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基于MBD的三维工艺设计在飞机型号研制中的应用

2020/12/15    来源:互联网    作者:赵树      
关键字:飞机装配  数字化装配  三维工艺设计  
随着数字化设计与制造技术在航空制造业的广泛应用,飞机研制模式正在发生根本性变化,三维模型已成为新机研制的唯一制造依据。

0 引言

    随着数字化设计与制造技术在航空制造业的广泛应用,飞机研制模式正在发生根本性变化,三维模型已成为新机研制的唯一制造依据。

1 基于MBD的三维工艺设计必要性

    飞机装配工艺设计作为连接产品设计与制造的桥梁,一方面通过解析上游产品数模信息开展工艺设计,另一方面工艺设计结果为下游生产制造提供现场的指导和依据。飞机研制的工艺水平、生产组织模式、管理理念和国外先进飞机制造企业还有一定的差距。目前飞机装配工艺设计中主要还存在以下问题:

    (1)在型号设计中虽然采用了MBD技术,但型号工艺设计仍然主要采用传统的二维方式,工艺设计过程无法直接充分利用产品三维模型及其工程信息,从而导致设计制造协同性差、协调周期长、工艺设计质量不高等问题;

    (2)工艺设计过程没有充分运用三维仿真的工艺验证手段,容易出现工艺设计结果可行性不高和工艺流程变更等问题,影响生产周期和产品质量;

    (3)工艺设计过程未实现三维可视化,因装配工艺指令描述不直观而导致操作人员阅读、理解、执行时出现偏离,影响产品质量和研制周期;

    (4)未构建完整、配套的管理制度和规范体系,用于支撑三维装配工艺设计工作的有效开展,没有实现工艺数据和业务流程的统一管理。

    基于上述情况,国内航空企业迫切需要突破飞机三维工艺设计和管理的关键技术,构建相应的系统平台,以DCE平台作为制造数据的管理层,将三维工艺设计和管理系统作为应用工具,在不影响DCE平台现有业务的前提下将两个系统进行集成,实现满足生产实际的工艺设计与管理工作,针对目前航空企业的实际运营情况需要开展的技术研究包括:

    针对产品数据接收、使用、传递和管理等的工艺业务流程,研究如何获取和应用产品设计的三维模型,有效地开展设计制造并行协作,构建支撑三维工艺设计的规范体系。

    基于BOM(物料清单)的数据管理技术,工装设计过程与工艺规划过程的协同技术,面向制造现场的工艺仿真集成应用技术的研究,以适合飞机制造特点的数字化三维工艺设计软件为工具,构建飞机三维装配工艺设计环境。

    研究如何在三维工艺设计环境下进行装配工艺规划设计、装配工艺流程设计、装配过程仿真验证和优化工作,提升工艺设计结果的可行性。

    研究如何在三维工艺设计环境中,发挥三维化直观、准确的表达优势,利用图片、轻量化模型、仿真动画等多种数据格式进行装配指令的编制技术,提升装配制造指令的编制质量和可执行性。

2 基于MBD的三维工艺设计

    2.1 基于MBD的三维工艺设计框架

    当前的制造模式下,设计人员均采用MBD技术,不仅将三维制造信息而且还将三维设计信息共同定义到产品的三维数字化模型中,三维数模是工艺设计、制造的唯一依据。

    通过分析数字化设计制造特点和数字化装配工艺工作流程,建立了以MBD产品模型、企业PDM数据管理平台(DCE协同平台)为基础,基于DELMIA软件定制开发的应用系统,涵盖工艺顶层规划、详细工艺设计、工艺仿真、装配工艺知识管理、三维装配指令管理等整个工艺设计流程的三维装配工艺设计与管理系统,实现飞机装配工艺设计模式的改变。系统的总体框架如图1所示。

三维装配工艺设计总体框图

图1 三维装配工艺设计总体框图

    其中,三维装配工艺设计与管理系统作为工具层,接收协同平台的工程数据,进行顶层工艺规划(MBOM构建、装配单元划分)、工艺详细设计与仿真、三维装配指令编制、装配工艺知识的生成与应用等工作,协同平台作为数据管理层,对产品数模、EBOM、PBOM、MBOM、三维装配指令及工艺资源进行管理。

    2.2 基于MBD的三维工艺设计应用流程

    2.2.1 流程驱动的工程数据集成

    工程数据通过业务流程驱动,在协同平台和三维装配工艺设计与管理系统间利用发送和接收事件的协同实现数据及时准确的传递,实现集成管理。

    2.2.2 数字化装配三维工艺标注信息管理在飞机三维装配工艺设计过程中,研究如何在三维模型上添加安装基准、划线、组件标识、工艺特征标识、涂胶区域、初孔尺寸等工艺标注信息,如何将三维工艺标注信息按照工艺过程进行划分和关联,从而使复杂的工艺标注信息能够清晰而准确的基于装配过程显示。

    2.2.3 装配仿真与优化

    飞机装配工艺仿真是数字化条件下飞机装配工艺设计的重要内容,是数字化并行工艺设计的关键环节。可以及时进行干涉检查、工艺性检查、可拆卸性检查和可维护性检查,消除潜在的装配缺陷,评价产品的可装配性,减少因设计原因造成的更改或返工。在虚拟装配环境中检验装配工具的可达性、装配操作空间的开敞性,优化飞机产品的装配顺序与装配路径、装配操作姿态、工装工具使用方案,为产品设计、工装设计、工艺设计提供可靠的依据。

    2.2.4 轻量化三维装配指令编制与发布

    装配指令是用于规定生产单元完整工艺流程和流程各环节控制要求及记载生产过程中质量记录的工艺文件。使用三维装配工艺设计与管理系统,在三维工艺编辑界面中进行装配指令及操作规程的编写,完成三维装配指令对应的操作项目视图、仿真动画、操作项目说明信息等的编制,通过装配工艺知识库知识的调用实现装配指令的快速编制。

    2.2.5 三维装配工艺知识管理

    针对三维工艺设计系统中,工艺知识重用效率低和组织管理困难问题,提出基于二维度描述方法的知识方法。研究工艺知识的获取方法;从工艺知识粒度维和层次维构建装配工艺知识的二维度模型。粒度维将装配工艺知识分为典型装配单元级、典型装配指令级和典型操作级装配;层次维将装配工艺知识分为数据层和应用层进行描述。实现三维装配工艺知识的高效管理。

3 应用效果

    通过以某型机壁板组件装配为应用对象,在工艺设计过程中实现了工艺设计工作由串行、纸制、离散的工作模式向并行、数字、集成的工作模式的转变、实现了基于单一产品数据源;三维环境下所见即所得的数字化装配工艺设计技术,如图2所示。将离散的分布于不同工艺设计人员、工艺设计过程的经验、方法,经梳理、分类、提炼形成典型装配单元、典型装配指令、典型操作项目及典型工艺描述等工艺知识,有力地支撑了快速装配工艺设计;在三维可视化环境下的装配工艺规划、工艺仿真验证能够直观、清晰的展示制造流程,提前发现产品、工装、工艺设计问题;利用图片、轻量化模型、仿真动画等丰富的数据格式进行装配指令的编制。

三维装配指令发布

图2 三维装配指令发布

4 结束语

    本文针对基于MBD技术的三维工艺设计系统相关技术进行了研究,实现了复杂航空产品三维工艺与仿真技术、三维装配工艺规划、装配工艺与装配仿真和装配过程的可视化,实现装配信息从设计人员向工艺人员有效传递与共享,是提高装配工艺设计效率、减少工艺设计返工、提高装配质量、缩短研制周期的关键。但是在三维模型和特征基础上,应用知识工程,开发智能工艺决策方法,提供自动工艺决策功能,实现智能三维数字化工艺过程设计,还需要进一步的研究。

责任编辑:程玥
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