基于MBD的三维工艺研究与实现

MBD是这10年来制造行业的研究重点和热点，特别是以航空制造企业为代表。MBD( Model Based Definition)是将产品的所有相关设计定义、工艺描述、属性和管理等信息都附着在产品三维模型中的先进的数字化定义方法。从传统的二维加三维数字化产品定义进化到MBD数字化定义技术，核心的转变是原来的二维工程图和零件表定义与应用，完全被MBD数据集（三维标注）所代替。该规范包括了从设计、工艺、生产、检验、质量等相关环节，其中三维工艺是建设MBD的关键环节。

1 国内外航空企业MBD技术的现状

近10余年，随着飞机制造技术的发展，以波音、洛·马和空客公司为代表的飞机制造企业在数字化技术应用领域取得了巨大的成功。特别以波音公司为代表，在波音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与三维设计信息共同定义到产品的三维数模型中，摒弃原有的二维设计图样，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、工艺设计、工装设计、零件加工、部件装配、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。目前我国航空工业主机厂所都已经开始了MBD相关的研究和应用，分别进行了MBD相关标准规范的编制，部分厂所在某些产品的设计上都在逐步应用MBD技术，以实现面向制造的设计(见图1)。

图1 基于MBD的制造一体化平台

在建设MBD的整个环节过程中，随着基于MBD三维设计规范的制定和完善，为三维工艺的建设和实施奠定了基础，三维工艺逐渐成为MBD建设的的重点和关键，也代表着企业生产和制造的最高水平。但大部分国内航空制造企业的现状是，由于三维工艺建设过程复杂，技术难度高，特别是以机加工艺为代表，因此企业还是停留在设计采用三维，而工艺还沿用原有的二维CAPP。但二维工艺存在以下缺点和不足：

(1)二维工艺系统的工艺卡片主要以二维简图和描述信息表达为主，对于稍微复杂的工艺，这种表达方式很难进行清晰直观有效的表达，增大生产制造环节出错的概率，影响产品的质量。

(2)对于特征标注较多的产品，二维图纸难以全面地表达设计信息，经常出现标注遗漏的情况，增加工艺规划的难度和出错几率，并缺少进行工艺验证的手段，经常在制造阶段才发现工艺设计存在缺陷，拖延了产品交付进度。

(3)二维图纸无法有效的利用现代的电子样机技术对计产品进行虚拟仿真，更无法清晰流畅的进行各种性能分析，无法在工艺规划阶段消除问题，导致问题出现后续的生产制造环节，造成设计更改周期和成本的提高。

实施基于MBD的三维工艺对企业提升工艺和制造水平有着很重要的意义，它的优点主要表现在以下几个方面：

(1)基于MBD技术设计的三维产品模型，能够最大限度传递和继承设计的信息，有效减少工艺和设计理解上的偏差，降低出错概率；

(2)通过三维仿真验证手段，可以对产品装配、机加过程进行全程仿真验证，最大限度地将问题暴露在设计工艺规划环节，降低后端更改的成本和时间；

(3)利用基于MBD的全三维产品数据，三维工艺系统可以实现三维工艺规划功能，对于特征标注较多产品的工艺设计可以减少出错几率，提高工艺设计效率和准确度，同时采用直观的三维工艺表达方式，增强了工艺信息的可读性，提高生产制造阶段的效率。

因此，实施和开展基于MBD的三维工艺对于企业提升自身的工艺和制造水平有着很大的促进作用。

2 基于MBD三维工艺的设计和实施

    2.1 工艺方案设计

工艺方案中通常要划分研究序列规划、路径规划及过程仿真等过程，传统的方法是将其划分成几个相互隔离的部分，造成了工艺规划各部分工作结果难以及时共享，不利于提高工艺规划效率，有悖于并行工程思想。利用DELMIA，可以使用包含MBD信息的产品模型作为唯一数据源，在同一平台下完成序列研究、路径规划、过程仿真的全部内容，并且各过程之间相互关联，可及时进行查看并做关联修改（见图2）。

图2 工艺顺序规划

    2.2 工艺详细规划设计

(1)工序规划

工艺人员根据EBOM进行工序规划工作：

划分工序并调整顺序：在DELMIA中添加工序，并通过PERT图进行调整——分零组件到工序：以制造装配的方式将零组件进行划分，并将其关联到工序——对工序的内容进行定义：对工序的主要内容进行描述——各工序划分工步并定义内容：方式与工序一致——划分工装、工具等资源到工步：直接将PPR结构上的资源与具体***作相关联（见图3）。

图3 详细工艺规划

(2)典型工艺模板引用

对于经常使用的装配或加工等工艺过程，可以在DPE中定制典型装配/加工工艺模板，并将工艺信息保存在数据库中，而且可以进行典型工艺的添加更新。通过定制的工艺模板及脚本程序，在进行工艺编制时，可重用已有的工艺模板，按照零件特征、类别等信息快速构建装配工艺或机加工艺，在其基础上进行修改而非重建，实现了数据的重用，大大节省了工艺编制时间。

(3)加工过程仿真与验证

对于需进行数控加工的零件，可以在DELMIA系统中进行机加工艺的规划和模拟，验证加工过程的合理性以及刀具可达性，并且在完成加工工艺的仿真后，可以通过后置处理程序直接生成加工NC代码。

2.3 三维工艺文档规划

在完成工艺过程验证后，工艺员开始进行详细工艺文档，包括装配工艺文档规划和加工工艺文档规划。

(1)装配工艺文档规划

根据工步的定义，每个工步下所划分的零件会在系统自动生成一个三维视图，并且可以自动获取产品的节点信息。在视图中可以添加标签、文字说明等补充信息，可以通过放大缩小、局部详图、剖切、尺寸标注、高亮显示等方式来表示当前的装配内容(见图4)。

图4 装配工艺文档规划

(2)加工工艺文档规划

填写备料单、加工要求等信息，作为加工工艺资源库的基础依据（见图5）。

图5 加工备料单编写示例

(3)关联IPM模型

IPM模型是指虚拟机加仿真过程中产生的中间模型，用来描述经过特定加工步骤后加工模型的实际状态。通过引入IPM模型，可以更好地在三维加工工艺中描述加工过程。

    2.4 三维工艺文档输出与发布

三维工艺编制完成后，可以按照企业定制的内容与格式生成三维工艺文件，并提交到PDM系统进行审批（见图6）。

图6 三维加工工艺输出示例

审批通过后，将三维工艺文档输出并发布到MES/PDM系统中，作为指导生产的依据。

    2.5 三维工艺文档现场可视化

生产现场可以直接浏览三维工艺文档，查看产品三维模型，代替原始的二维工程图，节省识图时间，提高工作效率，也避免了二维工程图的歧义描述。

3 结束语

MBD是飞机制造数字化的新阶段和总趋势，而三维工艺建设是实现MBD的一项重要内容，也是MBD的关键所在。在三维模型上进行三维工艺方案设计、三维工艺详细规划设计、三维工艺文档规划、三维工艺的卡片的输出等，不仅提高了协同从设计部门、工艺部门和生产部门的之间的效率，更提高了企业生产制造的水平，大大缩短了飞机制造周期。