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基于MBD技术的工艺设计

2018/11/24    来源:互联网    作者:郑艳铭      
关键字:MBD  工艺设计  
MBD技术是近几年在航空制造业发展起来的新技术,使航空产品的研制模式发生了重大改变。本文通过对制造企业MBD技术发展现状的分析,针对如何做好基于MBD的工艺设计工作提出了三点建议。

    随着发动机制造技术的不断提升,数字化制造技术得以广泛应用,特别是三维CAD技术的日益普及,使航空发动机产品的研制模式正在发生根本性变化。一方面,MBD(Model Based Definition,基于模型的定义)技术的出现使上游产品设计部门采用全三维方式进行,也就是说设计数据的发放以三维模型作为唯一的数据源。另一方面,制造厂为了提高产品质量和加工效率,大批引进先进的数控设备,采用数字化的方式进行加工。传统的二维工艺规划方式与上游的全三维数字化设计和下游的先进制造工艺及装备已不相适应,无法有效地承接并传递数字信息,逐渐成为数字化制造瓶颈。这种窘迫的局面迫使我们寻求一种新的工艺规划方法,能够利用全三维的设计信息进行工艺路线的规划、工艺规程以及数控加工程序的编制。

一、MBD技术现状

    MBD是一个用集成的三维实体模型来完整表达产品定义信息的方法,它详细规定了三维实体模型中产品尺寸、公差的标注规则和工艺信息的表达方法。图1所示即为MBD模型,它改变了传统由三维实体模型来描述几何形状信息,用二维工程图样来定义尺寸、公差和工艺信息的分步产品数字化定义方法。同时,MBD使三维实体模型作为生产制造过程中的唯一依据,改变了传统以工程图样为主,以三维实体模型为辅的制造方法。

MBD模型

图1 MBD模型

    MBD在2003年被ASME批准为机械产品工程模型的定义标准,是以三维实体模型作为唯一制造依据的标准体。MBD模型包含为提供完整的产品定义所需的全部几何、属性和标注信息,可用图2来表示。

MBD模型内容

图2 MBD模型内容

    国外以波音、洛·马和空客公司为代表的飞机制造业在数字化技术应用领域取得了巨大的成功。波音公司在以波音787为代表的新型客机研制过程中,全面采用了MBD技术,将三维产品制造信息(Product Manufacturing Information,PMI)与三维设计信息共同定义到产品的三维数模型中,摒弃二维图样,直接使用三维标注模型作为制造依据,使工程技术人员从百年来的二维文化中解放出来,实现了产品设计(含工艺设计)、工装设计、零件加工、部件装配和零部件检测检验的高度集成、协同和融合,建立了三维数字化设计制造一体化集成应用体系,开创了飞机数字化设计制造的崭新模式,确保了波音787客机的研制周期和质量。在国内,航空企业近些年来一直以国外先进航空制造企业为目标,开展MBD相关的研究工作,尤其在一些设计部门或飞机的制造企业已经得到成功的应用。其中,在航空发动机制造企业,MBD技术还处于起步阶段。

二、基于MBD的工艺设计主要问题

    航空发动机产品结构复杂,尺寸及涉及的数据信息较多,以MBD模型作为工艺设计的数据载体和依据,使航空产品的工艺设计活动发生了根本变化。工艺设计工作将在三维数字化环境下,直接依据三维实体模型展开,完成工艺方案制定及详细工艺设计,并产生三维数字化工艺,作为生产现场的操作依据。这种建立基于MBD技术的机加工艺设计快速响应能力,是提升传统工艺设计能力的有效途径之一。全面应用MBD技术进行工艺设计必须做好相关的基础工作,才能形成完善的工艺设计体系,如图3所示。具备完善的技术标准和良好的设计环境才能开展MBD工艺设计活动,生成的工艺数据必须在PDM系统中进行管理,并供工装设计、产品检测和制造等环节使用。

MBD工艺设计体系

图3 MBD工艺设计体系

    因此在全面开展全三维工艺设计之前,必须做好以下工作。

    1.MBD技术的标准化和规范化

    标准化工作是一切工作的基础。接收设计信息后,能否正确地识别,并提取设计信息,对后续工艺编制工作至关重要。对航空发动机制造,MBD技术是当前先进的数字化产品定义技术,可以促进全三维产品数字化定义应用,它将使产品的制造模式发生颠覆性的变化。与此同时,原有的技术规范和技术标准不再适用于新的数字化制造模式,必须制定新的标准文件。目前各制造企业已经组织相关部门预先开展了此项工作。充分考虑技术发展的未来,结合BDS 600波音公司基于模型的定义系列标准、ISO  16792:2006数字化产品定义数据准则、ASME Y 14.41-2003数字化产品定义数据准则等开展了基于模型的定义通用要求、尺寸与公差、注释与编号、数据的接收与发放等内容的标准化研究工作,并针对典型零件的MBD模型建模要求进行了规定。但是很多标准需要根据航空产品的特点进一步地修订和完善。主要是由于我们开展此项工作的时间较短,而且目前的MBD技术以及厂所之间的协同数字化设计、制造工作正在研究与测试当中,对技术环节需要不断地调整完善。

    目前已编制的MBD标准主要存在以下问题。

    第一,大多标准比较适合设计所使用。对工艺设计部门由于技术实施经验少,工艺数据相对设计数据信息量大得多,贯彻标准存在一定的困难。随着MBD技术的不断实施,在今后标准的编制中,应该充分考虑工艺MBD模型的定义方法,并增加工艺数据的管理和实施规范。至少制造厂应该有自己的企业标准。

    第二,由于全三维设计发图只对零件比较重要的尺寸进行了标注。很多自由公差的尺寸不进行标注,需要制造部门通过分析手段获得。目前已编制的相关标准中,对未注尺寸没有相应具体的规定,设计与制造部门也并没有完全达成默契,这样制造部门很容易对设计意图产生分歧。

    第三,由于技术研究起步晚,很多标准没有经历过实践应用的过程,有很多内容是借鉴国外已有标准,是否适合我们自己的产品,需要经过验证。很多标准还需要不断完善和改进。

    2.全三维工艺设计环境定制

    在完善的技术标准支撑下,软件是进行三维工艺设计的工具。航空发动机制造企业主要使用NX进行产品的三维造型及数控加工程序的编制,属于综合性的软件。在模型构造上,比较适合设计部门进行最终产品的结构设计,而产品的工艺设计不同于上游的产品结构设计,它不仅仅需要构建产品加工过程模型,还需要添加对应的设备、工装以及加工工艺等多方面的信息,并且各工序之间存在相互关联的关系。因此,以NX为工具进行工艺设计是比产品设计更为复杂的过程。PMI(Product Manufacture Infomation,产品制造信息)标注技术在一定程度上解决了工艺信息的添加问题,但是并不能对添加的信息进行有效的管理。每个企业的产品都有自己的特点,目前商用三维软件的初始环境大多不能完全满足企业进行工艺编制的需求,企业必须结合实际情况定制适合工艺编制的模板文件以提高三维工艺编制的效率。

    MBD的内涵要求产品的信息高度集成在一个模型文件中,从目前航空发动机制造技术发展的水平看,工艺设计过程采用全三维形式也基本具备了条件。但是最终输出的工艺文件是否以全三维形式进行展示,这是值得我们思考的一个问题。全三维的工艺发布形式将制造过程中很多环节进行了颠覆式的改变,而有些条件我们暂时还不具备。比如说加工现场,每台设备都要配备工艺浏览设备;操作者也必须能够正确理解并浏览三维工艺的表达方式等。波音公司在执行MBD技术的过程中,也经历了很长的一个过渡时间,在制度和设施不完善的状态下,他们在很长一段时间内允许工艺文件以二维形式输出。因此在为自己企业定制基于MBD技术的三维工艺设计环境时,必须考虑软件、硬件、人员素质和管理制度等多方面的因素。全三维工艺设计环境最好同时支持二维和三维两种工艺发布形式,同时还应该具备快捷、高效和智能化等特点。

    3.工艺数据管理集成

    传统数据以串行方式进行传递,如图4所示,整个产品制造周期长,工作效率低下。

传统数据传递模式

图4 传统数据传递模式

    MBD模型是制造活动中唯一的制造依据,因此各相关部门可以重复使用MBD数据,并行开展工作,如图5所示,工艺MBD数据传递模式使工作流程大大缩短。零件从工艺准备到加工出合格的产品,工装设计、数控编程、产品检验、工时统计和刀具准备等诸多环节都要引用MBD模型开展相应的工作,如何能让这些环节快捷高效地利用三维工艺数据开展工作?这就需要一个协同的平台,对设计、制造数据进行管理,便于各部门并行的开展各项工作。当前每个企业都有自己的产品数据管理(PDM)系统,但是工艺数据的管理仅仅是局限在二维数据的管理上。三维数据的管理将使工作流程、数据存储的结构发生变化。因此需要从零部件开始,就要建立设计模型、工艺模型、检验模型与BOM结构树的关联关系。

工艺MBD数据传递模式

图5 工艺MBD数据传递模式

    首先为避免同一个产品在不同部门制造时,归档管理无法解决数据不一致的问题,需要以单一数据源的思想来管理工艺文件。

    单一数据源是将原来在物理上分布于多个系统中的产品数据,经过精心组织形成一个逻辑上单一的数据存储实体,在分布于不同数据存储系统中的文档对象数据之间建立严格的约束,以便保证数据是一致的、最新的、完整的和可靠的。PDM通过单一的数据库进行存储、追踪和治理产品信息及其过程,保证了数据来源的单一性,使有关用户能够快捷地获得数据。传统工作模式很多工作是串行开展的,通过唯一数据源的有效管理,如图3所示,各项工作可以并行协同开展,使工作效率大大提高。

    其次,由于生成的制造数据以三维模型为主,模型中集成了大量的工艺信息,因此生成的三维工艺信息存储量大,如果按原格式输出必将给PDM系统造成大量的数据冗余,因此必须使各种资源模型轻量化输出,避免给PDM系统造成大量的数据冗余。

三、基于MBD的工艺设计流程

    在这里以图6所示模型为例对在三维环境下进行工艺设计的主要流程进行分析。

    (1)接收设计模型和毛坯模型:从PDM系统接收设计模型,其相关的尺寸信息标注在零件上,材料等属性包含在零件的属性表中。

    (2)设计模型转换为最终检验模型:有些设计模型和零件的最终检验模型是不同的,如图6中所示的尺寸φ4100-0.2由组件保证,因此在单个零件的加工时不必加工到,而是给组件预留一定的余量,可在零件的最终检验工序将尺寸调整为φ410-0.2。此外在某些复杂零件的尺寸标注上设计部门与工艺部门的标注规范及习惯可能也不太一样,也需要进行转换,使模型能够更方便地用于工艺设计。

示例模型

图6 示例模型

    (3)根据最终检验模型和毛坯模型进行工艺路线规划:本步骤根据最终检验模型和毛坯模型之间的余量分配来确定加工路线和加工方法。

    (4)工序模型构建:确定工艺路线以后就可以创建工序模型了,三维环境下创建工序模型可以因需保持模型之间的关联关系,即当其中一道工序模型发生变化时,其相关的工序可自动进行更新,无须再进行手动更改,减少了人为干预因素。模型之间的关联性是通过NX的wave技术实现的:在进行工序模型设计时,按图7所示将wave模式选中,工序模型之间就可以根据结构变化同步前、后工序对应的点、线、面或体等几何要素。

wave模式开关

图7 wave模式开关

    (5)工艺信息录入:尺寸标注、技术要求、刃具和量具等信息可以根据不同的模型视图组织在一起,也可以根据企业的需求,在三维环境下开发专用的录入工具来实现。图8所示的是工序视图中尺寸标注的一个模型视图。

    (6)工艺生成及发放:由于NX本身是一个产品设计工具,并非浏览工具,因此工艺设计完成后,需要生成可浏览的产品工艺。NX本身提供轻量化模型输出接口,会将工序模型以轻量化的格式输出,如图9所示,同时其在NX环境下标注的尺寸及注释等信息也会以结构树的形式显示出来。将轻量化模型和其他相关工艺信息结合在一起,用专用的浏览器进行浏览,就形成了三维产品工艺。

模型视图中的工艺信息

图8 模型视图中的工艺信息

轻量化模型输出

图9 轻量化模型输出

四、结语

    工艺设计是接收设计MBD数据后一个重要的环节,对产品加工质量、加工周期等起着至关重要的作用。上面仅仅是提出了做好全三维工艺设计工作亟待开展的几项工作及三维环境下进行工艺设计的主要流程。与此同时,从业人员必须加强学习和培训,改变传统的二维工艺编制的思维方式,深刻理解MBD技术的内涵,才能高质量地完成基于MBD的三维工艺设计工作。

责任编辑:程玥
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