基于MBD技术检验规程在飞机数字化装配中的应用

谢曦鹏，李 洋，李向明

（1.海军驻阎良地区航空军事代表室，陕西 西安 710089；2.中航飞机西安分公司，陕西 西安 710089）

1 引言

近年来，随着CAD／CAM技术的成熟与完善，三维数字化技术在我国飞机装配制造领域得到了广泛的应用。特别是基于模型的产品数字化定义（MBD，MODEL BASED DEFINITION）技术的实施，实质性地推动了数控加工及成形技术、数字化测量技术、数字化阵列式装配技术等先进制造模式的发展，从根本上彻底改变了我国航空产品装配连接基本上靠工人手工实施的生产现状，提高生产效率，减少协调环节，大幅度地推动了飞机设计制造技术水平的发展。

目前，国外一些大型飞机制造企业将基于模型定义的全三维制造技术应用于生产中，取得了显著的效益。我国基于MBD技术的行业标准体系尚处于建设完善与探索阶段。国内一些领先的飞机制造企业在MBD技术的协同制造、数控加工、部件装配等技术应用方面已经取得了实质性的进展和突破，但在集成质量管理体系方面还存在不少问题，尤其是在产品的检验检查和质量控制等具体的应用层面，还需要深入细致地做一些基础性的研究和探索。如何改造传统的检验模式，以适应MBD技术环境对产品检验与质量控制的需要，是完善飞机数字化装配制造技术体系亟需解决的关键问题之一。

2 MBD技术内涵与应用现状

MBD技术是指在航空产品的数字化定义中，以三维产品模型为基础，集成尺寸标注、公差要求、加工制造要求、检验要求等特征信息，在取消二维图纸工程定义的情况下，实现对产品特征描述、共享，以满足数字化制造信息直接传递的需求。该技术将PMI（3DProduct Manufacturing Information，三维制造信息）与三维设计信息共同定义到产品的三维数字化模型中，摒弃了二维图样，直接使用三维标注模型作为产品的制造依据，实现CAD和CAM（加工、装配、测量、检验）的高度集成。

MBD技术定义的产品数据最大的变化在于取消了二维图纸的工程定义，按三维唯一数据源进行制造，改变了传统的信息授权模式，使制造依据发生了变化。但MBD技术不只是简单的将二维图纸的信息反映到三维数据中，而是充分利用三维所具备的表现力，去探索便于用户理解且更具效率的设计信息表达方式。其中，最为艰难的是从二维图纸文化这种现有概念中跳出来，从零开始研究新的信息表达方式。

目前国内航空领域基于MBD数模的技术应用体系多是基于CAPP和PDM系统，与飞机数字化装配制造技术体系的要求相比，该系统在动态、协调、协同等方面还有一定的差距。为了满足MBD技术环境要求，解决跨地域、多企业全数字化协同的“虚拟企业”研发模式，某公司设计开发了DCE飞机协同研制平台，该平台集成了管理协同、制造协同、沟通协同、工装管理系统、CAPP系统、生产管控和档案系统等多个模块，实现了飞机分系统的PBOM、MBOM、AO／FO等制造数据库的协同。CNC加工技术、数字化测量技术、先进的阵列式装配技术、并向工程、精益生产、项目管理等先进理念在企业中也得到了广泛的应用，基于MBD技术的飞机数字化装配制造技术主体框架业已完成。

3 基于MBD数模的检验规程

3.1 检验规程的定义

检验规程的定义比较模糊，缺乏一个公认的、具有权威性的定义。不同的行业、企业对检验规程的认知和理解也不尽相同。总体而言，对检验规程的理解是能够指导产品检验操作的规定性文件。

传统的检验模式是基于二维图纸和相关的质量技术文件来实现的，产品的检验规程及检验规程的内涵都离不开二维图样这一前提。

MBD技术将三维产品制造信息（PMI）与三维设计信息共同定义到产品的三维数模中，摒弃了二维图样，直接使用三维标注模型作为产品的制造依据。在MBD技术环境下，产品的检验工作需要依据三维数模和相关的质量技术文件来保障。从二维图样到三维数模的转变，赋予了MBD技术环境下检验规程不同的内涵，我们把这种全新的检验规程定义为“基于MBD数模的检验规程”（以下简称检验规程）。而目前，在我国的航空产品制造领域，检验规程意指在基于MBD技术的飞机装配制造环境下，依据MBD数模、质量技术文件、工艺文件等，将检验要求和方法结合在一起，由检验工程技术人员编制的、用于指导检验工进行产品检查验收的规范性技术文件。

3.2 检验规程的作用

基于检验规程的检验模式是在传统检验模式基础上进行的技术创新，新的检验模式不但能够适应飞机数字化装配制造技术的需要，而且能够提高检验工作效率，在稳步提高飞机产品的质量控制水平方面也发挥了积极的作用：

（1）在MBD技术环境下，检验规程替代了二维图样，以指令性文件的形式为产品检验提供了检验的依据。

（2）通过对产品数模和工装数模的模拟装配、工程标注，能够在数模审查阶段发现并防范设计工作中存在的问题和不足。

（3）依据MBD数模独立编制的检验规程，能够有效防范工艺员在AO指令中存在的问题和漏洞，在过程控制环境能够及时发现装配制造问题。

（4）在新的检验模式下，每一份AO指令或更改单在下发之前，检验工程技术员都会给予审查，确定并设立必要的检验点。审查的过程能够纠正AO指令或更改单文件中存在的疏漏，少而精的检验点设置，能够引导检验工对关键重要工序以及设计特殊要求的装配部位给予精细化的检查，避免重大问题的发生。

（5）检验规程浓缩了检验工程技术人员对设计要求、对质量技术文件的充分理解，明确检验实施的部位、测量的方法及测量工具。检验人员依据检验规程对产品实施检验，一定程度上对检验人员的工作质量起到保障作用，有利于提高并保障产品装配制造质量。

3.3 检验规程的编制要求

（1）检验规程应明确检查项目（检测尺寸、精度、表面质量）、检查的方法、选用的检测工量具、必要的数模截图等内容，检验规程内容应明确、清楚，通过对截图图片的编辑反映必要的检验信息。

（2）基于MBD技术的检验规程须包含MBD数模的全部特征（包括显性特性和隐性特性）。

（3）检验规程及检验规程更改单要有标准化模板及格式，包括文件编号、表头、版本等信息。注：检验规程中要明确体现出编制本规程时所基于的MBD数模的版本信息。

（4）检验规程的检验工序编号与AO／FO装配工序的编号要有关联性，便于问题的追溯。

（5）每项零件应编制一份检验规程，对称件允许使用一份检验规程。组件和部件装配可根据产品的复杂程度，依据MBD数模编制一份或多份检验规程。

（6）除复合材料成型、非金属成型外，其余特殊过程按实际情况编制相应的典型检验规程。

3.4 飞机装配检验规程的编制流程

飞机装配检验规程的编制涉及较多的环节和因素，需要产品数模、工装数模、工艺施工顺序或产品装配序列、设计验收技术条件，还需要飞机装配各组部件的进度计划。为了优质高效地完成检验规程的编制任务，需要制定详细的检验规程编制计划且遵循一定的编制流程进行，飞机装配检验规程的编制流程如图1所示。

图1 飞机装配检验规程的编制流程

4 关键技术研究

4.1 产品设计特性的提取

基于模型定义的MBD数模，集成了产品加工、装配、测量、检验所需要的三维标注信息。MBD数模的终端用户可按需从数模中提取必要的数据，也可以进一步对数模进行测量、标注及捕获操作，并添加到自定义的特征树中，实现对产品信息的分类提取及显示。

三维标注信息包括几何信息和非几何信息。几何信息除了在三维实体上标注外，特征树上还自动生成相应节点；非几何信息标注在特征树上。建模过程在特征树自动生成的节点，如外部参考、过程元素、复合参数、钣金参数等不属于三维标注信息。

几何信息为零件三维设计过程中所应用到的点、线、面、实体以及零件的几何要求等，包括外部参考、几何实体、过程元素、连接定义、铺层及标注集中的基准面、公差、尺寸、粗糙度、连接定义、铺层、密封定义等内容。

非几何信息是对零件的辅助说明，包含模型的编号、名称、材料描述、设计依据、模型属性、工程注释等。

飞机装配产品设计特性信息的提取应包含系统组件和机体结构装配两大部分。装配件（.Product）是由许多零件（.Part）和相关的紧固连接件组合而成的。装配件的三维标注是在一个新建立的part模型中标注，与其它模型一起挂在装配结构树中，若装配关系复杂，允许采用多个文件对装配按区域划分，并分别标注。特征树中除了取消材料描述，增加了连接定义、密封定义、垫片定义节点外，其它与机加件相同。由于飞机装配件涉及的零件数量多、外形庞大、空间结构复杂，所以，在 MBD数模中能够提供的尺寸标注和其他相关的信息不一定能够完全符合用户的需求，需要用户按照需求自主地从数模中提取相关产品信息。比如，设计提供的MBD数模可能仅是产品的数据信息集合，但在工厂生产加工、装配具体产品的时候，会涉及到工装、定位、尺寸链、装配的协调、公差的分配等许多非理想状态的因素，工艺人员、检验工程技术人员在编制AO／FO或检验计划时，需要将产品数模和工装数模进行组装、进行电脑上的模拟装配，预先分析产品装配制造过程中可能存在的问题等。

刘铁头走后，我就去了李老黑家。李老黑刚吃过晚饭，正翘腿歪在沙发上剔牙。李老黑的老婆则木着脸坐在一旁的凳子上，看见我进门，只是翻了一下眼皮，没有答理我。

4.2 大部件对接总体装配

现代飞机结构尺寸大、外形曲面复杂，飞机装配过程涉及了成千上万的零部件、工装、夹具、工具，并有大量装配操作等，精确、合理地规划、分析、仿真它们参与装配的各个细节，能有效地解决装配工艺设计中的装配不协调、干涉、碰撞、超差等问题［2］。在新的技术环境下，基于MBD数模的阵列式装配技术受到各飞机制造企业的重视，数字化的装配协调方法应运而生。

阵列式装配（DA，Determinate Assembly）是用来描述实际的设计零部件在预先定义的界面上，能精确地装配在一起，而不需要实物标准样件或其他复杂的测量和调整技术。在阵列式装配环境下，实质上是将先进的数字化精确定位系统与检验测量系统进行了有机融合，在装配过程中对飞机姿态实现了动态调整。

在实际应用过程中，为了能够按照设计要求完成机身大部件的组合，在装配的过程中引入了数字化装配定位工装，利用工装自带的机器人操作系统和激光自动跟踪测量系统，结合飞机坐标系下各壁板定位点的坐标，实现了各飞机壁板的精确数字化定位，保证了多块机身壁板在机身坐标系里是相互协调的，进而保证飞机对接接合面、外形轮廓度、波纹度、扭曲度及飞机姿态，满足设计对飞机气动外形的要求。在实现精确化定位、装配的基础上，提高了装配效率，有效保障了产品的装配质量。同时，数字化的装配定位技术，减少了装配误差，降低了检验操作的难度并提高了检验的工作效率。最为关键的是，飞机的装配过程中，各组部件的装配定位都有三维的测量数据，通过计算机模拟操作可使问题得到还原，能够发现、追溯问题的出现部位，为后续批生产飞机零部件制造、装配工艺改善提供科学的指导依据。

4.3 检验点的设置原则

检验点的设置是飞机装配检验规程的另一个难点。飞机制造是一个由数万件零件装配组合而成的庞大复杂的系统工程，装配过程中需要协调的因素众多。因而对飞机装配体的检验检查应划分为不同的阶段，对每一个阶段做好过程检查，直至完成对整个装配体的检验检查。就飞机装配而言，一般的检验方式有：目视检查、工量具检查、样板检查、工装卡具保证甚至采用激光检查、照相测量检查等等。不同的检验检查方式适用于不同的技术要求及产品检验状态，除了具有目前要求和设计数值限制的方式外，采用何种检查方式涉及到成本、效率和进度的约束。检验点的设置为解决产品质量和进度的辨证关系提供了一种很好的途径，在飞机装配制造过程中越来越受到重视。

检验点的设置是由检验工程技术人员在消化MBD数模、理解不同组部件相对位置关系和运动关系及功能的基础上，依据设计要求、工艺技术文件、产品验收技术条件等文件设定的。检验点的设置是一个动态调整的过程，应随设计更改、工艺更改及相关技术文件更改做适当的调整和变化。笔者在企业实践的基础上，根据飞机装配的特点、数模特性，并结合在生产装配一线长期从事产品检验工作检验员的意见，初步对飞机装配检验规程中检验点的设置提出了以下几条原则：

（1）技术文件、质量文件中有明确的测量要求、精度要求、表面质量要求的项目，要设立检验点进行检查控制。

（2）设计有明确检查要求的项目，如包括在MBD数模中的捕获、通用附注、尺寸、视图等需要检查控制的特性。

（3）用户代表或适航代表要求控制的项目。

（4）含有关键工序的项目。

（5）装配完成之后，在后续工序中无法再次进行检验验证的关键重要项目。

（6）易产生多余物的操作项目应在产品结构封闭之前进行多余物检查。

（7）有测量记录要求的项目，如测量值、重量等。

（8）需要进行总检的项目。

（9）采用数字化设备装配的组部件，在进行定位及操作时有电子输出记录的项目。

（10）对于同一位置、同一类问题在多架机中连续出现或频现的项目。

5 结语

基于MBD技术检验规程是在传统质量控制与检验模式基础上进行的创新。企业实践表明，检验规程在飞机型号数字化装配研制过程中发挥了积极的作用，在有效提高检验工作效率的同时，检验规程从设计源头做起直至产品的最终交付，对整个工作环节执行了全过程的检验检查与质量跟踪，落实了产品过程控制，有效提高并保障了最终产品的质量。

在目前的生产实践中，检验规程的编制和应用尚存在诸多不足之处，如：大量文件换版升级时会出现底层文件频繁更改，如何减少人为干预，进行数据自动传递的问题，以及解决检验人员对新技术的适应问题等。但只要循着科学创新与技术进步的指导方向，最终必将会探索出适合飞机数字化装配、适合企业特色的检验模式。

［1］范玉青，梅中义，陶剑.大型飞机数字化制造工程［M］.北京：航空工业出版社，2011.

［2］李为吉.飞机总体设计［M］.西安：西北工业大学出版社，2005.

［3］肖珺，谢曦鹏.数字化三维工艺设计［J］.数字技术与应用，2010（12）：9.

［4］王磊，王正平，林思伟.飞机协同设计应用技术研究［J］.科学技术与工程，2007（22）：5855－5859.

［5］于勇，陶剑，范玉青.大型飞机数字化设计制造技术应用综述［J］.航空制造技术，2009（11）：56－60.