基于MBD的飞机装配技术发展及应用

0 引言

    航空制造业经过100多年的发展，飞机装配技术取得了突飞猛进的成果。20世纪50、60年代的飞机装配技术，使制造过程中的各种问题和矛盾堆积到飞机最后的装配阶段，难以保证飞机的装配周期和质量。随着科技的发展，飞机装配技术充分吸收和利用了计算机、软件、数字化、激光定位、自动化控制等技术，经历了从人工装配、半自动化装配到柔性装配的发展历程，20世纪70年代随着小型计算机费用下降,CAD技术得以广泛应用。在20世纪80年代初期，洛克希德马丁公司开发了飞机装配工艺规划专家系统——GENPLAN系统，该系统实现了装配工艺设计及工艺文件的计算机化和数字化。J.CeciLA.Kanchanapiboon,J.Butterfield等先后给出了数字化精益制造(DLM)方法，该方法提高了产品质量和生产效率，降低了生产成本。自20世纪80年代后期，随着网络和计算机技术的飞速发展，美国波音、洛克希德·马丁公司和欧洲空客公司等大型飞机公司都陆续地采用了飞机数字化装配技术，减少了工装和制孔工具的数量，降低了成本，缩短了生产周期。国外对数字化装配技术已经有了较为广泛的研究及应用。如：美国Sandia国家实验室开发了装配工艺规划系统Archimedes，用交互式的方式实现了装配工艺的生成、优化和检查；德国Bernhard Jung等开发了基于知识的虚拟装配系统CODY，允许设计者通过三维操作指令或简单的语言命令进行产品装配；德国Michael Weyrich等实现了面向虚拟制造的“虚拟工作台”交互环境，实现了顺序控制、运动仿真装配碰撞检查等。21世纪以来，飞机设计制造技术全面进入了数字化时代，数字化产品定义DPD(Digital Product Definition)、数字化预装配DPA(Digital Pre-Assembly)和并行产品定义CPD(Concurrent Product Definition)等飞机数字化装配技术的研究也达到了一个全新的阶段。DPD是在产品的全寿命周期中对产品数字化的描述,DPA是贯彻并行工程思想的重要前提，CPD是关于产品开发的一种理念与方法，这些技术提高了飞机设计制造水平。

    飞机装配对飞机制造的生产周期、研发成本、产品质量等具有不容忽视的影响。在飞机研制过程中，数字化装配技术的应用改变了传统飞机设计制造模式，成为了现代飞机研制中不可或缺的重要手段和技术。自从美国机械工程师协会ASME在2003年将基于模型的定义MBD(ModelBased Definition)批准为机械产品工程模型的定义标准以来，飞机数字化装配技术的发展和应用达到了一个新阶段。近年来，国外飞机数字化装配技术在新机型的研发过程中广泛应用，发展非常迅速，积累了大量的工程实践经验。以波音、空客等飞机研发公司在十余年内研发的新型飞机产品为代表，集中体现了国外飞机数字化装配技术的应用现状和发展方向。如：在B787的研制过程中，产品几何模型、装配型架、装配工艺、属性、资源和管理等所有的工程信息均是采用MBD定义的。以产品MBD数据集为依据进行工艺设计与加工制造，淘汰了二维工程图样，从产品数字化定义到装配工艺规划的全部流程，都以数据流的方式进行传递，实现了以三维模型作为单一产品数据源的数字化装配及仿真。国内依然以二维工程图样为主要传递手段，还没有实现以产品的三维数字化模型作为生产制造过程中的唯一依据，进行各种信息传递。在飞机制造过程中工程设计更改不可避免，三维模型的任何修改，都将带来非常繁琐的二维数据更新。总的来说，目前我国在基于MBD的飞机数字化装配技术的应用方面，与国外已经达到的工程应用水平相比还有明显差距。通过开展飞机数字化装配工艺规划与装配工艺仿真研究，MBD技术必然会对我国目前的飞机装配技术的应用和发展带来重大的改变。

1 MBD装配数据集

    MBD技术将全机所有的工程信息都集中在产品的三维数字化模型中，是用集成化的三维模型来完整表达产品数字化定义信息的方法体，其核心是产品的几何模型。根据对三维模型中各种工程信息表达方法的详细规定，MBD将产品中的形状、尺寸、公差以及工艺等信息，通过集成化的完整三维数字化模型来详细描述，使由三维模型描述产品几何形状，二维工程图样定义尺寸、公差和工艺等信息的传统产品定义方法被淘汰，从分步产品定义方法，发展到了全新的基于MBD的产品定义方法。MBD数据集包含了产品设计、制造、装配等过程所需的各种信息，是各生产部门获取产品信息的唯一数据源。MBD数据集是产品设计、制造、装配和维护等过程的所有工程信息的集合，根据飞机装配阶段的特征对MBD数据集中的装配信息重新组织并提取，建立针对产品装配过程的MBD装配数据集。

    装配数据集是指在产品制造过程中所需的工装模型、产品模型、工艺结构树、装配容差、工序、资源、装配序列和路径等工程信息的集合，是进行产品工装设计、装配工艺指令、装配仿真、容差分配仿真和现场装配指导等的唯一依据。根据PPR(Product、Process、Resource，产品、工艺、资源）的组织方式，MBD装配数据集所包含的信息可分为以下三类：产品信息(Product)、过程信息(Process)和资源信息(Resource)。

    MBD数据集可分为MBD装配模型和MBD零件模型两种，MBD装配模型是由MBD零件模型构成的产品装配几何零件列表，以及文字表达的非几何信息（包括公差配合、BOM表等)构成的。依据模型内容多少，可以将装配件数据集划分成单模型数据集和多模型数据集。单模型数据集是将产品的所有几何模型都集中在一个模型中，多模型数据集则由每个分割的数据集内的公共参考系联系在一起。波音公司以基于MBD的飞机装配技术为基本依据，在新型飞机产品研制中，将机身和壁板的空间定位点位置等在飞机坐标系中进行了数字化定义，MBD装配模型对飞机坐标的“参考面、辅助面、空间定位”等信息提供辅助作用，这也是“单模型数据集”和“多模型数据集”的关键分布条件。