1 概述
飞机装配技术因其复杂度高、涉及学科多、意义重大而成为飞机研制的龙头环节。随着MBD技术的发展，飞机装配迎来了新的机遇和挑战，通过采用数字化装配技术，将改变传统的飞机设计与制造模式，降低飞机研制周期与生产成本，提高飞机生产质量。
2 MBD的内涵
1997年波音公司协助美国机械工程师协会进行有关MBD标准的研究和制定，于2003年制定了美国MBD国家标准。其主导思想不只是简单地将二维图纸信息反映到三维数模中，而是充分利用三维模型所具备的表现力，去探索便于用户理解且更具效率的设计信息表达方法。它用集成的三维数模完整地表达了产品定义信息的方法，详细规定了三维数模中产品尺寸、公差的标注规则和工艺信息的表达方法。
MBD技术的出现带来了生产模式的巨大变革，它改变了传统的以工程图纸为主、以三维数模为辅的制造方法，使用三维数模作为生产制造过程中的唯一依据。MBD数据集的内容包含设计、工艺、制造、检验等各部门的信息，不论从数据管理还是职能管理角度出发，各职能人员都可以在一个产品模型上协同工作，这种单源定义的方式提高了设计效率的同时也提高了制造的可靠性。
3 基于MBD的飞机三维数字化装配应用架构
MBD技术的出现为三维数字化装配的应用奠定了基础，飞机产品制造过程中的工艺规划、工艺仿真及工艺信息的传递随着MBD技术的引入发生了巨大变化。基于MBD的飞机三维装配应用架构如图1所示。
图1 基于MBD的飞机三维装配应用架构
设计系统依据产品MBD数据集和通过程序提取产品信息生成的产品EBOM表，工艺部门对EBOM添加工艺组合件和工艺路线从而产生PBOM，根据PBOM形成的产品结构树制定装配协调方案并建立顶层MBOM，工艺员按照顶层MBOM中装配单元的划分在三维环境下进行装配工艺模型设计与仿真，根据仿真结果编制三维AO。三维AO在PDM系统中通过审签后发布，PDM系统自动解析三维AO中的配套表以形成MBOM的底层，从而形成完整的MBOM。MBOM以及三维AO会发送至ERP系统进行装配现场可视化应用。
4 三维装配工艺设计系统
在实现基于MBD的工艺规划与仿真过程中，需要借助制造仿真、分析、辅助设计工具以及数据共享管理工具，现航空制造企业多使用达索的DELMIA软件。DELMIA软件仿真性能优异，在虚拟样机设计及虚拟制造交互仿真、三维自动化设备应用仿真及离线编程、虚拟工厂等方面处于世界领先地位。使用三维装配工艺设计系统的重点就是通过上游CAD系统的设计数据结合装配现场的资源，通过3D图形仿真引擎对整个装配过程进行仿真和分析，得到可达性、可操作性、可装配性以及最佳性能等方面的最优化数据。企业需要在DELMIA软件的基础上进行定制开发，系统功能开发主要包括工艺规划、装配仿真、三维工艺信息标注、三维工艺指令编制、装配工艺知识库等。
4.1 工艺规划
(1)工艺数据管理框架定制
根据企业工艺设计状况对DELMIA软件DPE中默认的工艺数据管理框架进行重新定义，建立具有充分适应企业实际生产要求与工艺设计习惯的层次关系树，以满足专业装配工程技术人员对装配工艺设计的功能要求。
(2)PBOM构建和管理
在工艺视图中，建立PBOM结构树，确定零件、部组件、成品件等工艺分工路线，划分建立工艺组件，并对其进行管理。
(3)顶层MBOM构建和管理
在工艺视图中，划分装配单元，确定装配顺序，建立顶层MBOM结构树，并对其进行管理。
4.2 装配仿真
(1)装配工艺规划和设计完成后，能够在三维环境下，实现对装配干涉检查、装配工具可达性、人机交互的安全性进行验证。
(2)在装配仿真过程中，能够根据人的观察习惯，通过程序的自动处理，对当前装配过程的观察角度进行调整。
4.3 三维工艺信息标注
(1)支持描述装配工艺信息的标注，包含：定位方式及尺寸、定位基准、公差、夹紧方式、工艺孔（装配孔、定位孔、销钉孔、工具孔及导孔）、连接定义（标准件连接层次、数量及牌号，螺栓安装方向、夹层）、涂胶区域等的标注。
(2)能够根据装配过程，对装配标注进行相应的显示和隐藏控制。
4.4 指令编制
实现三维装配指令的生成、发布、组织与管理，在三维装配工艺设计系统中，利用文字、仿真动画、轻量化模型、图片等多种数据格式进行装配指令的编制。
4.5 工艺数据有效性管理
三维装配工艺设计系统中的BOM和AO等数据按状态（版次和批架次）进行控制管理，其状态定义应保证与企业PDM系统一致。
4.6 装配工艺知识库
建立装配工艺知识库，便于装配工艺知识的重用、操作经验的累积，缩短装配工艺设计周期，提高装配工艺设计的准确性及规范性。采用语义驱动的方式搜索知识库中对应的知识，实现装配知识的分类管理、审批、知识统计、用户管理及提取重用。装配知识库包括装配工艺知识类和制造资源知识类两大类。
装配工艺知识类面向特定产品，主要包括：框类，壁板组件类、地板组件类、管路类、段件类等组件类别。具体要求如下：
(a)在装配工艺知识库中建立组件装配工艺节点，节点下包含框类，壁板组件类、地板组件类、管路类、段件类等典型部件；
(b)每个组件装配工艺节点下包含装配指令级、装配工序级和装配工步级三个节点；
(c)实现装配指令级、装配工序级和装配工步级三个节点之间数据的逻辑关联；
(d)实现面向特定产品的装配工艺知识类中的具体操作与通用操作类知识之间数据的逻辑关联。
制造资源类知识，包括：装配工装、工具、人体模型等。具体要求如下：
(a)能够保存装配工装、工具、人体模型的三维模型、属性参数等；
(b)在装配工装类下建立制造工艺装备（型架、托架、吊装等）和辅助工艺装备（工作梯、零件架等）。
(c)根据飞机装配生产实际需要，建立人体姿态资源。
基于达索DELMIA软件构建的三维装配工艺设计系统（以下简称DELMIA系统）与原有二维装配工艺设计系统相比有许多优势，实现了许多技术上的跨越。一是通过三维装配仿真进行装配工艺规划，避免许多实际装配才能发现的干涉问题；二是通过利用轻量化三维模型编制的三维装配工艺指令在动态描述装配过程时直观、清晰明了；三是三维AO编制中的配套表采用直接在BOM结构上进行拖拽的方式实现零部件的关联和分配，避免了二维中由于工艺员手工填写大量工艺信息、配套表、材料清单等带来的人为差错，编制效率高；四是三维装配工艺直接利用产品设计模型进行标准件的分配和管理，实现了标准件的精确管理，解决了二维工艺标准件难以管理的难题。
5 DELMIA系统与PDM、ERP系统的集成
DELMIA系统的应用丰富了工艺规划和仿真验证的手段，但要其真正的发挥效用，就必须要让它有效地传递到研制链的下游，将三维AO在生产现场进行展示，并且能收集生产现场的开工信息，为工艺指令编制提供必要的参考。企业一般都已经建立起了从设计平台到PDM系统再到ERP系统的数据链，三维装配工艺系统作为PDM系统的一部分应有机的和现有的系统进行集成。
5.1 集成总体业务框架
DELMIA系统作为工具级应用，负责顶层MBOM构建、工艺规划、仿真验证和AO的编制等工作。DELMIA系统从PDM系统中接收的EBOM及产品数模、PBOM、工装数据做为输入项，DELMIA系统向PDM系统输出顶层MBOM、三维AO及仿真验证结果，PDM系统负责管理这些数据并向下游ERP系统进行传递，ERP系统负责进行三维AO的展示，指导现场作业。各系统之间通过Webservices，数据库中间表、FTP等技术进行数据交互，PDM系统和生产管控系统都需要开发基于三维AO的管理模块，并进行相应的接口程序的开发。DELMIA系统与其他系统集成数据流如图2所示。
图2 总体集成架构
5.2 DELMIA系统与PDM系统的集成
5.2.1 EBOM和产品数模集成
PDM系统开发基于架次的EBOM和产品模型数据导出功能，通过输入“零组件”编号和“架次”的信息，可导出该架次下部件EBOM结构清册和产品数模，实现EBOM和产品模型数据基于架次的导出。DELMIA系统将导出的EBOM和产品模型数据导入系统进行后续工艺规划，系统集成支持自动导入方式，其流程图如图3。
图3 EBOM与产品模型数据自动导入DELMIA系统流程
DELMIA通过调用PDM系统相应的WebService接口函数将架次和零组件编号传给PDM系统，PDM系统收到DELMIA的WebService请求后，根据架次和零组件编号将bom和模型打包并上传到FTP服务器，并将ZIP包名称通过XML文件返回DELMIA系统，DELMIA系统根据ZIP包名称从FTP服务器下载ZIP包，然后解析ZIP包里的数据，并存入DEMIA系统中。
新机研制中EO（工程更改指令）会频繁产生，EO数据包由设计平台发出，以压缩包的形式传递，内容主要包括PDF格式的EO指令、XML格式的EMBOM清册、产品数模、零件清单等，PDM系统从设计平台接收EO数据包，在系统内部进行业务流转之外，同时也将该EO数据包完整的传递给DELMIA系统，使数据进行三维AO方面的贯彻。其流程图如下：
图4 EO数据包自动导入DELMIA系统流程
PDM系统调用DEIJMIA系统WebService接口函数，将EO包名称发送给DELMIA系统，DELMIA系统根据包名称在预先约定的FTP服务器上下载EO包，解析EO包并存入DELMIA系统。
5.2.2 PBOM数据集成
PBOM数据集成主要是实现将PDM系统中的PBOM导入DFLMIA系统，PBOM导入条件也是“零组件”编号和“架次”信息。DELMIA以架次和零组件编号作为参数，调用PDM系统的WebService接口，PDM系统收到DELMIA的WebService请求后，根据架次和零组件编号生成xlS文件并上传FTP服务器，PDM系统返回的XML文件告知DELMIA系统xls文件名称和位置，DELMIA系统下载该文件并载入到系统。
5.2.3 MBOM数据集成
顶层MBOM在DELMIA系统中设计，一次性导入PDM系统，MBOM后续的更改在PDM系统中走更改流程，MBOM审批通过后同步到DELMIA系统，信息的传递方式也是通过WebService方式，文件格式为Excel格式。
5.2.4 工装数据集成
DELMIA仿真需要使用PDM系统中工装数模，工装数模的下载与产品数模类似。DELMIA系统以工装图号为参数调用PDM系统的WcbService，PDM系统接受请求后打包数模上传至FTP，并将文件名和地址告知DELMIA，DFLMIA下载数模到本系统中。
5.2.5 AO数据集成
按总体集成构架定义，三维AO在DELMIA系统生成并导入PDM系统中管理，管理主要包括签审流程、版本管理、向ERP系统的发放。集成应保证与原有二维AO的兼容。PDM系统可以使用同一个文档软类型，在原有软类型的基础上添加一个软属性(is3D)，AO数据的传递使用XML格式文件，需要在原有二维AO的XML格式文件中增加三维AO中使用的j维仿真动画文件、图片的相对路径。另外签审流程需要在PDM系统中浏览三维AO，PDM系统需要引入3DVIA插件以实现3D装配动画的展示。签审流程和向ERP系统的发放可与二维相同，这里不再介绍。
三维AO的版本管理分3中情况。初次导入时，PDM系统自动创建三维AO对象的A.1版。再次导人三维AO时，PDM系统需要判断对应的AO文档是否存在，保证存在时，检测该对象所处的生命周期状态，如果该对象处于“正在工作”和“重新工作”状态，则导入的同时，系统自动生小版，如由A.1升到A.2，由B.2升到B.3等。当PDM系统中三维AO对象状态已定版时，系统自动按新建修订版本升大版本，如A.3升到B.1。
三维AO数据传递流程如下。首先DELMIA系统将编制好的三维A0数据打包并上传到FTP上，同时系统调用PDM系统的WebService接口，将ZIP包名称传递给PDM系统，PDM系统按照该对象的状态进行版本定义，然后系统通过AO签审流程完成三维AO的审签，审签完成后将版本信息、签审结果通过WebService返回给DELMIA。PDM系统再将三维AO通过FTP传给ERP系统。（图5）
图5 三维AO数据传递流程
5.3 DELMIA系统与ERP系统的集成
DELMIA系统与ERP系统的集成主要涉及三维AO更改管理，DELMIA系统需要读取ERP系统的开工状态和工步完成信息以决定更改的形式和内容。AO更改（包括升版和更改单）应在DELMIA系统发起，在PDM系统完成审签，再传递到装配现场即ERP系统。企业制订相关的标准化文件规定更改的发起形式，一般对于未开工的工序采用升版的方式进行更改，对于已经开工的工序采用更改单的形式进行更改。三维AO更改业务流程如图6所示。
图6 三维AO更改业务流程
AO升版与新建AO流程相同，按架次区间进行有效性控制。流程是在三维装配工艺系统中新建AO，导入PDM平台审签和管理，审签通过后，PDM系统通过中间表将AO传入ERP系统，ERP系统通过计划下发进行现场展示。
AO更改单均按单架次进行编制和贯彻，在DELMIA系统中新建AO更改单，新建同时锁定ERP系统中的开工AO，并读取工步完成情况再进行AO更改单编制，系统需锁定已完工的工步，保证更改单只对未完工的工步进行更改，ERP系统需要对DELMIA系统提供锁定AO以及读取AO工步完成情况的接口。编制过程中如需取消该更改需解除AO锁定，编制完成的AO更改单导入PDM平台，通过创建变更通知的形式提交审签，审签结果分为通过、驳回、取消三种情况。通过审签，PDM系统通过中间表和FTP等形式将AO更改单传入生产管控系统，生产管控系统收到更改单会自动解除开工AO的锁定状态并贯彻更改单到该AO。如果驳回，驳回状态和意见返回给DELMIA系统，工艺员根据意见对更改单进行修订再提交。如果取消该更改单，取消状态返回给DELMIA系统，工艺员在DELMIA系统中对该锁定AO进行解锁。
5 结束语
基于MBD技术的飞机数字化装配工艺设计系统以及与PDM、ERP系统的集成实现无二维图纸、无纸质装配指令的三维数字化集成装配。基于MBD技术使得产品设计信息、工艺信息等能够有效地传递到飞机装配的各个环节，大大缩短了装配工艺规划和设计的时间，无纸化的装配指令极大的改善了装配现场的环境，三维AO更加直观、清晰、明了，实现了装配现场质的飞跃。
转载请注明出处：拓步ERP资讯网http://www.toberp.com/
相关文章
