張文祥， 張寶， 劉志學(xué)

（1.成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，成都610100；2.成都信息工程大學(xué)控制工程學(xué)院，成都610225）

0 引言

隨著工業(yè)化與信息化的深度融合、智能制造技術(shù)飛速發(fā)展，構(gòu)建基于數(shù)字化的設(shè)計(jì)制造協(xié)同工作環(huán)境是企業(yè)實(shí)現(xiàn)高效、智能發(fā)展的必然趨勢(shì)。MBD技術(shù)將產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造信息共同定義到三維模型中，貫穿于產(chǎn)品整個(gè)生命周期，是集成設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、維護(hù)和管理為一體的先進(jìn)數(shù)字化制造技術(shù)，是企業(yè)邁向MBE的重要基礎(chǔ)[1]。在新產(chǎn)品研制過程中，采用基于MBD的三維數(shù)模作為設(shè)計(jì)制造協(xié)同的唯一數(shù)據(jù)源，可以減少設(shè)計(jì)與制造部門之間的模型溝通和重構(gòu)時(shí)間，限制或消除因模型重構(gòu)而引起的模型不一致等質(zhì)量問題；工藝設(shè)計(jì)過程中使用統(tǒng)一的三維模型實(shí)現(xiàn)虛擬驗(yàn)證與工藝仿真，可以保證工藝文件的準(zhǔn)確性和可操作性；對(duì)三維模型的關(guān)鍵特征識(shí)別和尺寸的提取，使得復(fù)雜產(chǎn)品的自動(dòng)化檢測(cè)成為現(xiàn)實(shí)。因此，制造企業(yè)在實(shí)施智能制造改革和創(chuàng)新的過程中，通過MBD技術(shù)與生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的協(xié)同達(dá)到信息流通是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、信息化和智能化的關(guān)鍵。

在國(guó)內(nèi)，目前MBD技術(shù)已在航空、航天、船舶、汽車等制造企業(yè)廣泛應(yīng)用和推廣，并在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造階段取得了突破性進(jìn)展，MBD技術(shù)的優(yōu)勢(shì)得到了很好的體現(xiàn)。但設(shè)計(jì)與制造協(xié)同之間卻暴露出較大的問題,例如設(shè)計(jì)和工藝系統(tǒng)平臺(tái)不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性無法保證；涉及MBD技術(shù)相關(guān)的規(guī)范未統(tǒng)一，設(shè)計(jì)部門無法完全按照制造部門的要求進(jìn)行定義；傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)習(xí)慣的阻礙；部分企業(yè)無法直接擺脫二維圖樣；業(yè)務(wù)流程中需要產(chǎn)生和管理大量數(shù)據(jù)，掌握相應(yīng)技術(shù)的人員較少；缺乏有效的數(shù)據(jù)提取方法和工具，嚴(yán)重影響產(chǎn)品研制生產(chǎn)周期[2]。因此，將MBD技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品整個(gè)生命周期過程中，真正實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)、規(guī)劃、生產(chǎn)、檢驗(yàn)成為設(shè)計(jì)和制造部門協(xié)同工作的重點(diǎn)研究和實(shí)施方向。圖1展示了基于MBD模式下的產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)制造協(xié)同示意圖。通過企業(yè)的長(zhǎng)期實(shí)踐和應(yīng)用，本文從產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)、數(shù)字化檢驗(yàn)規(guī)劃和數(shù)字化生產(chǎn)制造幾個(gè)方面對(duì)MBD技術(shù)在協(xié)同過程中的應(yīng)用進(jìn)行了梳理。

圖1 數(shù)字化設(shè)計(jì)制造

1 基于MBD的數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)制造企業(yè)在產(chǎn)品研制過程中，設(shè)計(jì)人員和工藝人員需要在三維模型和二維圖樣之間來回轉(zhuǎn)換才能實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)和數(shù)控程序的編制[3]。對(duì)于大型復(fù)雜零件，模型重構(gòu)時(shí)間長(zhǎng)，模型的一致性也難以保證。隨著產(chǎn)品的不斷更新?lián)Q代，零件的復(fù)雜程度和制造精度也在不斷提高，對(duì)研制生產(chǎn)周期也有了嚴(yán)格的要求。以二維圖樣作為協(xié)同的重要數(shù)據(jù)已嚴(yán)重受限，只有探索高效、高質(zhì)量、自動(dòng)化的協(xié)同方式才能適應(yīng)新形式的發(fā)展。國(guó)外早在波音787等大型裝備上開始探索以數(shù)字化定義的方式進(jìn)行新產(chǎn)品的研制，主要是采用MBD技術(shù)將設(shè)計(jì)和制造信息全部定義到三維數(shù)字化模型中作為唯一的數(shù)據(jù)源，下游部門直接繼承設(shè)計(jì)模型進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)和其它工作，模型的準(zhǔn)確性可得到有效的保證，同時(shí)極大縮短了工藝準(zhǔn)備周期。圖2為傳統(tǒng)模式和新模式下建模方式和工藝設(shè)計(jì)模式的轉(zhuǎn)變。MBD技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯，協(xié)同過程中的重點(diǎn)就是產(chǎn)品數(shù)字化定義的規(guī)范，即如何將產(chǎn)品制造信息定義到數(shù)字化模型中，既能滿足制造部門的需求，又能實(shí)現(xiàn)高效便捷的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

圖2 建模方式

產(chǎn)品制造信息簡(jiǎn)稱PMI，它包含傳統(tǒng)產(chǎn)品二維工程圖上的所有信息，如零部件圖號(hào)、名稱、材料等屬性信息[4]，以及視圖、基準(zhǔn)、尺寸、公差、控制特征等信息，如圖3所示。PMI對(duì)象中零件尺寸較多，據(jù)統(tǒng)計(jì)，設(shè)計(jì)人員在對(duì)零部件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造信息定義的過程中，零件尺寸標(biāo)注占MBD工作過程的95%以上。其主要原因是制造單位難以擺脫二維紙質(zhì)文件進(jìn)行生產(chǎn)，所以要求設(shè)計(jì)或工藝部門將所有尺寸全部標(biāo)注在三維模型上。PMI信息量大，所有尺寸信息全部定義會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)量大，使用者難以快捷獲取，也不利于信息的提取，因此是否需要將尺寸完全注釋在三維模型上成為設(shè)計(jì)制造協(xié)同過程中各企業(yè)面臨的重大問題。在多家航空企業(yè)設(shè)計(jì)制造部門協(xié)同和實(shí)踐的過程中，總結(jié)出同時(shí)滿足設(shè)計(jì)與制造雙方需求的解決方案值得大家借鑒。首先對(duì)所有尺寸進(jìn)行歸類，根據(jù)雙方協(xié)調(diào)共同制定標(biāo)準(zhǔn)，按重要性等級(jí)確定標(biāo)注和檢驗(yàn)等要求。例如對(duì)制造過程中的關(guān)鍵、重要尺寸、有特殊要求的尺寸、裝配所需上下偏差不等的尺寸等必須進(jìn)行標(biāo)注；未注尺寸按給定的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行；對(duì)于程序能保證的普通尺寸或無嚴(yán)格要求的尺寸可以不標(biāo)注或不檢驗(yàn)等。通過將PMI對(duì)象進(jìn)行分類存儲(chǔ)和標(biāo)記，按數(shù)據(jù)集的方式來進(jìn)行管理，可以方便模型信息在信息系統(tǒng)中的分類提取，能大幅提高設(shè)計(jì)制造協(xié)同效率，促進(jìn)企業(yè)信息化管理。

圖3 PMI對(duì)象

2 結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)

2.1 產(chǎn)品BOM轉(zhuǎn)換

BOM一般指產(chǎn)品物料清單，在設(shè)計(jì)制造協(xié)同環(huán)境下，產(chǎn)品BOM是通過接收設(shè)計(jì)單位發(fā)送的三維模型或產(chǎn)品數(shù)據(jù)包生成[5]。如圖4（a）為產(chǎn)品設(shè)計(jì)三維模型，通過導(dǎo)入PDM系統(tǒng)后生成產(chǎn)品設(shè)計(jì)物料清單EBOM，結(jié)構(gòu)如圖4（b）所示，該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹可以清晰地表達(dá)設(shè)計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)關(guān)系、零部件數(shù)量，同時(shí)也關(guān)聯(lián)了設(shè)計(jì)三維模型和可視的輕量化模型，附帶設(shè)計(jì)更改單和重要問題通知單等。EBOM作為指導(dǎo)下游部門工作的唯一依據(jù)，制造部門無權(quán)限修改BOM數(shù)據(jù)，只能通過BOM轉(zhuǎn)換重新搭建生產(chǎn)計(jì)劃物料清單PBOM來實(shí)現(xiàn)。BOM轉(zhuǎn)換后的PBOM能完整地繼承EBOM的所有信息，同時(shí)還能在PBOM上補(bǔ)充工藝屬性以滿足生產(chǎn)需要，例如工藝路線、產(chǎn)品裝配階段、產(chǎn)品配套類型等屬性。在PBOM上可以根據(jù)實(shí)際裝配需要對(duì)零部件進(jìn)行拆分和重組，最后通過BOM比較查看兩者的差異，確保PBOM的正確性。圖5所示為BOM轉(zhuǎn)換及BOM重構(gòu)。在產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的過程中采用EBOM、PBOM等多級(jí)BOM的管理方式主要是為了適應(yīng)產(chǎn)品在不同任務(wù)階段的需求，通過協(xié)同和轉(zhuǎn)換各級(jí)BOM的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可以保持與設(shè)計(jì)部門的一致性。

圖4 模型及BOM

2.2 結(jié)構(gòu)化工藝

工藝設(shè)計(jì)是連接產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的橋梁，工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)是車間計(jì)劃調(diào)度、生產(chǎn)資源準(zhǔn)備、現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)執(zhí)行的重要依據(jù)，因此工藝數(shù)據(jù)在各環(huán)節(jié)的流轉(zhuǎn)是企業(yè)實(shí)現(xiàn)車間數(shù)字化的基礎(chǔ)[6]。傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)需要在二維圖樣和三維模型之間反復(fù)轉(zhuǎn)換，工藝規(guī)程與現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)指導(dǎo)卡中大部分內(nèi)容和數(shù)據(jù)需要重復(fù)編制。導(dǎo)致整個(gè)工藝設(shè)計(jì)過程模型重構(gòu)時(shí)間長(zhǎng)、模型轉(zhuǎn)換易出錯(cuò)、數(shù)據(jù)重復(fù)錄入耗時(shí)多、紙質(zhì)文件管理混亂等問題突出。數(shù)字化協(xié)同模式下，工藝人員直接采用三維數(shù)字化模型對(duì)工藝進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)能有效地解決此類問題。結(jié)構(gòu)化工藝是將生產(chǎn)制造過程中的人員、設(shè)備、物料、方法、環(huán)境等內(nèi)容全部定義到工藝規(guī)程中，并與工序和工步形成一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系后組成。圖6展示了結(jié)構(gòu)化工藝的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，工藝數(shù)據(jù)包含了工序、工步、零件、資源、工時(shí)成本、中間模型、技術(shù)插圖、數(shù)控程序等生產(chǎn)過程中的所有信息。因工藝涉及的人、機(jī)、料、法、環(huán)等數(shù)據(jù)都以對(duì)象的方式存儲(chǔ)和使用，因此信息流通和數(shù)據(jù)集成方便。企業(yè)可以根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)可視化的作業(yè)指導(dǎo)卡的定制和自動(dòng)輸出，提高工藝編制質(zhì)量與效率，減少返工與出錯(cuò)。傳統(tǒng)生產(chǎn)過程中現(xiàn)場(chǎng)操作工人在進(jìn)行產(chǎn)品加工和檢驗(yàn)時(shí)，除了閱讀紙質(zhì)作業(yè)指導(dǎo)卡和工藝規(guī)程外，還需要仔細(xì)翻閱大量圖樣、標(biāo)準(zhǔn)。執(zhí)行過程中操作者具有一定的自主性，經(jīng)驗(yàn)和技能占很高的比重，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量難以控制?？梢暬淖鳂I(yè)指導(dǎo)卡在保證傳統(tǒng)信息的基礎(chǔ)上增加了輕量化模型窗口，工人通過該窗口可以查看三維裝配和仿真動(dòng)畫、三維工序模型及其三維標(biāo)注，也能實(shí)現(xiàn)模型的剖切、旋轉(zhuǎn)和測(cè)量，其內(nèi)容豐富、操作簡(jiǎn)單，實(shí)用性更強(qiáng)，產(chǎn)品的質(zhì)量也可以得到有效的提高[8]。同時(shí)工藝文件的結(jié)構(gòu)化為生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)和分布式數(shù)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)集成傳遞提供了基礎(chǔ)，為推進(jìn)車間的無紙化和數(shù)字化生產(chǎn)提供了重要保障。

圖5 BOM重構(gòu)

圖6 結(jié)構(gòu)化工藝

3 數(shù)字化檢驗(yàn)規(guī)劃

生產(chǎn)制造過程中檢驗(yàn)一般包含工序檢驗(yàn)和產(chǎn)品終檢，對(duì)于產(chǎn)品試制需首件三檢。檢驗(yàn)數(shù)據(jù)通常是工藝或檢驗(yàn)人員根據(jù)產(chǎn)品二維圖樣編制的數(shù)據(jù)表格，需要手工錄入與人工比較。檢驗(yàn)過程是由專職檢驗(yàn)人員通過儀器或設(shè)備實(shí)現(xiàn)尺寸、粗糙度等的測(cè)量，對(duì)比設(shè)計(jì)檢驗(yàn)要求進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量的評(píng)定。傳統(tǒng)檢驗(yàn)文件和檢測(cè)過程中人為影響因素較多，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、真實(shí)性等難以控制，漏檢等情況也常有發(fā)生，由此產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性得不到保證。自動(dòng)化測(cè)量技術(shù)提出較早，主要是借助機(jī)器視覺、激光、虛擬設(shè)備、三坐標(biāo)等自動(dòng)化裝置實(shí)現(xiàn)特征或尺寸的快速提取，但局限于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的來源需要手工錄入，仍然難以實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化。而基于MBD的三維數(shù)字化模型的出現(xiàn)，使得自動(dòng)化檢測(cè)成為可能。MBD技術(shù)在檢驗(yàn)階段的重要優(yōu)勢(shì)在于模型集設(shè)計(jì)、制造信息的集中化表達(dá)，通過一定的方法可以實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的提取和傳遞，同時(shí)將設(shè)計(jì)定義的模型作為數(shù)字化檢測(cè)的唯一依據(jù)[9]。產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過程中，把制造和檢驗(yàn)重點(diǎn)控制的關(guān)鍵特征或尺寸定義在三維模型中，高度集成的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以直接從模型中獲取定義的關(guān)鍵特征和尺寸，通過信息流通實(shí)現(xiàn)到檢驗(yàn)系統(tǒng)的自動(dòng)傳遞，實(shí)現(xiàn)待檢數(shù)據(jù)的自動(dòng)獲取[10]。圖7為基于MBD的數(shù)字化測(cè)量過程。

圖7 基于MBD的數(shù)字化檢測(cè)

4 結(jié)語

MBD技術(shù)是傳統(tǒng)制造向先進(jìn)制造過程中的重大變革，它以三維數(shù)字化定義的方式實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化模型在生產(chǎn)制造各環(huán)節(jié)的傳遞和數(shù)據(jù)重用；以三維交互式的電子版作業(yè)指導(dǎo)卡實(shí)現(xiàn)了工人的可視化作業(yè)；以自動(dòng)和高效的方式實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取和自動(dòng)化檢驗(yàn)規(guī)劃；其深度應(yīng)用必將引領(lǐng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)和維護(hù)過程中的數(shù)字化技術(shù)飛速發(fā)展，為制造業(yè)的信息化建設(shè)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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