基于MBD的三维装配工艺设计技术研究

中机生产力促进中心□陈 杰

中国标准化研究院□马义博

中机生产力促进中心□潘康华

基于模型的定义（Model Based Definition，MBD）技术是将产品的所有相关设计定义、工艺描述、属性和管理等信息都附着在产品三维模型中的先进数字化定义方法。随着计算机技术的发展和三维CAD技术的成熟、普及，产品定义技术经历了“二维设计、二维出图”， “三维设计、二维出图”到MBD全三维数字化设计三个阶段。在技术应用方面，国外发达国家在航空航天产品的设计制造领域，都已实现了MBD技术对传统生产方式的改造，如美国空军JSF战斗机和空客A380的研制都是成功的范例。洛克希德马丁公司在JSF战机研制过程中采用数字化装配技术，缩短了制造周期，降低了生产成本。空客公司在飞机A380研制过程中通过实施数字化设计与制造技术，也大大缩短了研制周期。近年来，随着中国航空工业的快速发展，基于MBD的三维装配技术在国内航空制造技术领域亦受到广泛关注，并成为研究与应用的热点之一。本文对基于MBD的三维装配工艺设计技术进行了研究，在系统梳理已有研究成果的基础上，给出了基于MBD的三维装配工艺设计的流程，包括三维装配工艺模型构建、装配工艺信息标注、三维装配工艺详细设计及三维装配工艺发放等内容，能够规范和指导基于MBD的三维装配工艺设计技术在相关行业的推广应用。

1 三维装配工艺模型构建

进行三维装配工艺设计时首先需构建三维装配工艺模型，以表达从首个装配件模型到产品装配成品的每个工序/工步的装配工艺过程，装配工序/工步模型包含装配基准、装配方向、装配路径、装配尺寸、配合公差等工艺要求，装配工艺模型构建包括以下步骤：

1）准备产品设计模型、产品技术规范、工艺要求等数据，将三维模型、产品BOM结构等数据导入三维工艺规划系统，搭建装配工艺模型构建环境；

2）对装配零部件设计BOM结构进行调整，搭建面向装配过程的装配件BOM结构；

3）对产品装配零部件的装配步骤、装入顺序等装配工艺过程进行分析，完成工序/工步的划分及装配特征的定义；

5）在工序/工步模型上进行装配工艺内容的表达，定义产品装配装入件的装配方向、装配路径、装配基准、装配关键尺寸、配合公差等工艺要求；

6）根据需要，在工序/工步模型创建中添加设备、工装、工具等工艺资源模型，并装配在工序/工步模型中用于装配仿真验证、三维可视化等业务需求；

7）在工序/工步节点下添加设备、工装、模具、工时等信息，完成工序/工步模型属性信息定义；

8）对装配工艺模型质量进行检查。

2 装配工艺信息标注

三维装配工艺模型构建完成后，一般采用工艺信息框格的型式将装配工艺信息直接标注在三维模型上，部分不宜通过工艺信息框格表示的工艺信息通过属性保存在三维模型中。装配工艺信息框格如图1所示。

图1 装配工艺信息框格

装配工艺信息主要包括以下内容：

1）装入数量。在同一工序或工步下，装入相同对象的数量。对于多个相同零部件的装配，仅标注一个工艺信息框格，且多个相同装配特征都应与工艺信息框格保持查询关联性；

2.例文不够多。64篇习作中老教材才出现4篇例文，主要为读后感例文、写信例文、缩写例文、我的小伙伴（开头）例文。在这4篇中有3篇是应用文。而细节描写、修改的形式、应用文的格式等重点都没在例文中体现，更没有以正楷字的形式、标准的格式写进方格中。

2）装配工艺方法标识。以装配工艺方法图形符号表示，符号从装配工艺方法图形符号库中获取；

3）装配工艺参数。装配工艺参数为工艺方法相关的工艺参数及数值；

4）工艺资源信息。为装配过程中使用的设备、工装等资源信息，如资源名称或资源型号等，从企业设备资源库中获取，并正确反映现实资源配备情况；

5）关键检验信息。为装配的关键检验要求，如装配精度范围和测量手段等；

6）工步序列号。为当前工步在整个工序中的先后顺序，使用“①”、 “②”、 “③”等表示。

3 三维装配工艺详细设计

三维装配工艺模型构建完成并标注装配工艺信息后，进行三维装配工艺详细设计。三维装配工艺详细设计主要包括以下步骤。

（1）根据三维产品或部件模型，分析装配工艺特征

根据装配模型，分析装配约束，分析组件平行装配和检验的可行性。基于模型进行静态装配干涉检查，检查装配位置是否存在干涉。基于模型进行碰撞干涉检查，验证工装器具装配使用可达性。

（2）依据三维模型、工艺技术要求和生产组织条件，构建三维装配BOM，确定整体技术要求

确定产品或部件装配组织形式，规划装配工艺方法。根据产品或部件模型进行装配分层，划分装配单元，构建三维可视化装配BOM。基于模型确定装配单元基准零件，规划装配单元顺序。确定装配工艺质量要求标准和检验方案。提出工装设备购置或设计意见，确定工艺装备系数。确定三维环境下装配工艺仿真和验证要求。

（3）根据装配工艺方案，开展三维装配详细设计

以结构树和流程图等形式组织工艺规程结构数据，工艺规程结构数据包含工艺规程、工序、工步父子关系和紧前紧后逻辑关系。工艺规程、工序、工步对象的构建依据设计模型装配约束和装配BOM结构，也可根据BOM结构相似性结合典型工艺库复用已有工艺，快速完成装配工艺详细设计。依据装配BOM和装配顺序，逐级逐次构建工艺规程的工序、工步节点，定义各节点工艺内容，包括装入件明细、装配顺序、工艺方法、工艺参数、所需工装、设备、资源、辅助材料和工时定额。根据工艺规程设计的工艺规程结构和装入件数据，同步构建工艺模型（包括工序和工步模型）。根据装配工艺模型，规划装配顺序，满足装配单元方向合理，装配单元顺序几何检查可行性，关重件装配工艺可行性，装配单元操作可行性，装配工艺工装可行性；根据装配工艺模型，确定装配路径，分析判断零部件装配起始点，根据相对位置关系和空间坐标进行运动干涉检查，确定可行的装配路径。进行工艺仿真验证，包括装配顺序评价和优化分析，装配路径评价和优化分析，干涉与碰撞分析，人机工效分析及装配工艺平衡性分析等。

4 三维装配工艺发放

完成三维装配工艺设计后，对三维装配工艺数据进行签审和发放。发放的三维装配工艺数据包括BOM信息、工艺路线、装配工艺模型、装配工序模型、装配仿真动画、零部件明细表、工装模型、技术要求和管理技术信息等。发放的形式主要包括在线发放、离线发放及纸介质发放等。

发放的装配工艺数据如图2所示，主要包括以下基本信息要素：

1）基本信息，包括零部件图号、名称、版本、工序名称、设备名称和计划数量等内容；

2）工艺注释信息，包括工步号、工装代号、质量控制文件、安全控制文件、外购工具明细表、专用工艺装备明细表、企业标准（通用）工具明细表、工位器具明细表和专用工艺装备设计任务书等信息；

3）工艺路线，通常以树状形式进行表达，树的每个节点为工序或工步；

4）装配零部件清单，每一道工序、工步装配的零部件；

图2 装配工艺数据信息要素

5）三维工序模型，即与工艺路线树中选定节点对应的带工艺标注信息的三维模型；

6）定额信息，包括工时定额；

7）签署信息，包括设计、审核、批准等人员的数字签名信息。