三维数字化制造

三维数字化制造

为实现贯穿于飞机全生命周期的三维数字化制造技术，以集成的三维数字化模型替代二维工程图纸成为唯一制造依据的本质，建立了三维数字化设计制造一体化集成应用体系，真正达到无图纸、无纸质工作指令的三维数字化集成制造。

当前，我国航空制造业的数字化技术发展迅猛，三维数字化设计技术和数字化样机技术得到了深入应用。同时，随着计算机和数控加工技术的发展，传统以模拟量传递的实物标工协调法被数字量传递为基础的数字化协调法代替，缩短了型号研制周期，提高了产品质量。但是，在当前我国的三维数字化模型并没有贯穿于整个飞机数字化制造过程中，二维数字化模型依然是飞机制造过程的主要依据。因此，在制造过程中需要把三维数字化模型转化为二维数字化模型，并把二维数字化模型输出形成纸质工程图纸作为指导生产的依据。

因此，本文借鉴波音公司使用MBD技术的成功经验，研究建立适合我国国情的飞机三维数字化设计制造一体化技术应用体系，以提升我国航空制造业的整体制造能力。

MBD的内涵

MBD（Model Based Definition），即基于模型的工程定义，是一个用集成的三维实体模型来完整表达产品定义信息的方法体，它详细规定了三维实体模型中产品尺寸、公差的标注规则和工艺信息的表达方法。MBD改变了传统由三维实体模型来描述几何形状信息，而用二维工程图纸来定义尺寸、公差和工艺信息的分步产品数字化定义方法。同时，MBD使三维实体模型作为生产制造过程中的唯一依据，改变了传统以工程图纸为主，而以三维实体模型为辅的制造方法。MBD在2003年被ASME批准为机械产品工程模型的定义标准，是以三维实体模型作为唯一制造依据的标准体。

MBD数据模型通过图形和文字表达的方式，直接地或通过引用间接地揭示了一个物料项的物理和功能需求。MBD模型分为装配与零件模型，其组织定义如图1所示。MBD零件模型由以简单几何元素构成的、用图形方式表达的设计模型和以文字表达的注释、属性数据组成。MBD装配模型则由一系列MBD零件模型组成的装配零件列表加上以文字表达的注释和属性数据组成。零件设计模型以三维方式描述了产品几何形状信息，属性数据表达了产品的原材料规范、分析数据、测试需求等产品内置信息；而注释数据包含了产品尺寸与公差范围、制造工艺和精度要求等生产必须的工艺约束信息。

基于MBD的三维数字化制造技术应用体系

MBD使用一个集成化的三维数字化实体模型表达了完整的产品定义信息，成为制造过程中的唯一依据。MBD三维数字化产品定义技术不仅使产品的设计方式发生了根本变化，不再需要生成和维护二维工程图纸，而且它对企业管理及设计下游的活动，包括工艺规划、车间生产等产生重大影响，引起了数字化制造技术的重大变革，真正开启了三维数字化制造时代。采用MBD技术，将彻底改变飞机产品数据定义、生成、授权与传递的制造模式，实现三维数字化产品定义、三维数字化工艺开发和三维数字化数据应用，形成一个完整的、基于MBD

的三维数字化制造技术应用体系，如图2所示。

在该应用体系中，通过建立基于MBD的数字化协调规范和数字化定义规范，采用三维建模系统进行数字化产品定义，建立起满足协调要求的飞机全机级三维数字样机和三维工装模型，进行三维数字化预装配。工艺人员在工艺设计规范的指导下，直接依据三维实体模型开

展三维工艺开发工作，改变了以往同时依据二维工程图纸和三维实体模型来设计产品装配工艺和零件加工工艺的做法。依据数字化装配工艺流程，建立起三维数字化装配工艺模型，通过数字化虚拟装配环境对装配工艺过程进行数字化模拟仿真，在工艺工作进行的同时及飞机产品实物装配之前，进行制造工艺活动的虚拟装配验证，确认工艺操作过程准确无误后再将装配工艺授权发放，进行现场使用和实物装配。在数字化装配工艺模拟仿真过程中生成装配操作过程的三维工艺图解和多媒体动画数据，建立起三维数字化工艺数据，为三维数字化工艺现场应用提供数据。根据产品开发规范和数据组织规范，所有产品工程设计、工艺设计、工装设计制造等开发过程及其产生的工程数据、工艺数据、工装数据通过PLM系统实现全生命周期管理。基于MBD的数字化制造技术达到了全机100%的三维数字化产品定义、数字化预装配、数字化工装设计，同时使三维工艺设计及三维数据可视化应用成为现实。

关键应用技术

1.基于MBD的数字化协调产品定义

数字化产品定义是实现数字化制造的基础，它是以数字量方式对产品进行准确描述。采用MBD后，需要对数字化产品定义信息按MBD要求进行分类组织管理，完整地反映出产品零部件本身的几何属性、工艺属性、质量检测属性以及管理属性等信息，满足制造过程各阶段对数据的需求，同时保证飞机产品设计过程中的协调性。随着数字化技术的深入应用，基于数字标工模型DMT（Digital Master Tooling）的数字化协调法替代了传统实物标工协调法，成为最主要的制造协调方法。DMT通过在具有协调关系的产品或工装三维数字化模型中建立统一的基准，规定了所有协调要素在三维虚拟空间中的相对位置关系，并采用一致的几何形状与尺寸，以及合理的公差分配达到各要素间的准确协调。

因此，在基于MBD的数字化产品定义过程中，需要按照DMT的要求，在具有协调关系的产品或工装零件三维实体模型中建立起统一的基准系统、一致的形状及合理的尺寸公差信息，并通过相应的数字化定义元素描述出来。表１说明了基本协调元素与MBD模型中的数字化产品定义元素之间的映射关系。

2.三维数字化工艺设计

MBD以三维数字化实体模型作为唯一的制造依据，使飞机产品的工艺设计活动发生了根本变化。工艺开发工作将在三维数字化环境下，直接依据三维实体模型展开，完成工艺方案制定及详细工艺设计，并产生三维数字化工艺，作为生产现场的操作依据，如图3所示。

三维数字化工艺开发的显著特点是在三维数字化环境下，工艺开发人员利用各类三维数字化实体模型建立起数字化工艺模型，通过模拟仿真，确定出合理的、可行的制造工艺。同时生成工艺图解和操作动画等多媒体工艺数据，编制成三维数字化制造工艺。在不同的工艺开发阶段，具有不同的工艺仿真内容。在工艺审查阶段，对零件、组件、部件组成的制造单元进行可装配性分析，检查结构设计的合理性；在工艺规划阶段，通过制造工艺仿真，确定制造单元之间的制造顺序和运动路径；在工装设计阶段，进行制造资源仿真，设计出合格的工装资源；在工艺编制阶段，通过建立起产品、工艺、资源数字化工艺数据模型，进行制造过程动态仿真，完成工艺验证并生成操作动画。

3.三维数据组织管理

采用MBD技术后，不用生成和维护二维工程图纸，减少了设计工作量，简化了管理过程；同时，通过三维数字化工艺开发，生成操作过程动画、工艺图解及工艺规程等工艺数据。因此，在MBD制造模式下，产品工艺数据的形式与类型发生了很大的变化，需要通过以零部件对象为中心把所有的产品设计数据（如几何模型、原材料等）、工艺数据（如工艺规程、工

艺操作动画、工艺图解等）和生产数据（如执行参数、供应商等）组织在BOM结构树上。同时，在MBD数据组织模式中，某工艺相关的操作动画、工艺图解和工艺参数与其工艺规程数据具有关联关系，它们归属于该工艺规程数据，并保持版本等信息的整体一致。

4.三维数字化工艺集成应用

在MBD制造模式下，三维数字化工程、工装和工艺数据完全替代了二维工程图纸和纸质工艺指令，成为对工人进行技术培训的多媒体资料，以及在生产现场指导工人工作的技术依据。因此，需要建立面向三维产品数据的生产现场可视化应用系统，以工艺活动为中心，将三维产品工程数据、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，通过网络将三维数据传递到生产现场的数字化应用终端，实现无纸化生产现场的目标。通过数字化应用终端，操作人员能够浏览产品制造工艺数据和工艺图解，观看产品的制造过程动画；同时，通过工艺数据中建立的工程与工装数据链接，可以浏览三维工程和工装数据，并下载操作相关的工艺参数。

结论

MBD解决了产品尺寸、公差和工艺信息在三维实体模型中的描述问题，使三维实体模型成为制造过程中的唯一依据。MBD技术通过三维数字化协调建模、三维工艺仿真设计与三维数字化工艺现场应用，真正实现了无图纸三维设计制造技术，缩短了产品研制周期，改善了生产现场工作环境，提高了产品质量和生产效率，必将推动我国飞机制造业的发展。