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        面向船舶制造的MBD數(shù)據(jù)構(gòu)建與數(shù)據(jù)管理

        2015-12-04 07:06:46李明宇張文俊何景異
        艦船科學(xué)技術(shù) 2015年3期
        關(guān)鍵詞:基準(zhǔn)面實(shí)體模型基準(zhǔn)

        李明宇,徐 巍,張文俊,何景異

        (武漢第二船舶設(shè)計研究所,湖北 武漢430074)

        0 引 言

        船舶制造是典型的大型裝備制造行業(yè),代表一個國家的綜合經(jīng)濟(jì)實(shí)力和技術(shù)實(shí)力。隨著我國船舶制造業(yè)數(shù)字化技術(shù)的迅速發(fā)展,傳統(tǒng)的以二維圖紙為主的設(shè)計制造模式已無法適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的要求,以三維建模技術(shù)為基礎(chǔ)的三維數(shù)字化技術(shù)將成為未來船舶業(yè)制造發(fā)展的一個重要方向?;谀P投x(Model-Based Definition,MBD)的船舶三維模型建模方法是一種面向計算機(jī)應(yīng)用的船舶數(shù)字化定義方法與技術(shù),其目的是采用集成化的三維實(shí)體模型完成船舶產(chǎn)品信息的表達(dá),實(shí)現(xiàn)單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源下的數(shù)字化裝配與制造。

        MBD 建模方法的核心思想是將傳統(tǒng)二維工程圖紙信息以三維數(shù)字化方式重新定義,在三維實(shí)體模型中完整的表達(dá)產(chǎn)品的設(shè)計、工藝、裝配和制造等信息,實(shí)現(xiàn)面向制造和裝配的設(shè)計[1]?;贛BD的模型定義方法起源于數(shù)字化制造技術(shù)的深入發(fā)展及航空領(lǐng)域?qū)s短飛機(jī)研制周期、降低研制成本的需求[2]。作為面向船舶裝配工藝的信息載體,MBD建模方法將在未來的產(chǎn)品設(shè)計及產(chǎn)品制造過程中發(fā)揮重要支撐作用。

        國外目前的MBD 技術(shù)應(yīng)用已相對比較成熟,波音、空客、洛克希德·馬丁等航天航空企業(yè)均在其產(chǎn)品設(shè)計與制造過程中全面采用MBD 建模方法,并將其作為產(chǎn)品管理過程中的唯一數(shù)據(jù)來源[3-5]。波音公司在2004年研發(fā)的B-787 項(xiàng)目中,通過全面推廣與使用MBD 建模方法,使該客機(jī)項(xiàng)目的研發(fā)周期縮短40%,工程返工減少50%[6]。目前,我國基于MBD的建模方法尚處在研究初期,存在缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)可視化程度不高、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息難以表達(dá)等缺點(diǎn),許多問題尚待進(jìn)一步的研究與發(fā)展[7-10]。

        隨著三維數(shù)字化技術(shù)在船舶制造業(yè)的應(yīng)用深入,現(xiàn)有的三維建模方法難以實(shí)現(xiàn)從零件設(shè)計、裝配工藝到制造過程的信息實(shí)時交互,難以保證設(shè)計制造過程中產(chǎn)品、資源和工藝信息的完整性與一致性。本文以船舶制造業(yè)為研究背景,以三維實(shí)體模型為研究對象,構(gòu)建了面向船舶制造業(yè)的MBD數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及MBD數(shù)據(jù)管理方法,以滿足三維模型中模型對裝配制造信息的需求,達(dá)到提高船舶設(shè)計效率與可制造性,并將MBD數(shù)據(jù)作為產(chǎn)品模型設(shè)計與制造中的唯一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源的目的。

        1 MBD數(shù)據(jù)構(gòu)建

        面向船舶制造的MBD數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括幾何信息與非幾何信息兩類,其內(nèi)容涵蓋有坐標(biāo)系、實(shí)體模型、基準(zhǔn)、標(biāo)注信息、工藝屬性等5 類信息,如圖1所示。

        圖1 面向船舶制造的MBD數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.1 MBD data structure for shipbuilding

        面向船舶制造的MBD數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)M 可表示為:

        1)坐標(biāo)系信息

        坐標(biāo)系信息是三維模型建立的基礎(chǔ),坐標(biāo)系可分為世界坐標(biāo)系CSw和局部坐標(biāo)系CSp。

        在面向產(chǎn)品制造信息定義的過程中,具有相互關(guān)聯(lián)(父子關(guān)系等)的零件三維模型在設(shè)計時可用局部坐標(biāo)系為基準(zhǔn)設(shè)計零件,以減少工藝設(shè)計過程中的定位問題。

        2)實(shí)體模型信息

        實(shí)體模型信息由滿足制造需求的特征信息組成,其基本結(jié)構(gòu)為三角形片面結(jié)構(gòu),實(shí)體模型幾何要素的特征描述分別為幾何特征SMf,幾何形面SMp以及幾何區(qū)域SMa。

        其中,幾何特征是指在三維建模過程中,零件幾何元素形狀描述所使用的特征形狀,如內(nèi)/外螺紋、倒圓角、凹槽、拔模斜度等;幾何形面是指構(gòu)成基本幾何形狀的幾何面片要素,如平面、曲面、回轉(zhuǎn)面、柱面等;幾何區(qū)域隸屬于幾何形面的一部分,是具有特定要求的區(qū)域。

        實(shí)體模型信息是面向船舶制造的MBD數(shù)據(jù)構(gòu)建的基礎(chǔ),實(shí)體模型信息是其他非幾何信息(基準(zhǔn)、標(biāo)注及工藝屬性)的載體,通過將模型中幾何特征、幾何形面及幾何區(qū)域信息有機(jī)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品零部件幾何特征的準(zhǔn)確描述。

        3)基準(zhǔn)信息

        基準(zhǔn)信息是MBD 建模技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。基準(zhǔn)信息是用來確定設(shè)計與制造過程中產(chǎn)品的點(diǎn)、面等幾何關(guān)系的信息,基準(zhǔn)按類型可分為基準(zhǔn)點(diǎn)BMp和基準(zhǔn)面BMl兩類。

        基準(zhǔn)點(diǎn)可分為設(shè)計基準(zhǔn)點(diǎn)、工藝基準(zhǔn)點(diǎn)及制造基準(zhǔn)點(diǎn),在面向船舶制造的MBD 建模技術(shù)中,設(shè)計基準(zhǔn)點(diǎn)用途非常廣泛,它既可以輔助定義模型特征的位置,又可以輔助建立其他基準(zhǔn)特征,如基準(zhǔn)軸、基準(zhǔn)曲線等基準(zhǔn)特征的建立。

        基準(zhǔn)面是指用于制造和檢驗(yàn)所創(chuàng)建的基準(zhǔn)元素的平面,基準(zhǔn)面可分為設(shè)計基準(zhǔn)面和加工制造基準(zhǔn)面。其中,設(shè)計基準(zhǔn)面指三維設(shè)計過程中建立的基準(zhǔn)面,此類基準(zhǔn)面更多的是面向零部件的設(shè)計過程;加工基準(zhǔn)面則面向的是工藝與制造過程中的基準(zhǔn)。在面向船舶制造的MBD 建模技術(shù)過程中,應(yīng)將兩者基準(zhǔn)面準(zhǔn)確區(qū)分及盡量統(tǒng)一,以利于設(shè)計與工藝、制造之間的信息交互。

        4)標(biāo)注集

        三維標(biāo)注是船舶制造業(yè)發(fā)展的重要方向,也是三維數(shù)字化技術(shù)替代二維平面技術(shù)的基礎(chǔ)。面向船舶制造的三維標(biāo)注,具有二維圖紙所沒有的直觀性與簡易性等特殊優(yōu)勢。通過對設(shè)計環(huán)節(jié)的零件信息標(biāo)注及制造環(huán)節(jié)的工藝信息標(biāo)注,可實(shí)現(xiàn)三維產(chǎn)品在整個規(guī)劃設(shè)計到制造過程的數(shù)字化信息實(shí)時交互。面向船舶制造的MBD 標(biāo)注集信息主要集中在零件質(zhì)量ACq、尺寸ACm、注釋ACn、精度ACp特征等4個方面。

        零件質(zhì)量信息與產(chǎn)品及零部件的材料、體積相關(guān),質(zhì)量信息一般保存在產(chǎn)品零件幾何體的屬性信息。

        尺寸信息分為定形尺寸、定位尺寸及總體尺寸。其中定形尺寸為確定基本幾何體大小所需要的尺寸,如孔徑、邊長等;定位尺寸即描述基本幾何體之間的相對位置的尺寸,如孔中心軸與裝配長方體邊界的距離;總體尺寸即指裝配體或零部件的總長度、總寬度及總高度等,用以描述裝配體或零部件的主要外形信息。

        注釋信息是對產(chǎn)品設(shè)計與制造過程的解釋說明,注釋信息由標(biāo)準(zhǔn)說明、零件注釋、材料描述與標(biāo)注說明組成,如表1所示。

        表1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)注釋信息Tab.1 Annotation information data structure

        精度特征信息主要用以描述幾何形狀和尺寸的許可變動量及誤差,是船舶設(shè)計、裝配與制造階段的重要依據(jù),如圖2所示。精度特征信息可分為公差信息與表面粗糙度信息兩大類。公差信息可分為尺寸公差信息與幾何公差信息兩大類,公差的準(zhǔn)確標(biāo)注可保證產(chǎn)品的裝配質(zhì)量以及互換性等重要屬性指標(biāo)。

        圖2 精度特征信息分類Fig.2 Precision feature information

        5)工藝屬性

        面向船舶類的工藝屬性信息是制造裝配信息的重要載體,包含零件之間的聯(lián)接關(guān)系PIc、零件使用的工具信息PIt以及裝配方向信息PIac等。裝配聯(lián)接關(guān)系如圖3所示。

        圖3 船舶類制造裝配聯(lián)接關(guān)系圖Fig.3 Connection relation for shipbuilding

        工具信息即是在裝配制造過程中所使用工具的類型及數(shù)量,工具信息的提取可通過對通用工具數(shù)據(jù)庫中的工具編號完成,該方法不僅可以簡化制造系統(tǒng)中零件的規(guī)劃與利用,也利于制造裝配過程中工藝因素的分析。

        方向信息即零部件沿坐標(biāo)系中的某個方向裝配制造信息。原則上,設(shè)計基準(zhǔn)面、裝配基準(zhǔn)面與加工基準(zhǔn)面間無必然聯(lián)系,但在產(chǎn)品設(shè)計與制造的過程中,如可將三者結(jié)合統(tǒng)一,則可以簡化設(shè)計與制造的難度,便于制造方向信息的管理與統(tǒng)一。

        2 MBD的數(shù)據(jù)管理

        在面向船舶制造的MBD數(shù)據(jù)構(gòu)建過程中,對于不同種類的零件,其定義的模型信息不盡相同,即使是同一種類的零件,在三維零件設(shè)計、工藝設(shè)計、制造階段定義的數(shù)據(jù)信息也不盡相同。如在傳動軸三維零件設(shè)計階段,需對該軸的坐標(biāo)系、三維模型、建?;鶞?zhǔn)等進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計說明,在工藝設(shè)計階段需對其加工精度、公差等工藝屬性信息說明,以便于軸系的順利裝配,而在工藝設(shè)計完成后,在三維模型上需要對其截面抗彎剛度、材料等詳細(xì)標(biāo)注說明,以便于加工制造。

        面向MBD的模型信息應(yīng)在不同的設(shè)計、制造階段建立相應(yīng)的模型屬性,以利于數(shù)據(jù)信息的管理與交互。為簡化MBD 模型的復(fù)雜性,便于信息交互,需對原有MBD 模型數(shù)據(jù)進(jìn)行分類管理,在不同的設(shè)計階段分配不同的零件模型及模型信息,以利于零件設(shè)計、工藝設(shè)計和制造設(shè)計。

        圖4 為面向船舶制造的MBD 模型管理流程。由圖可知,MBD 模型經(jīng)設(shè)計發(fā)布后向下傳遞到工藝設(shè)計,通過工藝設(shè)計及仿真預(yù)驗(yàn)證后,將帶有工藝及工裝信息的MBD 模型下放至制造部門,從而實(shí)現(xiàn)制造部門的加工制造。

        為完整清晰地表達(dá)面向船舶制造的MBD數(shù)據(jù)管理模型,可將數(shù)據(jù)管理模型劃分為設(shè)計層、工藝層與制造層,3 層之間相互關(guān)聯(lián),通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互平臺完成信息的交互。其中,設(shè)計層為基礎(chǔ)層,工藝層為中間層,制造層為實(shí)施層,此類分層方法可在較大程度上滿足面向船舶制造業(yè)的三維模型要求。設(shè)計層、工藝層與制造層之間相互關(guān)系的數(shù)據(jù)管理模型如圖5所示。

        1)設(shè)計層

        設(shè)計層包括三維實(shí)體模型信息、坐標(biāo)系信息、尺寸信息以及層次結(jié)構(gòu)樹等三維模型信息,設(shè)計層是整個MBD數(shù)據(jù)構(gòu)建的基礎(chǔ)。設(shè)計層的目的首先是建立和發(fā)布零件的坐標(biāo)系及零件基本尺寸;其次是建立三維零件實(shí)體模型,建立尺寸信息,為后期產(chǎn)品工藝設(shè)計做準(zhǔn)備;最后以產(chǎn)品的模型層次結(jié)構(gòu)樹作為產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的依據(jù)。設(shè)計層的準(zhǔn)確劃分與定義不僅可以滿足設(shè)計部門零件設(shè)計的需求,而且可以實(shí)現(xiàn)零件與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的交互。設(shè)計層是零件設(shè)計的核心層,設(shè)計層包含了基本所有零件設(shè)計信息,但設(shè)計層自身不涉及零件工藝與制造信息的制定。

        圖5 面向船舶制造的MBD數(shù)據(jù)管理模型圖Fig.5 The MBD data management model for shipbuilding

        2)工藝層

        工藝層是面向船舶制造的MBD數(shù)據(jù)管理的核心層,也是面向船舶制造的MBD 模型建立的關(guān)鍵層。工藝層包含了原有二維圖紙中的諸多工藝信息,如零件加工基準(zhǔn)、零件的尺寸公差、表面粗糙度、精度等級等關(guān)鍵工藝信息。工藝層模型建立的目的首先是需要完整清晰的表達(dá)工藝信息;其次是制定工藝規(guī)劃方案;三是實(shí)現(xiàn)工裝工具方案的制定與選型;四是實(shí)現(xiàn)制造方案的驗(yàn)證與分析;五是實(shí)現(xiàn)設(shè)計層與制造層之間的信息交互。

        工藝部門以零件三維模型為基礎(chǔ),制定該零件的初步工藝規(guī)劃方案,完善該零件在制造過程中的基準(zhǔn)、尺寸公差、表面粗糙度、零件精度等級、連接類型、零件的質(zhì)量、材質(zhì)等工藝信息與注釋信息,以完善面向船舶制造的MBD數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。通過對模型零件信息的不斷完善,制定出初步工藝規(guī)劃方案,在三維模型下放到工藝部門的同時,針對設(shè)計過程中的工裝工具,采用裝配仿真軟件對其可制造型分析驗(yàn)證,并將分析驗(yàn)證結(jié)果反饋至數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)工裝工具方案的制定與發(fā)布。

        3)制造層

        制造層是MBD數(shù)據(jù)管理的最頂層,也是數(shù)據(jù)管理的關(guān)鍵層之一,該層模型信息較為簡單,不存在零件設(shè)計層的層次結(jié)構(gòu)樹、坐標(biāo)系等原始模型信息。制造層的目的在于準(zhǔn)確將設(shè)計與工藝部門的信息傳遞到制造部門,滿足制造部門的工藝裝配要求,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的順利制造。

        3 示例應(yīng)用

        圖6所示為某船舶主軸的三維模型,該模型采用CATIA V5R20 為工具建模完成。在以世界坐標(biāo)系為參考建立完成實(shí)體模型后,在實(shí)體模型中標(biāo)注完成基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)信息、工藝屬性等數(shù)據(jù)信息,以實(shí)現(xiàn)面向某船舶主軸MBD信息數(shù)據(jù)的構(gòu)建。

        圖6 某船舶主軸MBD 模型圖Fig.6 The MBD model for a ship axis

        4 結(jié) 語

        MBD 建模技術(shù)是船舶制造業(yè)數(shù)字化設(shè)計與制造研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn),是未來船舶制造業(yè)數(shù)字化發(fā)展的必然趨勢。本文將MBD 建模技術(shù)與船舶制造過程相結(jié)合,以零件三維模型為載體,構(gòu)建面向船舶制造過程的MBD數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),通過對MBD數(shù)據(jù)的設(shè)計層、工藝層與制造層的三層劃分,以滿足制造過程中對三維數(shù)據(jù)的需求,使以MBD 技術(shù)定義的三維模型作為制造過程中的唯一數(shù)據(jù)依據(jù)。

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