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基于MBD的航空产品首件检验关键技术研究

2019/6/19    来源:互联网    作者:杜福洲  梁海澄      
关键字:MBD  首件检验  航空  
本文研究了在MBD环境下航空产品实现首件检验的相关理论,探讨了航空产品首件检验系统实现的关键技术。

    当前,在航空制造业领域,数字化设计与制造技术得到了广泛的应用。同时,在计算机技术发展的基础上,传统的以模拟量传递为主的协调工作法逐步向全数字量传递转变。

    国外先进航空企业的成功经验证明MBD(Model Based Definition,基于模型的定义)制造模式是数字化制造的成功实践,并已制定了相应的标准规范。如波音公司对参与787研制的全球合作伙伴,采用MBD模型作为整个飞机制造过程的唯一依据。但是,当前我国航空企业数字化制造技术发展与国外相比仍有较大差距,主要体现在对于MBD技术的应用上,我国还处在探索阶段,没有形成以MBD为核心的制造模式,采用三维模型和二维图纸相结合的生产制造模式等。因此,如何实现真正的无图化、无纸化的三维数字化制造、装配与检验,将成为国内航空制造业今后发展的一个趋势。

    目前国内航空领域的产品首件检验,大多仍以二维图纸作为检验依据,造成工作效率低、管理不便和存在二义性等问题。本研究在企业调研及同内外相关研究的基础上,研究了在MBD环境下航空产品实现首件检验的相关理论,探讨了航空产品首件检验系统实现的关键技术。

1 基于MBD的技术应用体系

    MBD是用集成的三维实体模型来完整地表达产品定义信息的技术标准。MBD技术的应用使产品设计、制造和管理的方式发生了根本变化,产品生命周期管理围绕基于MBD规范的三维数模进行,基于MBD的技术应用体系如图1所示。在该技术体系中,基于MBD的数据定义是整个技术体系的基础,遵循MBD技术规范,可以建立起包含完整产品信息的三维模型。以三维模型为依据,工艺人员可以对进行产品测量规划及首件检验表单的设计。根据当前模型轻量化的理论,使用轻量化的模型视图可以给生产现场的加工、检验过程提供直观的依据。

基于MBD的技术应用体系

图1 基于MBD的技术应用体系

2 航空产品首件检验要求

    根据HB9102标准定义,首件检验是一个完整的、独立的并文件化的物理的和功能的检验过程,用以验证规定的生产方法可生产出工程图样、工艺文件、采购订单、工程规范和其他适用的设计文件所规定的合格产品。首件检验的目的是给出客观的证据,证明所有工程、设计和规范要求被正确理解、说明、验证和记录。首件检验能够防止出现成批不合格品,首件检验能防止出现成批不合格品,是确保航空产品质量的一种重要方法。

    首件检验应用于产品生产过程中的每道工序,当现行的技术状态与先前批准的技术状态相比有所改变时,则需要对改变的部分重新进行首件检验。产品首件检验的一般流程如图2所示。

首件检验的一般流程

图2 首件检验的一般流程

    其中产品设计特性是指用于描述和构成产品设计的尺寸、外观、功能、机械以及材料的性能和特性。例如,产品公差与标注信息属于尺寸特性,热处理温度、顺序要求则属于材料特性。首件检验单据,即首件检验报告,现行标准将首件检验报告分为3张表格,分别是零部件编号检查表、产品核查表、特性核查表。

    现行标准并没有对首件检验的具体执行流程做规定,根据实际情况,各个企业的首件检验流程有所差异。

3 关键技术研究

    基于MBD的首件检验过程,必须以MBD模型作为首件检验的数据规范。基于MBD的首件检验过程模型如图3所示。首先从MBD模型中提取产品设计特性,包括零部件清单、尺寸要求、材料要求等。其次,根据首件检验标准生成未包含检验结果的首件检验检查表。最后,执行首件检验,填写检验记录,形成检验报告。

基于MBD的首件检验过程模型

图3 基于MBD的首件检验过程模型

    基于上述过程模型,提出基于MBD的航空产品首件检验关键技术,包括产品设计特性的提取、首件检验表的自动生成和首件检验表单的设计与执行。

    3.1 产品设计特性的提取

    在MBD的制造模式下,产品设计特性均在三维数模中定义。根据北京航空航天大学范玉青等人的研究,MBD模型包括MBD装配模型、MBD零件模型和设计模型。如图4所示是产品设计特性提取示意图,其中装配模型由零件模型组成,可从中提取产品零部件清单。零件模型由设计模型、三维标注信息及材料功能特性信息组成,可从中提取产品尺寸特性、功能及材料特性清单。设计模型表达了产品的外观需求。

产品设计特征提取示意图

图4 产品设计特征提取示意图

    从MBD模型中提取的首件检验信息属于工艺信息,一般在产品工程数据集中定义。在CATIA环境下,使用用户交互的方式拾取特征树中的三维标注,并添加到自定义特征树中,可实现对产品信息的分类提取及显示。CATIA中三维标注信息的提取如图5所示。

CATIA中的三维标注信息的提取

图5 CATIA中的三维标注信息的提取

    3.2 首件检验表的自动生成

    如果采用手工编写首件检验检查表,不仅效率低,而且不便于数据采集及管理。在MBD环境下,由于MBD模型中包含完整的产品设计信息,这为首件检验表格的自动生成提供了数据支持。

    按照航空产品首件检验标准要求,首件检验报告包括记录首件检验结果的3张表格,分别是零部件编号检查表、产品核查表和特性核查表。零部件编号检查表用于识别进行首件检验的零部件以及相关的组件或零件。产品核查表用于记录设计要求的材料、特殊过程或功能试验。特性核查表用于记录设计要求的产品外形、尺寸特性,零部件编号检验表的信息模型如图6所示。

零部件编号检查表信息模型

图6 零部件编号检查表信息模型

    基于上述信息模型,根据MBD技术规范,将模型中的信息项定义到MBD模型中,并在生成首件检验表时调用,分析MBD装配模型,生成零部件清单,如图7所示。

零部件清单提取

图7 零部件清单提取

    同理,如图8所示是某型飞机零部件的产品核查表提取,如图9所示是飞机壁板样件的特性核查表提取。

产品核查表信息提取

图8 产品核查表信息提取

特性核查表信息提取

图9 特性核查表信息提取

    3.3 首件检验表单的设计与执行

    首件检验表单的设计与首件检验的执行是2个相互独立的过程。首件检验表单的设计属于产品设计阶段,主要完成设计特性的提取和检验表的生成,而首件检验的执行是在产品加工、装配阶段。因此,基于MBD的首件检验系统应该分为2个部分,即首件检验设计系统和首件检验信息管理系统,如图10所示。设计人员使用首件检验信息管理系统进行MBD模型管理,并使用首件检验设计系统基于MBD模型进行首件检验规划设计,生成首件检验信息中间文件,然后上传至信息管理系统。首件检验信息中间文件基于XML设计,集成了首件检验设计系统的输出信息,包括首件检验表单信息、首件检验流程信息、产品设计特性信息等。信息管理系统通过解析中间文件生成检验流程并输出检验报告,从而实现2个系统的数据集成。信息管理系统维护产品设计模型及其首件检验信息的关联性和一致性,同时提供对首件检验流程的监控。检验工人登陆信息管理系统开启或继续首件检验流程,依次检验产品的零部件清单及其他设计特性。设计人员可以在信息管理系统中监控产品首件检验的流程,分析检验结果。

首件检验表单的设计与执行

图10 首件检验表单的设计与执行

4 结论

    基于MBD的首件检验对航空制造业实现全数字化设计、加工与装配具有重要意义,本研究在分析MBD技术应用体系的基础上,对航空首件检验标准进行了研究,总结了在MBD环境下实现首件检验的关键技术,并论述了各关键技术的实现方案,为基于MBD的航空产品首件检验系统的开发与实施提供了技术支撑和方法指导。

责任编辑:程玥
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