基于MBD的飞机装配技术发展及应用分析

蔡国庆 薛宏

中航西安飞机工业集团股份有限公司 陕西 西安 710089

引言

飞机数字化MBD技术正在型号产品中推进实施，三维设计模型作为设计交付载体，成为复杂产品研制过程的唯一依据，迫切需要保证其完整性和准确性。航空、汽车等领域已构建起以模型为核心的复杂产品质量管理方法，建立相应的技术规范和业务流程，以支持研制过程中的质量业务协同。飞机上搭载了大量用于动力、电气、作战和生活保障等系统的设备和装置，数量以千、万型计。在研制过程中，为有效提升型号产品设计质量，质量管理部门会提前制定设备建模检查细则，针对具体任务，组织专人进行质量检查，并形成质量过程记录表，要求相关设计人员完成整改工作，实现质量归零[1]。飞机设备建模布置是飞机研制过程中的重要工作之一。装配设备技术成熟度不仅受限于采购状态，还受自身技术状态和机内布置要求确定性的影响。此外，位置、容量、结构、系统状态等频繁调整，使得机内设备布置协调变更频繁。而对应不同设计阶段的任务节点，均需对装配设备开展质量检查，以往依靠人工逐项校对审核，费时费力，且易产生误检查。因此，有必要结合研制业务流程，采用信息化手段正确梳理质量检查过程中的相互作用与制约关系，开发质量检查工具，从而有效提升检查效率和准确率。

1 相关概述

1.1 MBD技术规格

MBD(model based defination）是一种基于模型定义的技术，有时也称为数字产品定义，它是一种计算机辅助的数字定义技术，其核心是使用集成的三维实体模型充分表达产品定义信息并允许制造设计。MBD技术使三维实体模型成为制造的唯一基础，从而改变了传统的二维图纸和基于三维实体模型的制造方法，以避免制造过程中的差异。

1.2 MBD的组件数据集

组件数据集是组件模型、产品模型或产品工艺模型、工艺信息、装配顺序等信息的集合。这是在飞机流程设计过程中安装零部件、在特定装配位置安装零件所必需的，这是流程设计的结果，也是实现公差分配仿真和装配流程仿真的唯一基础。MBD是一种定义方法，它使用集成的三维实体模型来完全表示生成的信息。在飞机数字装配技术系统中，装配数据集由设计人员使用MBD技术生成，为装配的安装和检查提供了基础。MBD组件工艺模型包括有关组件工艺的信息、安装列表和3D实体模型中组件资源的说明[2]。MBD组件模型由一系列MBD零件模型以及以文字表示的注释和属性数据组成的组件零件列表。由于产品不同于数字原型，MBD组件模型包含许多辅助信息，如参考曲面、标准内容、辅助平面、直线、空间定位点等。以及构成产品的数字原型。产品数据集可以分为单模型数据集和多模型数据集，具体取决于模型的内容量。如果尺寸允许，您可以使用单一模型资料集，也就是说，将所有几何模型放置在单一模型中。如果大小太大，请使用多模式方法，在这种情况下，每个拆分的数据集都必须有一个通用滑块。此外，组件模型是在本地坐标系中定义的，并且在定义组件模型时必须尽可能简单，因为每个组件都包含零件和零件之间的关系、装配零件的位置、标识和数量。由于安装模型是在machine坐标系统中定义的，因此每个安装模型都必须包含诸如其在machine坐标系统中的位置、其识别以及构成组件/安装的零件数目等资讯。所有支持数字预装配（DPA）的模板都必须定义一个物理模型以支持下游用户的工作。但是，在定义组件/装配时，并非所有组件零件都可以使用。对于标准零件（例如填充物、静态接头、绝缘体和接头），请使用+符号来指示螺栓及其在组件/装置3D模型中的位置，而不是定义螺栓详细资料。

1.3 飞机装配中MBD技术的发展

MBD技术在使用过程中，将飞机装配成三维数字形状原型，进一步丰富了设计和制造系统的功能，并为飞机整个寿命周期的测试、飞机试验飞行和飞机设计等多项工作提供了技术支持在目前的发展阶段，MBD技术只能通过构建一个完整的三维数字制造系统，初步提高产品生命周期搜索链中基于数据模型的产品设计和制造能力，而搜索系统仍有待优化和改进，以便因此，设想方案、功能模型和绩效模型方面的重大进展应在今后的发展中得到进一步加强，同时提高用户和供应商之间的服务安全性，并更全面地采用MBD技术。同时，在飞机装配过程中需要进一步加强虚拟现实和人工智能的应用，以便MBD技术分析能够有效地应用于产品的设计、测试和制造，从而有效地促进l装配水平的不断提高

2 装配工艺仿真与优化

装配工艺仿真与优化是在三维环境下，利用飞机三维轻量化模型对装配工艺进行仿真分析，验证装配工艺设计的合理性，并针对工艺中不合理的内容进行优化，装配工艺仿真包括装配路径仿真、装配精度仿真等。飞机装配涉及线缆的铺设、接插件的接插等内容，实际装配中常常因为对装配路径考虑不周而造成接插件无法接插等问题。在工艺设计环节，预先进行装配路径仿真，对装配过程中零件、工装及工具的可达性、操作空间的开敞性开展仿真验证，同时检查零件和工装等资源在装配过程中是否会发生干涉。若装配工艺不合理，根据仿真结果对装配工艺进行优化改进。装配精度仿真是针对产品的关键特性，利用飞机及工装的三维轻量化模型，根据装配工艺中零组件的定位方式建立零组件及工装之间的装配约束关系，并引入零组件和工装制造偏差，建立装配偏差传递模型，对装配精度进行统计预测分析，并据预测结果优化导致装配精度超差的装配工艺内容，包括零组件装配顺序、定位方案以及工装精度的优化等。飞机的装配精度分析目标一般包括前后滑块的平面度的同轴度以及安装角等。

3 基于MBD的飞机装配技术发展及应用分析

3.1 基于MBD的飞机装配工艺规划

由于当前飞机产品的结构层次较多，为切实降低装配工作的难度，在实际工作过程中，相关工作人员可以利用设计工艺将不同层次的MDB模型划分成不同的装配单元，并尽量减少装配单元零件的数量，然后依据转配单元间具体的约束关系建立同一层次的局部有向图。

3.2 测量具有特殊重要性的组件

MBD提供了广泛的数字装配应用，使GPS（全球定位系统）和激光跟踪等先进技术设备能够实现对零件尺寸和规格的实时精确控制。数字测量组件通常与测量系统一起应用，首先从测量系统中捕获与零件相关的参数，然后再将其与理论数据进行比较。如果数据不符合产品要求，则受影响的人员可以自动或人工调整其位置，直到收集到的数据在允差范围内[3]。事实证明，这种技术的应用省略了正常的投票阶段。当错误收集问题得到解决时，协调的准确性会提高。产生积极影响的主要原因是安装速度和部件效果。此外，产品转换和制造所需的时间大大减少，您通常只需更改记录即可获得新产品。进入预装配试验台后，受影响者可以使用计算机上的检测点进行可测量的测量，以获得可测量的结果。装配效率在处理和定位真实物体肢体时更有希望。基于MBD执行与部件设计相关的任务的首选方法是数字方法。安装列车由飞机坐标系的坐标值确定。通常，只有高精度测量技术才能保证产品的整体质量。通用测量仪不符合要求，条件允许时，受影响人员可以购买激光跟踪器来支持装配检测。基于NC和MBD技术的组件需要通过提高零件生产和汇编的精度来更好地协调。测量系统可让您根据情况选取最小平方转换方法或轴对齐方式，以明确地确定刀具球的实际坐标值，以确保刀具轨迹值透过建立基础坐标系来对应MBD产品参数。安装零件时，使用激光捕获工具可以轻松地确定刀具点位置的坐标。考虑到理论坐标和实际坐标难以避免，可以根据实际情况调整定位装置的位置，以确保实际坐标尽可能接近理论坐标，然后确定定位装置的位置。在制造节点的末端，根据刀具球的位置给出刀具球的测量值。

3.3 套用孔萃取

由于数据不完整，飞机组件的实际运行需要ca。大型飞机设计中存在150万至200万个接头，机械连接是主要实现方法。某些飞机模型设计目前在CATIA模型文件中表示为零件对象、模型文件等。这改进了提取组件孔信息的实际应用，以简化产品设计过程中的元素对象集成（几何信息、文本数据），并重新利用产品元素的关联技术进行相应的产品开发。飞机零件装配技术使用深度、面积大小、唇平滑度等提取孔信息[4]。它使用CAD相关的开发阶段来完成相应的装配孔信息，以确保MBD技术和各种模型处理应用。整合上游生产线上的存储、分类、挑库、运输等业务流程，并执行创建节点设计所需的集中对象管理。这样可以避免连接孔装配的元件装配信息碎片化，并为MBD技术和模型的装配提供实用的结果。有关科学家通过开发CAA孔信息提取开发工具、优化用户界面装配列表和装配操作、手动删除实际装配模型以及为数字装配技术奠定基础，简化了用户交互列表和装配操作的处理。

3.4 现场应用模式

装配可视化技术是将产品设计信息、制造资源和工艺设计信息数字化传递到所演示的车间。将网络安装到装配车间的装配站，安装生产数字化设备，将三维数据传送到装配位置，使用多媒体装配信息、三维产品数据和三维装配数据在数字环境中将其传送到飞机装配。

3.5 关键装配特性的识别与研究

3.5.1 关键装配特性分析。关键装配特性是指在实际装配过程中，参与到装配工作中零部件的结构、尺寸、形状等会对装配协调工作产生影响的几何特征。装配协调性则是指参与到装配工作中的零部件相互之间几何参数相互配合关系的一致程度。在基于MBD飞机装配技术应用的过程中，关键装配特性不仅明确了零部件装配工作中应重点控制的对象，还映射了装配设计的部分要求。这种情况的出现一方面为装配质量监测工作提供了参数依据，另一方面降低了以关键装配特性为中心的监测数据模型构建的难度。

3.5.2 关键装配特征的识别方法。由于在飞机装配工作过程中，从最初提出的装配需求到最终装配方案的成型，都离不开关键装配特征的选择工作。因此，关键装配特征的选择效果与飞机装配工作质量间存在着直接的联系。在飞机装配初始阶段，可以从装配需求的角度对关键装配特征进行筛选预定义。但随着装配工作的逐渐推进，装配零部件的复杂度、数量等不断增长，大大提升了从装配零件几何特性中识别关键装配特征的难度。因为此时概括性的关键装配特征已经无法满足装配工作的实际需要，所以需要对关键装配特征进行进一步的细化分解。但需要注意的是，在飞机装配过程中，若关键装配特征过多，可能会导致装配测量和控制工作的工作量大幅度增加，从而影响后续装配工作的顺利进行。

4 结束语

随着飞机数字化设计技术的应用，MBD模型数据已经成为飞机研制的重要依据。深入分析飞机设备质量检查细则，从型号研制任务入手梳理飞机设备数字化质量审查流程，探明设备模型入库检查、设备库状态检查以及飞机设备布置检查技术路线，基于CAA二次开发工具实现相关功能，打通了飞机设备质量检查的数据传递。在工程型号中能够较好应用，有助于检查人员快速高效地完成检查任务，避免大重复工作。