節(jié)點(diǎn)中。這樣，即可使得車間生產(chǎn)人員以所見即所得的方式從車間終端上直觀得到各種產(chǎn)品三維模型及所有制造所需的工藝信息作為產(chǎn)品制造依據(jù)[2-3]。為適應(yīng)生產(chǎn)需要，在實(shí)際生產(chǎn)中企業(yè)文化、管理體制、生產(chǎn)方式、檢驗(yàn)制度等必須進(jìn)行重大變化。

MBD技術(shù)在飛機(jī)設(shè)計(jì)制造中發(fā)揮了重要作用，在數(shù)字化協(xié)調(diào)方式中定義MBD數(shù)字標(biāo)工，在統(tǒng)一基準(zhǔn)下把產(chǎn)品協(xié)調(diào)部位尺寸與形狀信息通過數(shù)字量方式直接傳遞到生產(chǎn)工裝上，保證零件工裝與裝配工裝之間、工裝與產(chǎn)品之間形狀和尺寸的協(xié)調(diào)互換。在數(shù)字標(biāo)工的定義時將標(biāo)準(zhǔn)工裝所需的全部協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)以三維標(biāo)注的方式標(biāo)注于MBD數(shù)字標(biāo)工中，使得MBD數(shù)字標(biāo)工具有極大的優(yōu)越性和方便性[4]。

在工藝容差控制方面，對產(chǎn)品進(jìn)行科學(xué)、合理、可行的容差分配，并分配到零件工裝和裝配工裝上面，然后對于零件工裝和裝配工裝的設(shè)計(jì)要求，其容差設(shè)計(jì)結(jié)果要標(biāo)注于相應(yīng)MBD數(shù)字標(biāo)工中。

3 框類組件數(shù)字化協(xié)調(diào)方案的設(shè)計(jì)

框類組件的一個部段是由一對裝配工裝進(jìn)行裝配的，首先將部段兩端的端部框定位到裝配工裝定位器上，以銷孔定位，然后以長桁連接兩個端部框，鉚接形成一個部段。端部框的定位銷孔和連接螺栓孔是數(shù)控加工的，尤其是定位銷孔的位置度要求極高，銷孔孔位則作為螺栓孔的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。一個部段的一個端部框的銷孔與相連接的另一個部段的相鄰端部框的銷孔必須具有高度協(xié)調(diào)準(zhǔn)確度。而框類組件無論是鋁合金還是復(fù)合材料其協(xié)調(diào)制造方法是相同的。

為了保證以上兩個端部框之間的高度協(xié)調(diào)關(guān)系，在當(dāng)今的數(shù)字化制造模式中采用基于MBD的數(shù)字標(biāo)工協(xié)調(diào)法進(jìn)行零件制造和裝配工裝的設(shè)計(jì)制造。

在框類組件的設(shè)計(jì)制造活動中，復(fù)合材料件在零件制造和裝配定位時采用的以MBD數(shù)字標(biāo)工為基礎(chǔ)的數(shù)字化協(xié)調(diào)方式從本質(zhì)上說與鈑金件是相同的。

根據(jù)裝配協(xié)調(diào)要求，定義零件、組件、段件、部件的關(guān)鍵協(xié)調(diào)特征，作為關(guān)鍵特性，在制造過程中的每個環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)控跟蹤，制定監(jiān)控跟蹤計(jì)劃。在并行設(shè)計(jì)初期即開始進(jìn)行數(shù)字化協(xié)調(diào)方案的設(shè)計(jì)工作，定義MBD數(shù)字標(biāo)工。

根據(jù)產(chǎn)品最終交付要求和裝配工藝方案確定各個裝配環(huán)節(jié)的交付要求。如部段最終裝配后交付要求滿足各個測量點(diǎn)的坐標(biāo)要求，為此在裝配協(xié)調(diào)方案的制定時需要給出部段對接時對接部位的協(xié)調(diào)精度要求，以滿足最終各部段對接時的總同軸度要求。

框類組件每個部段的裝配工裝都有左右(或上下)兩個端蓋(或底座與上蓋)，兩個端蓋之間要保證協(xié)調(diào)準(zhǔn)確度，目的是保證在此工裝內(nèi)部裝配完成的各個相鄰部段之間對接時的協(xié)調(diào)準(zhǔn)確度。協(xié)調(diào)方法是MBD數(shù)字標(biāo)工協(xié)調(diào)，裝配工裝每個端蓋上安裝三個定位器，每個定位器上鉆出的一個銷孔是定位端部框用的，是協(xié)調(diào)的核心點(diǎn)，用數(shù)控加工方法進(jìn)行制造，在裝配工裝進(jìn)行組裝時采用數(shù)字化測量設(shè)備(如激光跟蹤儀等)進(jìn)行數(shù)字化定位裝配，裝配工裝在制造完成后及使用過程中定期進(jìn)行工裝功能性檢查，檢查依據(jù)為MBD數(shù)字標(biāo)工。

復(fù)合材料成型模和金屬鈑金件端部框的成型模都是采用MBD數(shù)字標(biāo)工協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)和制造，然后數(shù)控加工方法進(jìn)行鉆制銷孔和一圈螺栓孔。

4 MBD環(huán)境下的框類組件數(shù)字化制造

4.1 協(xié)調(diào)路線設(shè)計(jì)

框類組件的傳統(tǒng)協(xié)調(diào)路線是以產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)制造標(biāo)準(zhǔn)鉆模，然后以標(biāo)準(zhǔn)鉆模協(xié)調(diào)制造工作鉆模，進(jìn)而鉆制產(chǎn)品端部框的定位銷孔和螺栓孔，并以標(biāo)準(zhǔn)鉆模協(xié)調(diào)制造裝配工裝的端蓋。而數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)完全改變了這種傳統(tǒng)的工作方法，它借助于計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)技術(shù)，在MBD環(huán)境下，采用三維數(shù)字化定義，把產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和零件工裝及裝配工裝全部用三維實(shí)體描述出來，并且把各種技術(shù)要求、設(shè)計(jì)說明、材料要求、尺寸要求、形位公差等幾何和非幾何信息以及各種結(jié)構(gòu)之間的相對位置關(guān)系表示清楚。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)品的虛擬裝配，檢查零件、組件、部件之間是否發(fā)生干涉以及他們之間間隙的合理性，排除某些設(shè)計(jì)的不合理性，最終形成數(shù)字樣機(jī)。數(shù)字樣機(jī)作為產(chǎn)品的制造依據(jù)，基本上實(shí)現(xiàn)了精確設(shè)計(jì)，使工程更改可減少80%以上，節(jié)省了大量實(shí)體工裝和生產(chǎn)準(zhǔn)備時間。部段零件通過數(shù)字化模型來表達(dá)，各階段可共享模型單一數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)，因此在產(chǎn)品并行設(shè)計(jì)同時，可進(jìn)行CAE分析計(jì)算、零件工裝和裝配工裝設(shè)計(jì)、工藝規(guī)程設(shè)計(jì)、可制造性分析[5]。

建立全三維數(shù)字樣機(jī)，不再依賴物理樣機(jī)，降低時間和研制成本，同時以模擬裝配盡快發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品之間以及產(chǎn)品與工裝之間的干涉和不協(xié)調(diào)現(xiàn)象。

框類組件在MBD環(huán)境下由IPT團(tuán)隊(duì)以產(chǎn)品工程數(shù)據(jù)集進(jìn)行MBD數(shù)字標(biāo)工的設(shè)計(jì)，然后據(jù)此進(jìn)行零件工裝和裝配工裝的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行產(chǎn)品之間、產(chǎn)品與工裝之間、工裝與工裝之間的協(xié)調(diào)分析、容差分配，定義關(guān)鍵特性，制定關(guān)鍵特性樹，制定關(guān)鍵特性測量計(jì)劃和控制計(jì)劃，制定以關(guān)鍵特性為中心產(chǎn)品質(zhì)量工程，保證最終的產(chǎn)品質(zhì)量要求[6]。對框類組件實(shí)施MBD環(huán)境下的數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)路線設(shè)計(jì)如圖1所示。

4.2 框類組件并行產(chǎn)品數(shù)字化定義

在并行設(shè)計(jì)階段初期由IPT團(tuán)隊(duì)對框類組件進(jìn)行設(shè)計(jì)，建立產(chǎn)品三維MBD模型，進(jìn)行三維尺寸及容差等的三維標(biāo)注，建立三維產(chǎn)品MBD數(shù)據(jù)集。根據(jù)框類組件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和制造特點(diǎn)，建立三維零組件庫，便于各型號的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。IPT團(tuán)隊(duì)需要對產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的模型隨時進(jìn)行工藝性分析和可測量性分析，隨時更改，及早發(fā)現(xiàn)錯誤，盡力減少后續(xù)階段的返工。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品三維模型還包括所有制造和檢驗(yàn)所必需的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，以便于后續(xù)工作中有足夠的設(shè)計(jì)制造依據(jù)，這就是并行工程的優(yōu)越性。產(chǎn)品的非幾何信息包括各種有關(guān)的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、全機(jī)坐標(biāo)系、局部坐標(biāo)系、全機(jī)基準(zhǔn)系統(tǒng)、產(chǎn)品及工裝的公差及尺寸標(biāo)注、工程說明、材料需求說明、詳細(xì)的裝配說明、安裝要求、產(chǎn)品和工裝數(shù)據(jù)集所需遵循的數(shù)字化定義標(biāo)準(zhǔn)等信息，這些信息需定義在MBD數(shù)據(jù)集中的若干節(jié)點(diǎn)中。

框類組件的MBD數(shù)據(jù)集中需給出零組件的工藝信息，包括零件制造工藝信息、裝配工藝信息、各種工程說明等非幾何信息，建立工藝節(jié)點(diǎn)。

產(chǎn)品及工裝的MBD模型中還包括有產(chǎn)品及工裝的屬性信息，如模型創(chuàng)建的相關(guān)信息(作者姓名、設(shè)計(jì)日期等)，更改信息(更改說明、版次及依據(jù)等)。

對于機(jī)加件，為了滿足各種所需機(jī)床加工需要，在MBD數(shù)據(jù)集中需要標(biāo)注詳細(xì)的三維尺寸和公差信息以取代二維工程圖所給出的信息。對于鈑金件的設(shè)計(jì)，需使用專用鈑金設(shè)計(jì)模塊，這樣可進(jìn)行鈑金件的毛料展開。對于復(fù)合材料零組件的設(shè)計(jì)，要用專用的復(fù)合材料設(shè)計(jì)模塊，進(jìn)行鋪層和材料定義，以便于后續(xù)需要進(jìn)行的數(shù)控加工。

裝配件的MBD工程數(shù)據(jù)集和工裝數(shù)據(jù)集包括零件模型和裝配件模型，可從中自動取得EBOM和MBOM信息。后續(xù)的制造過程中，車間裝配工人可從MBD工程數(shù)據(jù)集和工裝數(shù)據(jù)集定義中方便地取得裝配材料信息、連接件的位置信息及定位特征信息以及關(guān)鍵特性信息。

4.3 框類組件數(shù)字標(biāo)工定義

框類組件的裝配工裝的設(shè)計(jì)制造需要以數(shù)字標(biāo)工為協(xié)調(diào)依據(jù)進(jìn)行，MBD數(shù)字標(biāo)工中的數(shù)字化協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)是框類組件制造中的全數(shù)字化協(xié)調(diào)依據(jù)，需要由專門IPT設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)和定義，需要由產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員、工藝人員和工裝設(shè)計(jì)人員共同參與，在并行設(shè)計(jì)階段給出，用于協(xié)調(diào)產(chǎn)品和工裝，是制造和檢驗(yàn)生產(chǎn)工裝的數(shù)字量協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)，是保證工裝之間、產(chǎn)品組件和部件之間的尺寸和形狀互換協(xié)調(diào)的重要依據(jù)。

基于MBD的數(shù)字化協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)定義于數(shù)字標(biāo)工模型中，定義節(jié)點(diǎn)。數(shù)字化協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)應(yīng)該包括：坐標(biāo)系、協(xié)調(diào)特征模型(如孔位特征及孔軸向定位特征等)、基準(zhǔn)系統(tǒng)、銷孔直徑及其公差、形位公差標(biāo)注、根據(jù)需要包括的框軸線、長桁軸線、定位銷孔孔位軸線及其位置容差、協(xié)調(diào)位置的要求標(biāo)注、協(xié)調(diào)位置檢查要求標(biāo)注、協(xié)調(diào)各個型架需要的協(xié)調(diào)特征標(biāo)注說明、協(xié)調(diào)位置的相關(guān)要求、相協(xié)調(diào)的工裝定檢要求及操作方法、及工裝裝配和檢驗(yàn)所需的工裝定位公差。

框類組件數(shù)字標(biāo)工模型結(jié)構(gòu)樹如圖2所示。

4.4 框類組件裝配工裝設(shè)計(jì)制造

框類組件相配合的兩個部段在總裝對接時是將兩個相鄰部段以銷孔定位相互關(guān)系，然后進(jìn)行螺栓孔連接，所以一號部段的右框與二號部段的左框就具有配合關(guān)系，而在部段內(nèi)部自身裝配時一號部段的右框與二號部段的左框分別定位在同一裝配工裝的右端蓋和左端蓋上，也就是說，裝配工裝的左右端蓋必須具有準(zhǔn)確度極高的協(xié)調(diào)關(guān)系。部段內(nèi)部裝配時端部框以銷孔為定位基準(zhǔn)定位于左右端蓋，而總裝時兩個部段對接裝配時是以螺栓連接，所以必須保證兩個框間相配合的螺栓孔的配合準(zhǔn)確度，這由端部框的數(shù)控加工來保證。

由于在MBD數(shù)字標(biāo)工中已經(jīng)定義了關(guān)鍵的協(xié)調(diào)特征，即定位銷孔的數(shù)據(jù)，在部段的裝配工裝中安裝銷定位器，每個定位銷孔位置安裝一個該種定位器，而每個定位器都是在其相應(yīng)MBD數(shù)字標(biāo)工的協(xié)調(diào)下進(jìn)行數(shù)控加工的，在定位器安裝到裝配工裝上時以MBD數(shù)字標(biāo)工中的協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行數(shù)字化測量定位，然后以三個螺孔緊固于裝配工裝端部。

在裝配工裝的日常維護(hù)中需要進(jìn)行工裝定檢，而檢驗(yàn)依據(jù)為以MBD數(shù)字標(biāo)工(產(chǎn)品檢測標(biāo)工)進(jìn)行定義的工裝檢驗(yàn)數(shù)據(jù)集，工裝檢驗(yàn)數(shù)據(jù)集的定義由IPT團(tuán)隊(duì)在工裝設(shè)計(jì)階段進(jìn)行設(shè)計(jì)和定義。

在裝配工裝制造完成后立即需要進(jìn)行工裝的功能性檢驗(yàn)，在長期使用中的維護(hù)之中也需要進(jìn)行工裝定位器的功能性檢驗(yàn)。而工裝的功能性檢驗(yàn)所需的測量依據(jù)則是工裝的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)集。

5 結(jié)論

框類組件的數(shù)字化設(shè)計(jì)制造方式中，MBD環(huán)境下的數(shù)字標(biāo)工為依據(jù)的協(xié)調(diào)方法使得框類組件的設(shè)計(jì)制造更加直觀、便于制造和檢驗(yàn)、提高研制效率、降低研制周期，為保證質(zhì)量前提下的按時交付提供了最有利的條件，可以解決大尺寸產(chǎn)品數(shù)字化制造中的技術(shù)難題，使框類組件的制造產(chǎn)生革命性變化。

[1] 周秋忠，范玉青.MBD技術(shù)在飛機(jī)制造中的應(yīng)用[J].航空維修與工程，2008(3):55-57.

[2] 阮超峰.MBD技術(shù)在航空制造業(yè)中的應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程,2014(6):83-85.

[3] 王巍,等.MBD技術(shù)在某型飛機(jī)垂尾前緣制造中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2013(10):26-29.

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[6] 劉志存，鄒冀華，范玉青.框類組件制造關(guān)鍵特性分析研究[J]宇航材料工藝，2006,36(6):56-60.

Application of Digital Manufacturing Method in Subassembly of Frame Kind Based on MBD

LIU Zhicun1MENG Biao2MEI Zhongyi3

(1 College of Mechanical Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan 063009) (2 Key Laboratory of Fundamental Science for National Defense of Aeronautical Digital Manufacturing Process, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136) (3 School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijing 100191)

There is a large superiority in digitalize manufacturing of large subassembly of frame kind. In this paper the method of application of MBD technology to subassembly of frame kind digital manufacturing is discussed. Digital coordination line of subassembly of frame kind and designing method of digital master tooling and its applying method on MBD environment is provided. It has important practical meaning in improving our subassembly of frame kind manufacturing technology and shorting its manufacturing cycle.

Digital master tooling, MBD technology, Digitalization

2016-04-20

劉志存，1965年出生，博士，副教授，主要從事機(jī)械制造技術(shù)及航空航天制造技術(shù)的研究工作。E-mail：doctorlzc@163.com

TH14,TP29

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.01.018