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基于MBD制造体系的装配工艺数据集成

2018/9/28    来源:互联网    作者:张魁  范玉青  卢鹄  周秋忠      
关键字:MBD  装配工艺  数据集成  
结合我国对波音787飞机的转包生产,分析了基于模型的定义MBD制造技术框架的特点。研究了在我国民机制造业的现有技术条件下,基于MBD制造技术体系的飞机装配工艺数据的集成方式,并分析和实现了控制数据一致性的方法。

1 引言

    波音公司对于787飞机全球合作伙伴,要求采用MBD(Model Based Definition,基于模型的定义)模型作为整个飞机产品制造过程中的唯一依据,即在虚拟环境中设计、构建和测试787飞机生产前的数字化制造工艺,通过生产现场的网络终端传递制造数据。

    但是,基于MBD的制造需要一个设计、制造等活动能够高度协同的数据管理体系的支撑,而我国的飞机制造业大多未实现设计、制造的数据集成,或即使实现了应用系统集成,未实现工程、工艺、制造数据的一致性。本文通过在某航空企业在波音的民机转包生产中,对波音MBD制造体系的跟踪与研究并针对我国航空企业的应用特点和在产品制造过程中对产品数据的管理现状,借鉴波音公司的先进生产方式,研究了大型飞机制造的装配工艺流程,并开发了面向MBD制造环境的装配工艺数据集成系统,探讨了控制数据一致性的方法。

2 基于MBD的制造模式

    图1为MBD制造体系的支撑环境。MBD制造体系中,CAD系统借助产品标准管理与标注系统完成工程MBD数据集的设计工作,并纳入PDM系统进行管理,通过CAE/CAM系统实现工艺设计、分析、虚拟制造。而数字化协同管理平台是所有应用系统的集成平台,实现了工艺工程人员在设计过程中与设计人员的数据共享。通过数字化协同管理平台到生产现场的管理系统,基于MBD的产品数据和工艺、制造数据可以最终传递到生产和检验的现场终端。可以看出,MBD制造技术体系是一种集成的应用体系,是MBD数字化定义技术在信息化集成基础上的创新。

MBD制造体系的支撑环境

图1 MBD制造体系的支撑环境

    生动直观是MBD的最大特点,MBD模型不是单纯的三维模型,具有强大的表现力,在MBD制造技术体系的应用环境中,产品设计人员以三维模型为核心集成完整的产品数字化定义信息,如图1,MBD模型包含三维实体模型、标注(包括产品尺寸、工差、工艺处理等)、工程注释等信息,在后续的生产环节还可添加制造、检验等部门的信息,构成更完整的MBD数据集。另一个特点是产品信息从设计到生产不再使用纸质介质,极大地方便了对数据的管理,减少了因纸质载体与计算机数据管理系统脱节造成的重复性劳动,提高了数据表达和传递的准确性,工人可以借助生产现场终端查询所需数据,同时可即时观看的仿真装配动画,指导人装配操作,减少手工误操作。图2展示了面向装配制造的MBD工作环境。

面向装配制造的MBD工作环境

图2 面向装配制造的MBD工作环境

3 面向MBD制造的应用系统集成

    某航空企业民机部已在生产数字化建设上取得了相当的成果,目前应用北京某公司PDM系统来管理产品的工程和工装数据,应用了达索公司的Dehnia系统,提供数字化工艺规划的解决方案,但是远未满足MBD制造的要求,迫切需要对工艺信息进行集成。

    依据图1中MBD制造技术体系的特点,结合航空企业民机部信息系统的应用状况,利用ASP.Net技术设计开发了基于B/S模式的数字化协同管理平台。协同管理平台是协同各个应用系统间(PDM系统、工艺设计系统、生产管理系统)数据的管理平台,将用来集成工程/工装、工艺、制造跟踪数据,协同各应用系统的业务流程,如图3。

装配工艺数据集成总体框架

图3 装配工艺数据集成总体框架

    3.1 PDM与数字化协同管理平台的集成

    应用系统之间的集成模式通常分为以下3种:(1)间接式:系统之间的信息沟通是通过中间文件或中间数据库的方式进行的,各系统彼此独立。(2)紧密集成式:使得一个应用系统的业务流程封装为另一个应用系统的一部分,达到数据的互操作,保证双方数据的一致性。(3)接口式:通过应用系统双方提供的开发工具,通过开发数据接口互传信息。

    集成时需考虑到各应用系统自身的特点,由于该航空企业的PDM系统基于C/S模式,协同管理平台基于B/S模式,集成适合采用松散的接口集成方式,最终选用了Web Services技术实现PDM与协同管理平台接口。如图4,建立私有UDDI服务中心作为“信息服务代理中心”,对协同管理平台与PDM系统进行Web Services封装,协同管理平台作为PDM系统Web Services服务请求方,通过Web Services平台发送SOAP消息给PDM的Web Services平台,通过数据交换封装接口解析XML格式的消息为PDM内部数据格式,查找PDM的产品信息数据库,通过数据交换封装接口把查询结果由PDM的数据格式转换成XML格式,并把得到的XML数据通过Web Services封装成SOAP消息传回给协同管理平台的Web Services平台,此时可以在协同管理平台中查看查询结果。反之也是同样的原理。

PDM与协同管理平台基于Web Services的集成框架

图4 PDM与协同管理平台基于Web Services的集成框架

    3.2 Delmia系统与数字化协同管理平台的数据集成

    Delmia系统具有DPE(数字工艺)、DPM(数字制造)功能模块,可以导入MBD部/组件模型,规划工艺、虚拟制造的解决方案,利用宏指令,提取装配工序,导出为指定格式的数据文件(本文采用的导出为XML格式的数据文件)。由于Delmia系统本身不具备数据的管理功能,因此需要将Delmia导出的数据文件纳入协同管理平台进行管理。于是Delmia与协同管理平台之问的集成方式采用中间文件的方式。

4 装配工艺数据的集成

    4.1 装配工艺流程设计

    在以波音公司为代表的先进飞机制造体系中,飞机按模块选型制造,制造单元主要按产品协同设计组IPT所划分的模块和工作量来组织,按模块的特点和制造过程本身组织起来。飞机装配工艺流程设计步骤如下:

    (1)在工程结构树的基础上,对整个装配任务进行单元划分,将装配任务划分为多个ACC(Area Control Code,区域控制码),如图5。划分时工作量和产品工艺分离面是主要被考虑因素。ACC一般分为两种:部件级ACC和组件级ACC。一个部件级ACC一般对一个较完整的部件进行装配,而组件级ACC则是将部件装配初期的很多相对工作量较少的零散组件进行集中装配,使之能达到一个ACC的工作量。一个ACC对应装配树中的一棵或多棵子树。一般部件ACC对应装配树中的一棵子树,组件ACC对应装配树中的多棵子树,每棵子树的根结点就是一个部件或一个组件。

对EBOM树进行ACC划分

图5 对EBOM树进行ACC划分

    (2)以ACC为单位在工程结构树的基础上进行工艺修改,形成装配树(PBOM树)。工艺员依据工艺条件和生产过程,在每一个ACC内反复对EBOM子树进行调整。调整完成后,为每个组件ACC都添加一个父构型节点,将各组件ACC对应的节点子树都移动到各自添加的父构型节点之下,这个父构型节点被称作组件ACC输出件。部件ACC已经对应了一个输出件,就是其节点子树的根节点,不需要添加父构型节点。

    (3)对每个划分后的ACC按照装配BOM的结构再进行划分,将其划分为多个POS(Position),即工位的工作。每个POS可能对应一个或多个子树。同ACC一样,划分完成后需要使每个POS对应一个输出件。

    (4)对每个POS的工作内容制定出JOB,JOB对应POS中的一项工作。

    (5)最后对每个JOB,生成指导工人生产的每一个具体丁作步骤,也即定义工步(STEP)。

    (6)对划分后的流程结点,按基本进度计划的要求,计算各结点的生产周期,进行周期平衡和优化,生成最终的制造流程。

    在以上的流程划分中,PBOM的生成、ACC/POS的划分由协同管理平台的ACC/POS划分模块来完成,JOB/STEP的划分由DELMIA仿真系统设计装配工序时来完成。

    4.2 利用Delmia进行可视化工序设计

    MBD环境下,利用Delmia支持的VBScript宏指令,可以自动录制、导出装配工序。如图6,飞机装配工序建模的总体过程是:

    (1)产品交互预装配:工艺员对照POS输出组件号下载MBD模型文件,将其导入Dehnia,定义装配约束关系,完成此工件的装配定位。并启动宏指令录制,使Delmia后台自动录制这一交互过程,生成相应的宏指令代码。

    (2)工序信息提取:从宏指令中提取装配工序模的基本信息,如零件号、结构层次信息、配合约束信息和装配操作等,生成原始装配工序。

    (3)装配过程仿真、工序检查与优化。

    (4)在装配工序树上添加JOB节点,根据工作量的大小将工序合理分配到这些JOB节点上。

    (5)可视化装配序生成:根据提取的工序信息及其仿真校验优化的结果按规范的格式输出XML数据集文件,如图7。读取至协同管理平台的数据库统一管理。

装配工序可视化仿真流程

图6 装配工序可视化仿真流程

导出的XML工艺数据集

图7 导出的XML工艺数据集(部分)

5 数据一致性问题

    数据集成首先解决的是信息共享问题,但数据集成不是数据的简单罗列,而是将不同的数据源组成一个有机的逻辑整体,实现数据的一致性、可靠性和无冗余,其中最基本也是最重要的便是数据一致性。国内航空企业的场所分制的现状导致了数据不一致,如设计与制造、采购等物料清单不一致,造成产品开发周期延长、质量无法保障等问题。造成这种现象的主要原因有:

    (1)未建立统一的产品数据管理平台,有关产品的设计、工艺与制造数据非同一部门生成,无法对BOM进行统一管理;

    (2)采用传统手工管理模式,对系统的功能、信息缺乏整体优化,造成设计、工艺工作重复劳动多,工艺文件质量难以提高;

    (3)对BOM编制、工艺编制、文档管理、工装准备等数据的集成没有建、有机联系和管理,致使应用系统表面集成,实际仍是孤岛。

    5.1 EBOM与PBOM间的数据准确性与一致性控制

    在产品生命周期的各阶段,BOM数据是产品数据的核心,而BOM的核心是其对应的结构树,如图8,BOM数据包括物料项及物料项间结构关系,BOM中的物料项为信息系统中的各种应用提供基础数据。BOM数据的变化是产品数据流动的主线,利用BOM的产品结构树可以将物料项属性与其他相关的产品数据关联起来。

以BOM的结构树为核心的数据扩展

图8 以BOM的结构树为核心的数据扩展

    在我国传统的飞机制造企业,PBOM生成操作是由工艺员对比EBOM逐物料项添加、编辑生成,而且通常是手工操作,无法保证EBOM与PBOM物料项属性、结构信息的一致,具体表现在:父子关系颠倒;物料项丢失;物料项数量在BOM演变过程中被更改。

    为了防止这些现象发生,必须想办法消除B0M间的不一致性。根据产品数据以BOM树为核心的特点,只要合理地设计数据表的逻辑结构,并制订合理的数据操作规则,使其在BOM演变中能控制不同BOM视图间物料项与物料项关系的一致,就可以保证整个数据系统数据的一致性:

    (1)如图9,以主表、结构表、有效性表为核心构建BOM树,使用零件编号作为外键将其他属性表关联起来,组成完整的BOM。零件编号作为索引建立的EBOM到PBOM的集成数据逻辑关系。

从EBOM到PBOM的集成数据逻辑关系

图9 从EBOM到PBOM的集成数据逻辑关系

    (2)在协同管理平台内,在对PBOM生成时开发一套协议防止不一致情况的发生,具体做法足:权限控制:由系统分配具体角色详细权限,特定的角色只能在特定的时间,对特定的表的字段进行编辑。②发放状态控制:将BOM数据发放状态分为3种,即设计状态、预发放状态、发放冻结状态。③事前自动验证父子关系:移动节点或子树时,由协同管理平台自动验证EBOM中确定的原有的父子关系。④改进PBOM的生成方式:将传统的逐物料项添加编制建立PBOM的方式改为,首先整体拷贝EBOM树,实现物料项的点对点复制,如图10,在拷贝的EBOM树上直接编辑生成PBOM树。

EBOM与PBOM间物料项的点对点复制

图10 EBOM与PBOM间物料项的点对点复制

    5.2 更改与历史数据追溯

    飞机制造过程中,工程、工艺更改频繁是影响数据一致性的重要因素之一。造成更改频繁的原因有:客户的要求改变;新材料技术的应用;新客户提出新的构型;纠正产品设计上的错误;零部件涉及的工艺或制造上的改进等。其中前三种原因将引发工程更改,而零部件涉及的工艺或制造条件的改进主要引发工艺更改。飞机产品生命周期各阶段相关数据的更改主要由工程更改引发,因为工程数据处于数据流的最上游,工程数据的更改将引发其下游工艺、制造数据的连锁更改,下游数据的更改必须与上游相关数据的更改保持一致。

    以传统的手工编制进行的工程数据更改方式是:发起纸质更改单→审签/评估→工程、工艺、制造相关数据的覆盖式更改→发放纸质更改单至制造现场:传统的更改方式有两大缺点:①对更改对象相关数据实行覆盖式更改,不留存老版本数据的历史纪录,在飞机装配完成交付给客户后,若客户发现质量问题,将无法进行历史数据的追溯。②采用人工填写的纸质更改单,无法控制发放数据与工程、工艺等对应数据的一致性。

    如图11,MBD环境的协同管理系统更改方式是:确定更改内容/发出更改消息→电子审签→留存历史纪录→系统自动版本升级或改为新零部件→发布至生产现场终端。整个过程均在协同管理平台上进行,取消了纸质更改单,减少了手工操作的不确定性,留存了历史纪录。在EBOM与MBOM的集成逻辑关系的控制下,可以保证EBOM与MBOM数据的一致性。

面向MBD环境的协同数据更改流程

图11 面向MBD环境的协同数据更改流程

6 结语

    从发达国家航空制造发展的现状来看,航空制造业的数字化和无纸化是一种必然的趋势。本文依据目前我国航空企业民机装配制造现有状况,在MBD的应用环境下,实现了工程与工艺信息的系统数据集成,依据波音的民机制造的工艺流程设计的过程和特点,解决了工程与艺数据准确性和一致性控制问题,提高了民机制造中对装配工艺的管理水平,保证了产品的质量水平。

责任编辑:程玥
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