基于MBD的三维工艺.docx

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基于MBD的三维工艺

基于MBD的三维工艺

基于MBD三维工艺设计系统的开发与应用

作者：

中航工业惠阳螺旋桨有限责任公司郑雷    来源：

航空制造技术

随着数字化技术的发展，飞机产品设计已实现基于全三维数字化定义，特别是基于模型定义（ModelBasedDefinition，MBD）技术的实施，使三维模型取代二维图纸成为可能，促使新一代机型甚至无纸化制造需求的提出。

随着MBD技术的深入应用，必然会对工艺规划设计、车间生产应用等产生重大影响，引起数字化制造技术的重大变革，真正开启三维数字化制造时代。

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业在数字化技术应用领域取得了巨大的成功。

波音公司在以波音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（ProductManufacturingInformation，PMI）与三维设计信息共同定义到产品的三维数模中，摒弃二维图样，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（含工艺设计）、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，确保了波音787客机的研制周期和质量。

三维工艺设计作为支撑基于MBD的三维数字化设计、制造一体化研制模式的关键环节，负责确定产品制造过程以及制造所需的制造资源、制造时间等，是连接产品设计与制造的桥梁。

它一方面通过解析上游设计数模中的相关信息来开展工艺设计，另一方面为下游生产制造提供现场的指导和依据，因此，工艺设计对缩短产品研制周期、提高产品质量和降低制造成本具有重要影响，属于飞机研制的关键基础技术之一。

国内航空基于MBD技术现状及存在问题 

当前，我国航空制造业的数字化技术应用发展迅速，MBD技术的引入和工程实践虽处于起步阶段但也已开展多年，建立了MBD应用规范及相关标准，并且目前航空工业主要厂所已经开始，甚至深入三维数字化设计制造的应用，建立适应我国航空制造企业的MBD技术应用推广路线和技术体系，使得MBD数字化模型贯穿于整个产品生命周期的数字化制造过程中，建立基于MBD模型的数字化设计制造一体化集成应用体系，达到无图纸、无纸质工作指令的三维数字化集成制造，是缩短产品研制周期，提高产品质量，保证产品研制节点的迫切需求。

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

（1）工艺设计门户。

用于解决型号工艺设计工作中的项目管理、流程管理、设计过程中的任务制定、下达、跟踪以及监控等问题。

（2）PPR数据管理模块。

工艺设计过程是对产品（Product）、工艺过程（Process）和资源（Resource）数据进行组织、重构和再造的过程。

实现以PPR数据为核心，3类数据之间进行组织与关联，构建一个能够统一展示3类数据的功能模块。

（3）项目管理模块。

实现工艺项目工作包分解、工作流驱动、后台任务推送和工作进度反馈、统计及展示。

（4）工艺文档管理模块。

此模块是对工艺相关的所有文档类对象进行统一的管理，在此模块可创建并维护文档对象，管理文档对象的属性、类型和某类文档对象所对应的文档模板等信息。

（5）顶层工艺设计模块。

主管工艺人员需要编制大量的指导性工艺文件，需提供一个在线文档编制模块，模块采取B/S架构，工艺人员可在网页环境中基于完成上述顶层工艺方案的设计工作。

（6）结构化工艺设计模块。

需要定义大量的工艺文档，如工装申请单、工装返修单、工艺处理单、工艺更改单、超差单、代料单等。

实现文档结构化管理和较细颗粒度的信息统一管理、检索、统计和分析。

（7）三维工艺设计模块。

实现模型轻量化转换、MBD模型数据提取、基于MBD模型的装配工艺设计、基于MBD模型的零件工艺设计、三维工艺设计结果发布以及查看二维工艺设计结果发布与查看等。

（8）基础数据管理模块。

此模块是对整个系统的基础数据进行统一配置、管理的，重点面向系统管理员。

2系统技术架构及开发环境 

三维工艺设计系统是基于J2EE平台、采用面向构件技术实现企业级应用开发、运行、管理、监控、维护的基础平台，系统开发设计环境如表1所示。

这是应用软件层次上一个新的层次，一方面承接底层的J2EE技术，一方面以更业务化的形式面向最终应用。

业务基础平台将J2EE体系规范、构件技术、XML技术和可视化开发技术完美结合起来，为基于J2EE平台之上的应用提供了面向构件的应用架构，通过图形化的构件单元作为应用系统的基本组成元素，使应用系统可以快速高质量地搭建，建成的应用系统具有较强的可管理、可维护能力，同时拥有最强的需求变化响应能力，并通过构件积累来持续积累软件知识财富。

业务基础平台从体系结构上可分为3层，从下往上分别为系统平台层、技术架构层及业务架构层。

（1）系统平台层。

系统框架层主要指基础软件，如操作系统、数据库及J2EE应用服务器。

业务基础平台支持多种操作系统（Solaris、Linux、Windows等），可运行于符合J2EE规范的多种应用服务器（Tomcat、JBoss、IBMWebSphere、OracleWebLogic等），数据库支持Oracle和Sqlserver。

（2）技术架构层。

技术架构层是在系统平台层（操作系统、数据库及应用服务器）和业务架构层之间建立的一层技术封装层和系统资源监控和管理层。

技术架构层屏蔽不同具体技术实现的细节，减少直接使用系统资源带来的复杂性、异构性、不安全性及不稳定性；技术架构层监控和管理系统资源，保证系统资源的可用性及其合理使用；技术框架层提供最佳编程模式，加快在不同技术平台上开发和部署应用的速度，保证应用的健壮性。

技术架构层所屏蔽技术实现细节包括界面风格、多数据库适配、事务处理、并发处理、缓存处理、安全管理等。

（3）业务架构层。

应用框架层是基于企业建模理论的、以业务导向和驱动的、可快速构建应用软件的软件平台。

将应用软件的业务逻辑和开发技术相对分开，使得应用软件的开发者可以只需关注应用的业务逻辑，而不必关注其繁琐的技术实现。

应用框架层基于业务和管理层面，以业务建模（组织、流程、功能、资源、信息）为基本手段，从而构造、开发和维护业务应用系统。

3主要功能模块功能及实现 

基于MBD三维工艺设计系统以三维工艺设计管理模块为核心，下面以三维工艺设计模块为例，对其功能及实现进行描述。

（1）基于MBD模型的零件工艺设计模块分为机加工艺设计及钣金工艺设计。

机加工艺包括使用传统人工操作的车、铣、刨、磨工艺设备及数控设备进行零件制造；钣金工艺种类繁多，在航空制造企业中主要用到的钣金工艺有闸压、滚压、液压成形等。

无论零件采用何种加工设备和加工方式，其工艺设计信息的载体和工艺设计的过程是类似的。

基于MBD模型的零件工艺在传统二维工艺的基础上，更注重的是对轻量化模型和MBD数据集利用，并在零件三维模型基础上实现相关零件工艺仿真分析软件结合，将结构化工艺过程信息与是三维模型、视图、动画等信息紧密结合，形成三维零件工艺指令的电子数据包，以提高零件工艺设计效率和水平。

（2）基于MBD模型的装配工艺设计是指以轻量化的三维模型为基础，有效地利用MBD数据集信息，以三维化、数字化、结构化的手段定义并展示整个工艺过程，实现高效、合理的装配工艺设计。

基于MBD模型的装配工艺设计主要过程首先是进行产品装配规划，定于其装配次序，形成装配工艺模型，再建立与结构化装配工艺信息的互联，构建三维化的装配指令数据包等。

在基于MBD模型的零件工艺设计和基于MBD模型的装配工艺设计的工艺指令中，操作步骤都与三维视图相关联，以三维视图及三维动画为主，结构化的文字信息为辅的方式描述工艺过程，三维条件下的工艺指令也不再是传统的电子表格或纸质文档，结构化工艺过程信息以XML的标准结构化格式来存储，三维模型、视图、动画等三维相关信息以SMG文件格式储存，两者紧密结合，形成三维装配工艺指令的电子数据包。

（3）模型轻量化转换模块：

在产品设计过程中所采用的三维CAD文件存在着数据庞大、浏览速度慢，在工艺设计、产品制造、检验阶段中产品建模过程信息冗余等问题，为实现基于MBD的三维工艺设计及车间现场的无纸化做业，需要提供一种三维实体模型轻量化优化手段，缩减产品数据体积，释放系统资源，以提供工艺设计效率，并满足车间现场能够以三维工艺数据作为工作指导依据的需求。

本模块采用达索公司3DVIA-Composer第三方控件进行嵌入方式，针对三维工艺设计的需求，在系统后台实现对CATIA模型的自动轻量化转换，其转换过程中的精度可控，保证模型几何失真降到最小，即转换后得到模型精度要能满足后续装配、零件工艺设计要求；同时，模型转换的信息可按需配置，设定CATIA模型中的点、曲线、自由面、坐标系、惯性轴、三维标注（PMI）等数据是否保留至轻量化模型中，在避免数据冗余的前提下，实现CATIA模型中定义产品的尺度、表面粗糙度、行为公差、定位基准、标准件、连接件等信息获得有效继承，满足MBD设计信息在产品制造过程中的使用、加工和严拓的需要。

3DVIAPlayerActiveX控件接口常用方法见表2。

（4）MBD模型数据提取模块。

要实现数据集信息有效地向设计下游传递、重用，首先解决的是MBD模型数据捕获及提取问题。

CATIA模型中能以几何图形集的方式定义在模型中，同时基于MBD模型中还包含其他数字化定义集，主要包括：

产品数据集、工艺数据集、工装数据集、制造数据集合和检测数据集，它们全部存储在CATIA后台ENOVIAVPM系统的数据库中，也是后续工作所需单一产品数据源的基础和源头。

MBD模型数据提取模块核心功能是进入CATIA模型数据集的后台ENOVIAVPM系统的数据库中，再进行有效处理，并提取这部分定义在几何图形集中的非几何信息，捕获后进行有效管理，将这些信息组织量构，在三维工艺设计模块中，以结构化的树状结构进行信息展示和调用，实现基于MBD的装配及零件工艺设计技术落地（图3）。

（5）三维工艺设计结果发布与查看。

三维工艺指令是以工艺活动为中心，将三维产品工艺数据、三维工装资源数据、操作过程工艺图解和操作动画组织起来的工艺信息数据包，以三维化语言描述整个工艺过程，结构化工艺过程信息以XML的标准结构化格式存储，三维模型、视图、动画等三维相关信息以SMG文件格式储存。

在系统中除了提供三维工艺的设计环境，还需要提供一种有效的、基于网页浏览器的三维工艺发布、查看环境。

系统中通过定义HTML模板，实现了三维工艺指令的在线查看。

以此为基础，通过将三维工艺设计系统与PDM系统及MES系统有效集成，可依托PDM系统实现对三维装配指令电子审签过程，在数据定版后向下游MES系统发布，在车间现场通过MES系统进行浏览和使用，可以在生产现场指导工人对飞机进行装配或加工制造，帮助工人直观了解工艺全过程，实现可视化装配或加工制造（图4）。

（6）二维工