基于MBD的三维工艺在生产线中的应用

0引言

自2006年以来,我国航空工业投入大量资源开展科研生产数字化建设,在数字仿真、数字制造、协同研发、数据管理等方面取得较大进展。但是,面对航空产品多品种、小批量的特点,我国航空企业仍然存在研发、工艺、装配、维保缺乏统筹,产品研发周期不能满足客户需求,生产管控能力不足,产品质量提升空间较大等问题。航空企业进一步开展数字化建设是实现产品装备性能提升、效率提高、创新加快、成本降低的必由之路。

近年来,航空企业普遍开展了科研生产数字化应用建设,基于模型的定义(Model—Based Definition, MBD)技术受到广泛关注,成为最受中国航空企业关注的技术之一。MBD技术是在产品三维模型的基础上进一步集成管理信息、属性信息、制造信息等产品定义信息的技术方法^[1]。传统基于二维工程图的设计制造过程面临一系列问题,例如产品定义信息难以完全表述、信息传递效率较低、信息表达的直观性较差,这些不足使得二维工程图已不能支持企业的数字化转型,而MBD技术的出现提供了一种有效的解决方案。

MBD技术首先在设计环节得到普遍应用^[2],这为开展基于MBD的三维工艺技术研究与应用提供了土壤。基于MBD的三维工艺将MBD三维模型作为唯一的数据源,实现了设计和制造的协同,保证了各种信息能够始终被准确定义到以模型为核心的技术数

据包中,并保持上下游信息的直接重用,使源头信息一直延伸到生产线现场。同时,基于MBD的三维工艺对产品质量和设计效率的提高起着至关重要的作用,尤其是在航空产品多品种、小批量的需求趋势下,成为提高竞争力的有效途径^[3]。除此之外,基于MBD的三维工艺也是航空产业实现向精益制造、敏捷制造、智能制造转型的助推剂和垫脚石。

本文以航空装备关键零件——叶轮为例,在MBD 三维模型基础上开展三维工艺设计,在生产线中实现可视化的三维工艺指导生产,并结合制造执行系统(Manufacturing Execution System,MES)平台实现工艺执行控制。

1 基于MBD的三维工艺设计

基于MBD三维模型开展三维工艺设计,通过对设计要素的直接引用,既能够提高工艺设计的质量,避免信息传递和转换过程中的错误,同时也能避免重复绘制设计要素造成的重复劳动。

三维工艺设计中的模型直接源自于三维设计模型,在此基础上开展工艺路线设计、工序模型构建、加工特征定义、可视化定义,最终发布并用于指导生产线的生产加工。三维工艺设计的典型路径如图1所示。

在叶轮零件三维工艺的编制中,工序模型三维设计起到关键作用。工序模型是工艺设计思路的最直接体现,常用的工序模型的设计方式有两种,即正向设计、逆向设计^[4]。正向设计就是模拟从毛坯到零件演变的过程,通过增加细节特征的方法体现加工过程的实现。逆向设计就是模拟从零件到毛坯演变的过程，通过删除细节特征的方法反向体现加工过程的实现。采用逆向设计的方法构建典型叶轮零件工序模型,图2为叶轮三维设计模型,图3为采用逆向设计方法构建的叶轮三维工序模型。

在三维工序模型的基础上需进一步定义加工特性,包括工序属性定义、PMI三维标注、工序资源匹配,完成制造信息与几何模型的关联,组成完整的工艺方案。图4为叶型铣加工工序的特性定义。

2 工艺执行的可视化

传统二维工艺中往往使用单一剖切平面、单一剖切柱面、平行剖切平面、相交剖切平面等方式表达零件内部结构^[5],而在三维工艺中不仅能对剖切后的实体进行展示,而且能通过颜色渲染、定制视图等方法对复杂结构和工序加工内容进行准确且清晰的表达。

为便于三维工艺生产线的应用，经审签发布的三维工艺需满足以下要求:

1)工序模型以轻量化数据的方式输出，减轻系统负担。

2)三维模型和三维标注做到直观且易于理解。

3)工序模型可用于旋转、缩放、剖切、测量等。

本文中的叶轮三维工艺经过电子审批流程后,通过产品数据管理(Product Data Management,PDM)系统和企业数据总线实现对数据的集成发布。生产线上,员工通过MES平台中的数据接口,即可直观、高效、准确地获取工艺信息,如图5所示,并以此为依据完成现场生产加工,实现基于模型的现场制造。

图6为生产现场查看的叶轮工序信息,在剖切的基础上通过色彩渲染体现需加工区域,同时产线员工能够使用现场终端对三维工艺模型进行旋转、缩放、剖切、测量、标注等操作。

3 制造执行系统的工艺执行控制

现代制造企业的车间生产过程管理主要采用MES系统,它的作用就是动态跟踪采集制造信息,实现制造过程管理规范化、透明化。基于MES系统开展的生产制造过程管理,既可从上级信息化系统接收指令,也可向下级系统传递指令,是制造企业信息化建设的核心环节^[6]。

众所周知,零件制造业务中工艺执行控制的重要性尤为显著,严守工艺纪律是生产线确保产品质量的基本原则。MES系统的基础功能之一就是工艺执行控制,而基于MBD的三维工艺最大优势就是将设计三维模型作为唯一的数据源,使设计信息一直延伸到生产线现场,这就确保了生产线所用工艺的准确性。

本文中的叶轮三维工艺借助生产线MES终端得以展示和运用。生产管理人员根据生产计划进行任务派发,将工序指派给不同的人员或加工设备。加工人员通过MES终端接收任务,如图7所示,严格按照三维工艺相应工序指令完成工作内容并在系统中记录工序质量信息。工序流转同样通过MES平台实现,系统同时记录各类执行信息、流转信息和质量信息,通过数据分析即可直观展示安全(S)、质量(Q)、成本(C)、交付(D)和人员(P)等关键指标,在保证工序执行力和工序质量的同时,实现车间管理整体透明化。

4总结及展望

本文通过编制叶轮零件三维工艺,并借助MES 平台直接运用于指导生产,真正实现了设计和制造的协同,在保证生产线执行力和工序质量的同时提升了信息集成水平,对航空制造业应用MBD技术实现基于单一数据源的设计制造一体化,缩短研制周期具有一定的指导作用。

同时,基于MBD的三维工艺不仅能够被看到,还能被计算机所解析。因此,在三维工艺的基础上开发数字化检测系统、智能化生产运营管控系统、智能工艺设计系统、工艺知识管理系统、工艺仿真验证系统等更加集成化、智能化的工具是下一步的研究方向。

[参考文献]

[1]刘睿,段桂江.MBD技术发展及在航空制造领域的应用[J].航空制造技术,2016(5):93-98.

[2] 阮超峰.MBD技术在航空制造业中的应用[J].机械设计与制造工程,2014,43(6):83-85.

[3]王煜,吉卫喜.MBD模式下制造执行系统的工艺执行及可视化工艺表达研究[J].现代制造工程,2016(8):83-88.

[4]刘克希,吴刚,刘升.齿轮箱产品机加工三维工艺研究与实现[J].机车车辆工艺,2020(6):45-47.

[5] 机械制图 图样画法 剖视图和断面图:GB/T4458.6—2002[S].北京:中国标准出版社,2003.

[6]王晋.制造执行系统的研究现状和发展趋势[J].兵器装备工程学报,2016,37(2):92-96.

2025年第1期第20篇