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        基于MBD的數(shù)字化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資源庫應(yīng)用探索

        2016-06-05 03:50:54田憲偉
        航空制造技術(shù) 2016年11期
        關(guān)鍵詞:標(biāo)準(zhǔn)件資源庫模板

        田憲偉

        (中航通飛研究院有限公司,珠海 519040)

        MBD技術(shù)是波音公司在研制新一代波音737NX飛機(jī)時(shí)提出的,項(xiàng)目實(shí)施過程中建立和實(shí)施了飛機(jī)構(gòu)型定義與控制/制造資源管理系統(tǒng)(DCAC/MRM),該系統(tǒng)結(jié)合MBD技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了大量數(shù)字化工具的開發(fā)與數(shù)字化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資源庫建設(shè),使數(shù)字化設(shè)計(jì)和應(yīng)用技術(shù)達(dá)到了一個(gè)新的高度??v觀全球飛機(jī)研制,數(shù)字化技術(shù)已成為各大飛機(jī)公司提升企業(yè)研發(fā)效能,優(yōu)化企業(yè)研制流程,提高企業(yè)創(chuàng)新能力的有效工具[1]。

        我國航空業(yè)的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用發(fā)展迅速,MBD技術(shù)的引入和工程實(shí)踐也已開展多年,MBD技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中已得到了初步的應(yīng)用,但基于MBD的數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化集成應(yīng)用體系尚未完全形成,模型的幾何信息及非幾何信息的定義主要依賴設(shè)計(jì)人員手動(dòng)進(jìn)行,標(biāo)準(zhǔn)件、材料、技術(shù)注釋等雖然建立了基本的數(shù)字化使用與管理系統(tǒng),但各系統(tǒng)架構(gòu)不一,不利于設(shè)計(jì)與管理效能的提升,各種信息的建立、更改、統(tǒng)計(jì)及管理不能滿足型號(hào)整個(gè)產(chǎn)品生命周期構(gòu)型管理的要求[2-6]。全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)時(shí)代的到來使如何建立標(biāo)準(zhǔn)件、材料、技術(shù)注釋的唯一數(shù)據(jù)源,讓設(shè)計(jì)員能充分借鑒以往型號(hào)經(jīng)驗(yàn),快速獲得相關(guān)信息,根據(jù)模板建立MBD模型,提高建模規(guī)范性、一致性、準(zhǔn)確性,利用信息技術(shù)開展標(biāo)準(zhǔn)化工作,提升工程化應(yīng)用水平,提高標(biāo)準(zhǔn)化綜合效益,已成為航空業(yè)深入實(shí)施MBD技術(shù)不斷研究的課題。本文將從模板工具、材料庫、技術(shù)注釋庫、標(biāo)準(zhǔn)件庫的頂層管理架構(gòu)及CATIA/VPM應(yīng)用端使用兩個(gè)方面進(jìn)行探討。

        基礎(chǔ)資源庫系統(tǒng)架構(gòu)

        全數(shù)字化時(shí)代,數(shù)字化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資源庫作為飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)應(yīng)用資源,已經(jīng)成為航空各主機(jī)廠所保證數(shù)據(jù)源唯一性、正確性,實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。企業(yè)基礎(chǔ)資源庫應(yīng)結(jié)合數(shù)據(jù)管理平臺(tái)、數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件及未來的數(shù)字化方向,統(tǒng)籌考慮,避免重復(fù)建設(shè),利用標(biāo)準(zhǔn)化方法與技術(shù),深入分析和挖掘各種數(shù)據(jù)信息和應(yīng)用需求,構(gòu)建統(tǒng)一的資源庫管理系統(tǒng)。基礎(chǔ)資源庫系統(tǒng)架構(gòu)功能模型如圖1所示。該資源庫主要包括MBD模板庫、標(biāo)準(zhǔn)件庫、材料庫、技術(shù)注釋庫等,可隨數(shù)字化設(shè)計(jì)的需要不斷擴(kuò)展。MBD模板是三維建模的基礎(chǔ),設(shè)計(jì)員在模板基礎(chǔ)上建模不但提高建模的效率與規(guī)范性,而且便于標(biāo)準(zhǔn)件、材料、技術(shù)注釋等數(shù)據(jù)信息無縫集成到MBD模型結(jié)構(gòu)樹下,建立真正意義上的數(shù)字化模型。數(shù)字化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資源庫系統(tǒng)包括兩個(gè)子系統(tǒng),CATIA/VPM客戶端應(yīng)用工具系統(tǒng)和基礎(chǔ)資源庫管理系統(tǒng),CATIA/VPM客戶端應(yīng)用工具系統(tǒng)與基礎(chǔ)資源庫管理系統(tǒng)之間采用Web Service組件技術(shù),實(shí)現(xiàn)C/S架構(gòu)之間的信息通信功能。數(shù)據(jù)層是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)建立的基于數(shù)據(jù)庫格式的規(guī)范化的數(shù)據(jù),管理人員在Web環(huán)境下對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件、材料、技術(shù)注釋等數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽與規(guī)范、統(tǒng)一、高效的管理。設(shè)計(jì)員通過CATIA/VPM與數(shù)據(jù)庫接口完成對(duì)規(guī)范的數(shù)據(jù)快速調(diào)用,并將數(shù)據(jù)信息加載到MBD模型。

        1 CATIA/VPM客戶端應(yīng)用工具系統(tǒng)

        CATIA/VPM客戶端應(yīng)用工具系統(tǒng)基于CATIA CAA二次開發(fā)技術(shù)在CATIA V5/VPM上開發(fā)專用工具并與CATIA V5/VPM平臺(tái)集成在一起,設(shè)計(jì)員在三維設(shè)計(jì)環(huán)境能夠及時(shí)查詢所需要的標(biāo)準(zhǔn)件、材料、技術(shù)注釋等信息,并根據(jù)需要自動(dòng)加載到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹或模型結(jié)構(gòu)樹下?;竟δ苋缦拢?/p>

        (1)數(shù)據(jù)申請(qǐng)功能:如果設(shè)計(jì)員所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如材料、技術(shù)注釋不在型號(hào)選用目錄范圍內(nèi),設(shè)計(jì)員不需要進(jìn)入資源庫管理界面,直接在應(yīng)用端口進(jìn)行數(shù)據(jù)申請(qǐng),經(jīng)管理人員批準(zhǔn)后即可進(jìn)入選用目錄供設(shè)計(jì)員調(diào)用,實(shí)現(xiàn)數(shù)字化在線申請(qǐng)、在線設(shè)計(jì)、管理平臺(tái)自動(dòng)記錄,可供追溯。

        (2)數(shù)據(jù)查詢功能:可根據(jù)材料類別、標(biāo)準(zhǔn)件類別、注釋類別快速查找所需的材料、標(biāo)準(zhǔn)件、技術(shù)注釋等,依據(jù)不同的信息檢索庫顯示不同的搜索條件,并提供級(jí)聯(lián)搜索和關(guān)鍵字搜索功能。

        (3)數(shù)據(jù)調(diào)用功能:設(shè)計(jì)員選定所需要的材料、技術(shù)注釋、緊固件數(shù)據(jù)后,系統(tǒng)自動(dòng)將數(shù)據(jù)加載到MBD模型結(jié)構(gòu)樹下相應(yīng)的“材料注釋”、“零件注釋”或“緊固件”幾何圖形集下。

        (4)數(shù)據(jù)檢查功能:設(shè)計(jì)過程中各種數(shù)據(jù)不斷更新,在MBD模型進(jìn)行電子審簽前,提供數(shù)據(jù)的自動(dòng)檢查,保證模型中材料、標(biāo)準(zhǔn)件、技術(shù)注釋的數(shù)據(jù)是最新的、正確的,并在選用目錄范圍內(nèi)。

        2 基礎(chǔ)資源庫管理系統(tǒng)

        基礎(chǔ)資源庫管理系統(tǒng)基于Web JAVA語言開發(fā),整個(gè)架構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì),分為數(shù)據(jù)服務(wù)、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)審核以及系統(tǒng)權(quán)限管理等功能模塊,可根據(jù)用戶業(yè)務(wù)需求進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展。基礎(chǔ)資源庫管理功能如下:

        (1)數(shù)據(jù)管理模塊:管理人員負(fù)責(zé)對(duì)基礎(chǔ)資源庫維護(hù)和數(shù)據(jù)進(jìn)行分類管理,提供各種數(shù)據(jù)條目的增加、刪除、查詢、更改等功能,以及提供批量數(shù)據(jù)導(dǎo)入、導(dǎo)出及統(tǒng)計(jì)等功能。

        (2)數(shù)據(jù)審核模塊:提供設(shè)計(jì)、審核、標(biāo)審三級(jí)數(shù)據(jù)入庫審簽流程,標(biāo)準(zhǔn)化管理人員對(duì)設(shè)計(jì)人員提交的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)審、編輯、查重,保證數(shù)據(jù)源的正確性、唯一性、規(guī)范性。

        (3)用戶及權(quán)限管理模塊:對(duì)用戶進(jìn)行角色管理,按角色配置使用權(quán)限,設(shè)計(jì)和管理權(quán)限分離,提供角色、權(quán)限定義,如增加用戶、刪除用戶、修改用戶密碼等功能。

        (4)型號(hào)管理模塊:研制初期確定標(biāo)準(zhǔn)件、材料、技術(shù)注釋選用范圍,設(shè)計(jì)人員在選用范圍內(nèi)調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù),標(biāo)準(zhǔn)化管理人員可根據(jù)設(shè)計(jì)員申請(qǐng)?jiān)黾訑?shù)據(jù),便于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件及材料進(jìn)行優(yōu)化及管控,提高“三化”水平。

        (5)數(shù)據(jù)服務(wù)模塊:提供Web Service接口,為供應(yīng)商數(shù)字化信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)查詢及應(yīng)用集成提供接口。

        圖1 數(shù)字化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資源庫功能模型Fig.1 Function model of digital design resource library

        MBD模板庫的建立

        采用MBD技術(shù)進(jìn)行飛機(jī)設(shè)計(jì)過程中,各種設(shè)計(jì)信息與管理信息的規(guī)范統(tǒng)一是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造一體化的前提,通過規(guī)范化、格式化的數(shù)據(jù)提高對(duì)MBD模型的理解,因此編制MBD標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范將非幾何信息及管理信息,如材料信息、技術(shù)注釋信息及管理屬性規(guī)范化,并通過CATIA軟件提供的幾何圖形集及參數(shù)工具建立表達(dá)統(tǒng)一的MBD模型結(jié)構(gòu)樹,建立機(jī)件、鈑金件、標(biāo)準(zhǔn)件、成品、復(fù)合材料件MBD模板庫。對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件來說,梁、肋、框、長桁、接頭等典型結(jié)構(gòu)件構(gòu)成了飛機(jī)主要結(jié)構(gòu),典型結(jié)構(gòu)件使用頻率高,可以將典型結(jié)構(gòu)件進(jìn)行分類,將設(shè)計(jì)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)通過參數(shù)形式編入設(shè)計(jì)表中,借助CATIA二次開發(fā)功能及參數(shù)化工具建立結(jié)構(gòu)件參數(shù)模板庫(圖2),方便設(shè)計(jì)員在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)按照要求調(diào)用不同的模板零件,簡化了設(shè)計(jì)過程,規(guī)范了建模操作,提高了工作效率。

        企業(yè)型號(hào)研制眾多,可通過模板庫管理系統(tǒng)建立不同型號(hào)的模板庫,實(shí)現(xiàn)模板的建立、修改與管理機(jī)制,從源頭保證數(shù)據(jù)建立的完整性、統(tǒng)一性,實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部設(shè)計(jì)人員對(duì)資源的有效共享及知識(shí)的不斷積累。

        圖2 典型飛機(jī)結(jié)構(gòu)件參數(shù)化模板Fig.2 Parameter template of representative aircraft structure part

        圖3 材料庫管理及應(yīng)用功能模型Fig.3 Management and using function model of material library

        材料庫信息的集成應(yīng)用

        在過去的三維為主二維為輔的研制模式中,材料庫的作用只是將材質(zhì)球賦予三維模型,起到計(jì)算重量的作用,作用有限,關(guān)注較少[7-10]。在MBD模式下,不但材料名稱、材料牌號(hào)、規(guī)格、材料規(guī)范等信息要與MBD模型集成,更重要的是通過材料庫的管理功能實(shí)現(xiàn)對(duì)供應(yīng)商管理、性能數(shù)據(jù)瀏覽、使用經(jīng)驗(yàn)的積累,并通過型號(hào)管理功能,開展材料的優(yōu)化設(shè)計(jì),合并材料牌號(hào)和規(guī)格,完成材料數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)工作。材料庫功能模型如圖3所示。

        在CATIA/VPM客戶工具端,設(shè)計(jì)員使用瀏覽功能,翻閱材料規(guī)范,查看材料的性能、價(jià)格及使用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),進(jìn)行零件材料的選取,確定所選材料后,在MBD零件模型根節(jié)點(diǎn)下自動(dòng)加載材質(zhì)球,并將材料名稱、牌號(hào)、供應(yīng)商等信息自動(dòng)加載到模型結(jié)構(gòu)樹的“材料注釋”幾何圖形集相應(yīng)的參數(shù)下,完成材料信息的調(diào)用。系統(tǒng)根據(jù)材質(zhì)球,自動(dòng)進(jìn)行重量、中心及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算,并根據(jù)材料的顏色完成零件模型顏色的設(shè)置。從而完成材料選取、調(diào)用、材料信息加載及數(shù)據(jù)計(jì)算的自動(dòng)化集成應(yīng)用。

        在基于Web的服務(wù)器管理系統(tǒng)上利用型號(hào)管理功能,在初步設(shè)計(jì)階段確定型號(hào)材料選用目錄,隨著設(shè)計(jì)的不斷深入,對(duì)設(shè)計(jì)員調(diào)用的材料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,利用數(shù)字化手段開展材料優(yōu)化工作,減少材料的選用范圍和規(guī)格,對(duì)于不能滿足要求的材料及時(shí)從型號(hào)材料選用目錄中刪除,避免被設(shè)計(jì)員繼續(xù)選用,以達(dá)到控制材料選用的目的。材料檢查能夠?qū)崿F(xiàn)客戶工具端與管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)的交互,對(duì)于管理平臺(tái)已經(jīng)更新的材料數(shù)據(jù),及時(shí)通知設(shè)計(jì)員進(jìn)行材料的重新選取,對(duì)于已經(jīng)確定選用的材料,客戶端發(fā)送采用通知給管理系統(tǒng),進(jìn)行材料采用統(tǒng)計(jì)分析,標(biāo)準(zhǔn)化管理人員可將型號(hào)最終采用的材料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)輸出。對(duì)于已經(jīng)成熟應(yīng)用于某一零件或部位的材料,通過經(jīng)驗(yàn)共享模塊將材料選用經(jīng)驗(yàn)積累并共享,不但提高效率,而且提高了正確性。

        技術(shù)注釋的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)

        在二維工程圖時(shí)代,技術(shù)注釋通常由設(shè)計(jì)人員標(biāo)注在圖紙右側(cè)。采用MBD技術(shù)后,三維數(shù)模必須能夠?qū)夹g(shù)注釋進(jìn)行合理表達(dá),實(shí)現(xiàn)無圖設(shè)計(jì)。因此技術(shù)注釋在MBD技術(shù)應(yīng)用過程中要解決幾個(gè)核心關(guān)鍵問題:(1)技術(shù)注釋的表達(dá)方式;(2)技術(shù)注釋的分類管理;(3)技術(shù)注釋的數(shù)字化統(tǒng)一編碼;(4)技術(shù)注釋標(biāo)注的規(guī)范性及標(biāo)注的效率。

        1 技術(shù)注釋的分類與規(guī)范化

        由于技術(shù)注釋跟材料、工藝、加工方法直接有關(guān),關(guān)系復(fù)雜、內(nèi)容繁雜、數(shù)據(jù)離散、表達(dá)不一,因此在技術(shù)注釋確定過程中標(biāo)準(zhǔn)化人員必須提前介入,將技術(shù)注釋內(nèi)容的表述、專業(yè)術(shù)語、用詞或用語規(guī)范化、統(tǒng)一化,避免歧義與理解錯(cuò)誤。同時(shí),為便于注釋的添加、修改管理及CATIA/VPM客戶端查詢、調(diào)用,通過對(duì)技術(shù)注釋內(nèi)容進(jìn)行分析,根據(jù)工藝、加工方法進(jìn)行分類,見表1。

        表1 技術(shù)注釋類別劃分

        圖4 技術(shù)注釋的表達(dá)與調(diào)用Fig.4 Expression and using method of technical note

        圖5 標(biāo)準(zhǔn)件庫功能模型Fig.5 Function model of standard part library

        2 技術(shù)注釋數(shù)字化編碼及調(diào)用

        MBD技術(shù)要求技術(shù)注釋必須以“數(shù)字量”進(jìn)行表達(dá),用數(shù)字化編號(hào)對(duì)技術(shù)注釋進(jìn)行身份標(biāo)識(shí),技術(shù)注釋的數(shù)字化編碼由對(duì)象類別、注釋類別、明細(xì)類別和順序號(hào)10位字母及數(shù)字組合構(gòu)成。對(duì)象類別主要用來區(qū)分產(chǎn)品對(duì)象,如飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)載成品,用1、2、3代表。注釋類別主要分為通用注釋、零件/裝配件注釋,分別用字G、P和M表示[7]。明細(xì)類別編號(hào)用兩位數(shù)字表達(dá),見表1。CATIA/VPM客戶端,設(shè)計(jì)員根據(jù)產(chǎn)品的對(duì)象類別、注釋類別、明細(xì)類別在龐大技術(shù)注釋庫中進(jìn)行檢索,根據(jù)關(guān)鍵字進(jìn)行全庫搜索,選擇相應(yīng)的技術(shù)注釋條目及模型結(jié)構(gòu)樹下的“零件注釋”幾何圖形集,一條完整的零件技術(shù)注釋的表達(dá)如圖4所示。

        技術(shù)注釋內(nèi)容不可更改,如有錯(cuò)誤,必須由標(biāo)準(zhǔn)化管理員在管理平臺(tái)統(tǒng)一更改,設(shè)計(jì)員根據(jù)數(shù)據(jù)檢查結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。如需新增注釋,可在客戶端提出新增注釋申請(qǐng),經(jīng)過審核、標(biāo)審后才能入庫,方能調(diào)用,從數(shù)據(jù)源頭保證數(shù)據(jù)的規(guī)范性、正確性、唯一性。

        標(biāo)準(zhǔn)件庫的應(yīng)用擴(kuò)展

        采用MBD技術(shù)后,標(biāo)準(zhǔn)件的使用方法發(fā)生了根本變化,必須根據(jù)應(yīng)用需求建立基于數(shù)據(jù)庫格式的規(guī)范數(shù)據(jù)格式。不但要根據(jù)設(shè)計(jì)需要能建立參數(shù)化實(shí)體標(biāo)準(zhǔn)件三維模型,而且要滿足緊固件快速設(shè)計(jì)與表達(dá)的需要,在裝配信息模型中進(jìn)行緊固件參數(shù)化點(diǎn)、線、圓簡化定義,又要有利于以XML格式對(duì)緊固件BOM輸出、統(tǒng)計(jì),實(shí)現(xiàn)緊固件信息的集成和共享。標(biāo)準(zhǔn)件功能模型見圖5。簡化定義的標(biāo)準(zhǔn)件能夠以生成三維實(shí)體標(biāo)準(zhǔn)件的參數(shù)信息來生成點(diǎn)、線、圓表達(dá)的緊固件數(shù)據(jù),保證三維實(shí)體數(shù)模的參數(shù)和簡化表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)數(shù)據(jù)源唯一,從而實(shí)現(xiàn)MBD模式下標(biāo)準(zhǔn)件的全數(shù)字化表達(dá)。簡化表達(dá)的緊固件各種數(shù)據(jù)信息與標(biāo)準(zhǔn)件管理系統(tǒng)中的管理數(shù)據(jù)及參數(shù)化設(shè)計(jì)表中的幾何尺寸信息相互關(guān)聯(lián),根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)件庫中的信息,實(shí)時(shí)調(diào)用CAITA及VPM系統(tǒng)中的各種工具,生成簡化表達(dá)的緊固件格式化數(shù)據(jù)。為了便于電子樣機(jī)的干涉檢查,簡化表達(dá)的緊固件可以實(shí)時(shí)從標(biāo)準(zhǔn)件庫調(diào)用輕量化標(biāo)準(zhǔn)件實(shí)體數(shù)模進(jìn)行裝配檢查,既減少了數(shù)據(jù)量,又可實(shí)現(xiàn)模型的可視化。管理人員及設(shè)計(jì)員在Web環(huán)境下對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽與管理,設(shè)計(jì)員通過CAD軟件與數(shù)據(jù)庫接口完成三維數(shù)據(jù)的調(diào)用。

        結(jié)束語

        本文在MBD初始應(yīng)用的基礎(chǔ)上,結(jié)合企業(yè)型號(hào)研制的實(shí)際需求,將型號(hào)研制過程中基礎(chǔ)的材料、標(biāo)準(zhǔn)件、技術(shù)注釋等信息標(biāo)準(zhǔn)化,并通過信息技術(shù)推進(jìn)型號(hào)研制過程中的標(biāo)準(zhǔn)化工作,探索基于PLM系統(tǒng)的MBD協(xié)同集成應(yīng)用,建立基于VPM的MBD模板庫及技術(shù)注釋庫,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件庫和材料庫進(jìn)行擴(kuò)展和MBD技術(shù)融合,建立起支持MBD設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資源庫集成應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行管理與設(shè)計(jì)效率雙重提升,通過標(biāo)準(zhǔn)的貫徹與信息化集成提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

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