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基于MBD的飞机装配技术发展及应用
时间:2019-03-22 来源:PLM之神
 

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。12Bet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。


PART

01

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。


PART

02

基于MBD的飞机装配工艺设计

随着MBD在飞机研制领域的发展和应用,MBD技术的各种标准和规范更加详细及完善,使三维工艺设计具备了应用基础。目前,基于MBD模型的三维工艺设计从概念设计阶段,发展到了应用于全机设计制造过程中。飞机装配是一个高度复杂而且又极其重要的工作,只有严格地按照装配工艺规程一A0(Assembly Order,装配指令)进行,才能保障装配工作的顺利进行以及保证产品质量。三维物料清单BOM重构技术是实现三维数字化装配工艺设计的数据基础。在面向MBD的飞机装配过程中,BOM以结构树的形式表达产品信息。产品设计人员根据MBD数据集建立产品工程物料清单EBOM,工艺设计部门以EBOM为依据生成计划物料清单PBOM,再由制造部门根据PBOM对工艺装配步骤进行详细设计,得到制造物料清单MBOM,采用最终形成的装配工艺结构树来指导装配生产。

12Bet装配工艺模型是指对虚拟装配工艺规划过程中形成的装配顺序、装配路径等各种工艺信息,进行描述和存储的数字化表达方法,其任务是在虚拟装配环境下以装配工艺结构树为依据,对产品开展装配工艺规划与仿真工作,如图1所示。在三维环境下进行装配工艺设计和仿真、工艺信息的输出和变更等过程中,所有产品几何模型和工艺信息等数据均通过网络以数据流的方式进行传递,而搭建数字化协同应用平台,可以确保在三维环境下进行装配工艺设计、仿真和三维工艺指令生成等过程中所需数据源实现单一化。

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12Bet图1 装配工艺模型设计过程

12Bet飞机装配工艺规划的核心内容是通过使用合理的工艺方法和设备,制定与规划飞机装配工艺流程。MBD技术使飞机装配工艺流程发生了巨大改变,实现了并行工程理念,对飞机装配工艺结构树的制定、装配工艺信息的提取与导入,以及装配工艺设计与仿真的过程等提出了更加合理高效的数字化方法。


PART

03

基于MBD的飞机装配工艺仿真


12Bet由于MBD技术在飞机制造过程中的广泛应用,飞机装配工艺设计与仿真以及工艺信息的管理方式等将产生极大改变。根据产品的MBD数据集建立各种BOM表,从而得到产品结构树,以产品结构树为基础,制定装配方案,提出工装要求,划分并细化各装配单元到“工步”级别,从而生成装配工艺结构树,并且使之与产品和制造资源相关联将其分配给相关人员在虚拟环境下并行的,进行装配工艺设计与仿真优化,形成三维工艺文件,最后得到包含所有产品装配信息的装配工艺模型。装配仿真是产品实物装配前,由工艺人员在三维环境下以交互式方式开展的虚拟装配过程,其任务是通过发现装配过程中存在的干涉、碰撞等问题,并对装配工艺进行优化,从而使装配工艺设计更加合理。基于MBD的飞机装配仿真是在虚拟装配环境下,对飞机数字化装配过程实时仿真,优化装配顺序及路径,检查产品、工装以及工艺设计是否合理等,为产品的设计、制造及装配等提供可靠依据,其流程如图2所示。使用装配工艺仿真与优化技术可以取代传统物理样机,降低了装配周期与研发成本,减少了产品故障率,提髙了产品质量,避免了因装配过程反复、人为差错,以及装配路径干涉等情况带来的重复设计与工程修改。

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图2 基于MBD的飞机装配工艺过程仿真流程

飞机装配仿真技术使得飞机制造在工艺设计环节具备了三维工艺验证能力,从而解决了实物装配中装配顺序、装配干涉、工装夹具的要求、操作空间等一系列问题,保证了飞机装配工作顺利进行。飞机装配仿真流程包括建立仿真环境、装配工艺规划、装配仿真和优化等部分。在虚拟环境下建立仿真装配环境,导入MBD数据集中的三维数字化模型,并根据装配工艺规程的要求,建立飞机虚拟装配生产线,并对工装夹具、工作台和工具库等进行合理布局。装配工艺仿真主要分为:1)装配顺序和装配路径仿真。根据产品的工艺指令、模型及资源等信息,在虚拟装配环境下动态地显示装配顺序和路径以及装配方法等。通过视觉观察,可实时检查装配过程中零件、工装等彼此之间的干涉和碰撞情况,通过优化调整来使装配顺序和路径更加合理。2)装配干涉仿真。通过装配干涉仿真可以避免装配过程中物体间的干涉碰撞问题,保障产品设计和工艺设计的合理性。在碰撞干涉检查中,静态干涉检查通常用于检查装配体之间的相对位置干涉情况,以及产品容差分配的合理性,而动态干涉检查则在装配体运动过程中,对零件运动包络体的碰撞干涉情况进行检查。3)人机工程仿真。根据装配工艺规程,对装配过程中操作空间的开敞性、工人姿态的舒适性、工具的可达性、产品的可视性等进行仿真分析,使装配过程更加的合理化、人性化。以DELMIA仿真应用平台为例,装配工艺仿真如图3所示。

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图3 装配工艺仿真

最后,根据上述仿真结果,对装配工艺、工装结构、装配顺序和路径,以及生产线布局等检查出的问题进行综合优化,保障在生产现场进行飞机产品实物装配过程中实现工艺指令合理、人机环境良好、劳动强度适当和装配效率提尚等目标。

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04

展望

12Bet随着产品定义从传统二维工程图到数字化定义再到MBD的发展,对装配效率的提高、装配返工率的降低、装配质量的保证都有了极大的改善,缩短了制造周期、产生了显著的经济效益。MBD技术在未来的发展和应用中,全三维定义的方法和规范、工艺衍生模型、基于模型定义的装配工艺设计流程等还要进一步完善,开放性问题还应继续深入研究。飞机装配工艺设计与仿真技术在现代飞机产品的研制过程中,具有举足轻重的地位,而MBD技术的应用,对飞机装配和仿真提出了全新的要求。只有在突破传统的二维观念的同时,不断完善系统应用环境以及现场软件条件,提高设计人员、工艺人员和现场工人的综合水平,才能使MBD技术在数据集管理、工艺设计与仿真等飞机装配过程中得以广泛应用。随着MBD技术在工程应用中逐渐发展和完善,飞机装配技术必将取得极大的提高。


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