基于MBD的飞机装配技术发展及应用分析

任向阳

（航空工业陕西工业集团有限公司，汉中 723200）

在当前的飞机装配制造过程中，设计模型向实际产品传达的环节较多，相关工作人员需要对大量的装备进行装夹定位，从而导致装配过程中的装配协调线路较为复杂。现阶段，为保证装配工作的精度，应用基于模型的定义（Model Based Definition，MBD）技术制定相应的装配方案，成为了保障零部件与工艺装备之间协调性的有效方式之一。

1 基于MBD的飞机装配工艺数据集定义

为进一步提升飞机装配工作的效率，早在20世纪90年代，波音公司就将以MBD技术为基础的数字化装配技术应用到了飞机研制过程中。例如，在研制波音777飞机的过程中，借助MBD技术以三维数字模型代替了传统二维图纸，能够将零部件的几何特征有效表达出来。这种方式不仅有效消除了数据传递过程中可能产生的误差，而且推动了飞机研制工作的数字化、无纸化发展。近年来，随着科学技术的不断发展，MBD技术被广泛应用到了国内外飞机装配工作中，使得飞机研制过程中不同环节的信息都得到了规范化的定义，进一步提升了飞机装配构建三维数字化模型的完整性与准确性。现阶段，借助MBD数据集进行飞机模块装配活动，不仅进一步提升了飞机装配工作的可靠性与精确性，还推动了飞机装配工作朝着信息化、集成化的方向发展[1]。

2 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。图1为基于MBD的飞机装配工艺规划过程[2]。

3 基于MBD的飞机装配工艺协同设计方法

近年来，在航空企业工艺越发复杂的情况下，对飞机装配工作的进度要求不断提升，原有的串行生产方式已经无法适应飞机的生产要求。现阶段，为切实提升飞机装配工作的效率，相关工作人员可以将MBD模型应用到飞机研制的过程当中，以确保飞机并行协同研制过程中，相关工作人员可以获取高精确度的数据集成信息。

3.1 成熟度驱动下的飞机装配工艺协同设计

现阶段，在开展飞机装配工作的过程中，相关工作人员可以通过应用并行协同研制模式的方式定义飞机MBD模型的成熟度和完整度，然后设置数据基线并标出其工作状态。通过这种方式不仅可以加快产品设计数据的发放时间，便于后续工装设计、装配工艺设计等工作提前进行，而且能使飞机产品设计、装配工装设计、装配工艺设计等工作同时进行，从而达到加快飞机装配工作速度的目的。

3.1.1 成熟度技术

成熟度技术是一种描述产品数字模型完整度的技术。在当前的飞机装配过程中，通过应用成熟度技术，相关工作人员可以将研发过程中产品模型划分为不同的等级，以便于处于产品研发下游的工装设计、工艺设计等部分的工作人员依据产品相应部分的不同成熟度对数字模型进行处理，从而达到提升模型处理效率的目的。

3.1.2 划分MBD模型的成熟度等级

在当前的飞机装配过程中，MBD数字模型贯穿了整个研制流程，有效推动了飞机装配技术的数字化发展步伐。不论是从产品研发、管理还是从技术实施的角度来说，MBD数字模型的构建都有效推动了飞机研发工作的稳定发展。现阶段，为进一步提升飞机装配工作的效率，相关工作人员可以在明确自身企业成熟度划分要求的基础上研究飞机研制流程，并针对飞机的MBD模型，对飞机零部件模型进行完善与 定义[3]。

3.2 装配工艺系统设计流程

在飞机装配设计过程中，依据MBD模型状态成熟度升降管理原则，相关工作人员在流程设计不同成熟度阶段的工作内容有所不同。

3.2.1 飞机结构设计人员的工作流程

在飞机装配工作过程中，飞机结构设计人员的工作从概念设计阶段一直延续到详细设计阶段。具体来说，在开展飞机装配工作的过程中，MBD模型的状态成熟度处于ML1阶段时，飞机结构设计人员需要对飞机的整体结构进行设计；当成熟度处于ML2阶段时，飞机结构设计人员需要对飞机的部段结构进行设计；当成熟度处于ML3阶段时，飞机结构设计人员需要对飞机的零组件进行结构设计；当成熟度处于ML4阶段时，飞机结构设计人员需要对飞机的零件结构进行详细设计，并对零件的装配结果进行数字化仿真，然后调整存在干涉问题的零件结构；在解决零件结构设计问题后，成熟度上升至ML5阶段，此时飞机结构设计人员可以对飞机的MBD数字模型进行完整定义[4]。

3.2.2 装配工艺设计人员的工作流程

在概念设计阶段，装配工艺设计人员就已经参与到并行协同研制工作过程中。在MBD模型状态成熟度处于ML1时，装配设计人员需要制定装配工艺的总体设计方案以及工艺研制计划，并确定装配协调工作的具体方法与零部件交付的实际原则。当状态成熟度达到ML2时，装配设计人员需要依据飞机的具体设计结构与工艺特征，将较为复杂的MBD模型划分成相对简单并具有独立功能的装配单元，并依据装配工艺基准对装配单元转配准确度的要求为装配结构选取合适的定位方式。当状态成熟度达到ML3时，装配设计人员可以对装配工艺方案进行细化设计，以明确装配单元中各个零部件的具体交付状态，并将零部件因装配定位、工艺补偿等要求需要添加的装配孔、导孔等信息反映给设计部门。当状态成熟度上升到ML4时，装配设计人员需要对装配工艺方案进行细致的设计规划，从而确定装配工作的具体顺序和各装配单元的装配路径。同时，需要结合装配工作的结构模型对装配过程进行仿真，并将仿真得到的结果反馈给结构设计人员。若发现结构设计中存在问题，则降低MBD模型的状态成熟度，并对模型进行科学的修改。当修改后的模型结构设计切实满足相关规定需要时，模型状态成熟度上升到ML5，此时装配设计人员可以依据装配仿真获得的结果完善装配工艺设计方案，并建立满足装配工艺需要的MBD数字模型。

3.2.3 装配工装设计人员的工作流程

在飞机并行协同研制过程中，装配工装设计人员的工作是从MBD模型的成熟度状态达到ML1后开始的。当MBD模型的状态成熟度达到ML1后，装配工装设计人员需要开展总体工装方案设计工作，同时成立工装设计项目。当模型状态成熟度达到ML2时，装配工装设计人员可以对工装装配情况进行初步设计，并建立工装设计的初步结构方案。当模型的成熟度达到ML3时，装配工装设计人员需要确定工装设计的基准，并设计装配工装的骨架与定位结构。当模型的成熟度达到ML4时，装配工装设计人员在完成工装骨架与定位器设计完善工作后，需要进行协调问题检验。当模型的成熟度达到ML5时，装配工装设计人员需要建立工装MBD数字模型[5]。

3.3 关键装配特性的识别与研究

在开展飞机装配工作的过程中，受装配零部件数量较多、装配环境较为复杂的影响，零部件装配工作的协调性与准确度相对较低。现阶段，为切实解决上述问题，在飞机装配过程中需要提高对装配零部件协调特征、关键特征尺寸、配合关系的关注度，并明确零部件的装配特性关系，从而在后续零部件装配过程中降低不协调、返修等情况的出现概率。

3.3.1 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。

3.3.2 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 结语

一般产品装配工作只占工作总量的20%左右，但飞机装配工作占据了飞机研制工作量的40%～50%。在当前我国航天航空事业飞速发展的背景下，为切实满足国家对飞机的战略、国防需要，将MBD技术应用到飞机装配工作中，可以在保证飞机装配工作质量的同时，降低飞机装配所需的成本，并缩短装配工作的周期。