MBD模式下的飞机结构零件工艺设计研究

李永毅，楚王伟，王晓刚

LI Yong-yi1，CHU Wang-wei1，WANG Xiao-gang2

（1.中航工业成飞结构件厂，成都 610091；2.中国人民解放军驻成飞公司军事代表室，成都 610091）

0 引言

随着飞机新研项目更迭速率的加快，项目研制周期日益缩短，如何在短期内高效高质量的完成工艺设计成为了零件加工车间研究的课题。当前三维数字化设计技术和数字化样机技术随着航空制造业数字化技术的迅猛发展得到了深入应用。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，缩短了新机研制周期，提高了产品质量[1,2]。但是，在当前我国的三维数字化技术并未完全成熟，MBD模式下的飞机结构零件工艺设计依然是航空制造业亟待解决的课题，而随着装备技术的快速发展，工艺设计已经成为飞机制造新的瓶颈。

本文在简要介绍MBD以及零件工艺设计的基础上，结合飞机中小结构零件特点，论述了MBD模式下的工艺设计流程及具体方法实施，并在新机项目研制进程中取得了实效。

1 MBD模式下工艺设计概述

1.1 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[3]。MBD数据涵盖了产品后续加工、装配、检测等环节的所有几何信息与非几何信息，其包含的内容主要由以下元素构成：相关设计基准数据、实体模型、毛坯、零件坐标系统、三维标注、工程注释、材料信息、标注集以及其他定义数据。其内容构成如图1所示。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[4]。MBD技术的目标是规范产品数字化定义的信息，实现产品数字化定义信息的完整性和准确性，其核心和基础是产品的数字化定义技术，即用三维数字化定义工具（CAD系统平台）定义出能够为下游各应用环节所使用的准确、完善、规范和有效地产品信息。因此，MBD技术是实现数字化产品定义的手段，也是实现产品研制体系转变的技术基础[5]。

图1 MBD数据集的组成元素

1.2 工艺设计

工艺设计是指工艺人员在产品设计的基础上，从参加新产品的设计、工艺调研开始，经过产品结构工艺性审查和工艺设计，直至完成工艺验证、总结与整顿等一系列的工艺工作。工艺设计的质量与效率不仅直接影响产品质量，而且对生产组织、生产效率、制造成本和生产技术准备周期等都有直接影响，是生产技术准备工作的重要阶段，也是工艺管理工作的中心环节。

在设计资料以二维图纸为主的传统工艺设计流程中，产品设计、工艺审查、方案设计、工艺资料编制及试制一直以串行模式展开，项目研制周期长，且以常规机加占主导地位。随着MBD技术的成熟，传统工艺设计流程也随之发生巨大变革，工艺设计流程由传统的串行模式向并行模式转变（如图2所示），工艺审查与产品设计在进程上融为一体，方案设计在工艺审查阶段即可进行，同时由于设计资料的三维化，工艺资料编制时间大幅减少，大大缩短项目研制周期，并且数控机加逐渐占据主导地位，提高了项目产品质量，降低了项目研制成本。对比传统工艺设计及MBD模式下的工艺设计（如表1所示），能明显看出MBD模式下工艺设计具有更快的反应能力，对于项目研制具有更好的促进作用。

图2 工艺设计流程示意图

表1 工艺设计模式比较

2 MBD模式下的工艺设计流程

MBD技术的应用对飞机产品的数据管理、信息传递、工艺规划、工艺文件编制与仿真、零部件制造都提出了全新的要求。以前需要三维数模和二维图纸同时表达的各种信息，现在全部集中到MBD数据集中，各部门获得信息的来源只有MBD数据集。在MBD数据集中获取零件信息对制造、装配的各个环节中至关重要。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，缩短了项目研制周期，提高了产品质量。图3是MBD模式下的飞机零件工艺设计流程。

从零件工艺设计流程可以看出，在初期工艺审查，项目总体规划，到具体零件工艺方案制定，工艺规程、NC程序编制及仿真，直至现场加工以及资料归零，MBD技术始终贯穿于零件工艺设计的整个流程。由于MBD技术的引入，流程各阶段存在较多的交叉并行作业，在产品设计成熟度M3阶段，工艺人员通过VPM平台参与工艺审查，就产品数模问题与设计进行沟通，在产品数模正式发布前完成审查；在零件工艺方案制定完成后，即可启动三表两单编制以及工艺规程编制，同时根据工艺规程要求并行启动生产资源配置及生产排程，有效提高新机项目的推进速度。

图3 MBD模式下的飞机零件工艺设计流程

3 MBD模式下的工艺设计方法实施

MBD模式下技术的产品制造以MBD零件模型作为制造唯一依据，使产品的工艺设计活动发生了根本的变化：工艺设计与仿真将在三维数字化环境中进行。一般的，从原材料到成品零件的工艺过程包括加工、成形、改性、检验等多种类型工序，共同组成工艺链[6]。工艺设计贯穿于产品工艺链的整个活动流程中，工艺设计的质量及进度影响到整个项目的研制质量与进度。下文将以项目研制为载体，详细阐述MBD模式下的工艺设计方法实施。

3.1 基于成熟度的项目工艺审查

当新项目设计数模进入成熟度M3阶段[7]（即设计MBD模型进入校对阶段）时，工艺人员通过VPM平台参与到数模设计环节进行工艺审查，主要针对零件三维数模结构、工艺性、材料信息、特种信息、附注信息等进行审查，确定零件的可加工性。当产品数模不利于加工工艺或者存在明显设计缺陷时，工艺人员可直接与设计沟通，围绕零件工艺性、结构符合性、设计初始意图进行讨论，在满足设计要求的同时，尽量使产品利于机械加工与检测。基于VPM平台的工艺审查界面如图4所示。

图4 基于VPM平台的工艺审查界面

MBD模式下的三维设计数模，具有更强的表现力，能够更真实地表现设计制造特征，更好、更准确地表达设计意图，也容易进行工程信息的抽取和知识的挖掘。因此在工艺审查阶段，借用VPM平台，可轻松在MBD三维数模中确定零件特征（如图5所示）为后续工艺设计做准备。在分析零件特征基础上，对零件附注信息、材料信息、特种信息等通过三维数模结构树可清晰的明确知悉，如图6所示。通过项目工艺审查，使工艺部门初步明确项目研制情况，以便尽早进入项目工艺设计阶段。

图5 零件特征信息

3.2 车间级项目方案制定及实施

新研项目正式研制阶段，需要由项目技术管理团队制定项目研制方案，确定项目总体目标，明确项目任务情况及任务难点，从技术创新、进度控制、质量控制、成本控制方面入手，对项目研制提出具体要求。

以某民机项目研制为例，在项目正式研制阶段，项目技术管理团队负责召开项目工艺技术准备工作会，明确项目任务情况，从零件项数、零件结构、零件材料、典型零件简介等方面对项目进行介绍。同时建立专业化团队（如表2所示），针对技术创新、进度、质量、成本控制方面，由专业化团队成员各司其职。在技术创新方面，主要针对机床应用、工艺凸台设计、工艺方案设计、通用工装应用等方面开展工作；在进度控制方面，落实工艺分工，制定阶段任务节点，确保项目节点目标；在质量控制方面，落实工艺总方案，控制工艺源头质量，同时各职能部门各司其职控制技术状态；在成本控制方面，通过应用新技术提高数控加工能力，降低常规加工成本，规范刀具应用，提高刀具使用效率，同时大量采用套裁方案提高材料利用率。

表2 项目专业化团队分工

在制定项目总体研制方式的同时，需要将项目零件按照零件族分类标准分为框、梁、接头、肋、型材、角盒等不同类型，同时将难加工材料如钛合金零件单独进行分类。在完成零件族分类后，按照专业化团队的理念将同类型零件分工给擅长的工艺团队，同时按照数控机床选用原则确定零件加工机床，使车间生产资源达到有效利用。

3.3 详细工艺方案设计及工艺资料编制与仿真

在零件方案设计阶段，由方案设计团队成员根据零件制造工艺方案设计指导原则及工艺凸台设计规范针对项目典型零件设计工艺方案，包括带凸台工艺数模，零件具体加工流程，特殊刀量具需求等方面内容。待工艺方案评审后正式启动零件工艺资料编制，包括基于CAPP、PDM系统的订货单、工艺规程等工艺资料的编制与审签，以及基于UG/CATIA的NC编制，基于CGTech VERICUT的NC仿真。在工艺资料编制过程中，工艺部门编制了各类规范标准，诸如零件工艺规程编制规范、工艺草图绘制规范、铝合金程编规范等，规范标准的引入，使得工艺人员在工艺资料编制时有章可循，使工艺设计工作规范化、模式化。

MBD数据集包含的相关设计基准数据、零部件坐标系、实体模型、毛坯、标注集、附注集及其他信息对工艺方案设计以及工艺资料编制有重要的作用。设计基准即零件基准面及装配所需的工艺孔、协调孔等设计特征，这些设计特征需要在工艺方案设计及加工工序安排时用最可靠的手段进行保证，也在一定程度上限制了零件方案及加工流程。毛坯信息包括零件加工的毛坯尺寸及材料信息，在方案设计阶段确定后可以用于材料的先期准备，已达到工艺设计与生产准备并行。标注集中包含的零件形位公差、重要尺寸等设计特征也同样限制了零件加工流程。附注集中包含的零件热表处理信息、特种检查信息、标记信息等定义了零件机加后的工序流程。总之，MBD数据集中包含的数据信息对方案设计提出了要求，同时也规范了工艺规程的编制及工艺流程的安排。

3.4 零件资料归零

待现场试制完成后，需要对零件制造过程中所有工艺资料归零，包括设计MBD模型、工艺MBD模型、NC程序、工艺规程、工序说明书、VT仿真模型、测量工艺规划等，归零数据形成如图7所示的压缩文件包。

图7 数控加工零件归零数据集

3.5 项目技术状态控制

在新项目研制过程中，技术状态控制尤为重要。一方面需要将现场试制合格的工艺资料归零，同时新项目工程更改较为频繁，需要严格控制工程更改的执行情况，避免技术状态失控。MBD模型在设计部门采用构型批次管理，即不同状态的零件构型模型对应不同的批架次，每份工程更改对应一项MBD零件模型。零件加工车间即根据数模版本与工程更改进行对应，获得相应架次的零件数模信息。图8所示的工程更改下的零件制造模型表示出了MBD模型、工程更改、数模版本及有效架次的关系。

图8 工程更改下的零件制造模型

根据图8所示的工程更改下的零件制造模型构建可以看出，节点数据（对应零件制造过程中某个状态的MBD零件模型）具有很强的时效性，前一节点通常是后一节点的输入，将制造模型按照时序关系组织成制造模型树，每个树节点对应一个MBD零件模型，每个MBD零件模型对应相应的工程更改及对应版本的数模，根据有效架次的管理，不同版本数模应用于后续不同架次的零件生产。通过制造模型树的建立，便于对制造状态所包含的各种数据进行管理，在工艺设计阶段根据不同状态的MBD模型建立对应批架次的工艺规程、NC等工艺设计资料，在生产制造阶段同样基于批架次进行工艺资料发放并指导生产。基于此模型树可有效解决零件制造过程中不同有效架次的工艺设计及生产制造的需要。

3.6 项目成效

通过MBD技术在新机项目研制中的应用，提高了项目工艺设计效率及质量，同时提升了整个项目的技术管理水平。以C919项目工艺设计为例，整个项目根据PBOM分工有697项零组件，通过MBD技术的应用，整个项目在4个月内完成了工艺设计工作。在工艺设计效率方面，项目工艺设计时间较之前项目相比提升了30%；在工艺设计质量方面，各类工艺规范的建立，使工艺工作规范化、模式化，提高了项目质量，在项目试制过程中因工艺原因造成的质量问题下降了近40%；在项目技术管理方面，MBD模型的电子数据作为唯一依据，简化了管理幅度，特别在项目技术状态控制方面，以构型批次管理的工程更改更加利于管理；在技术提升方面，在项目开展过程中，对工艺规范进行了实际运用，将工艺规范不合理的要求进行了更改，使规范标准趋于实用化。

4 结束语

MBD技术使三维实体模型成为制造过程中的唯一依据，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。但是MBD模式下的工艺设计作为一项新兴技术，在发展过程中仍有大量问题需要解决。首先，在设计/工艺协同方面，国内航空工业普遍存在着厂所分离的情况，设计、工艺分属不同的单位，交流和沟通存在天然的屏障，设计、工艺之间无法充分沟通。其次，MBD标准不统一，各机型项目各自制定自己的MBD标准，给下游制造厂的工艺设计带来较大困难[8]。再次，零件制造车间长期处于传统的工艺设计模式中，对于MBD技术的认识与熟悉程度仍然不够，现场生产时一直存在三维与二维转化的问题。当然，随着MBD的技术成熟，设计工艺化，工艺设计化的实现，零件车间工艺设计工作也必将随之发生变化，诸如三维CAPP的应用，无纸化工程的开展，在线测量的普遍应用，企业知识工程的开发应用等都将逐步实现。

[1]周秋忠,范玉青.MBD技术在飞机制造中的应用[J].航空维修与工程,2008,3.

[2]梅中义.基于MBD的飞机数字化装配技术[J].航空制造技术,2010(18).

[3]张荣霞,张树生,等.MBD模式下的零件制造模型管理[J].制造业自动化,2011,33(8)下.

[4]冯廷廷.MBD模式下的飞机装配工艺与仿真[D].南京航空航天大学,2011.

[5]范玉青.现代飞机制造技术[M].北京：北京航空航天大学出版社,2001.

[6]刘闯,王俊彪,卢元杰,等.面向工艺链的零件制造模型框架研究[J].计算机集成制造系统,2009,15(6).

[7]陶剑,范玉青.成熟度在飞机研制一体化流程中的应用[J].北京航空航天大学学报,2006,32(9).

[8]冯潼能,王铮阳,孟静晖.MBD技术在数字化协同制造中的应用与展望[J].南京航空航天大学学报,2012,44(4)增刊.