基于MBD的數(shù)字化仿真技術(shù)在航天制造企業(yè)應(yīng)用論文

　　一、引言。

　　當(dāng)前，伴隨著三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)帶來的傳統(tǒng)產(chǎn)品研制模式的重大變革，基于模型的定義（Model Based Definition，MBD）技術(shù)正向著可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品整個(gè)生命周期中各個(gè)階段的數(shù)據(jù)、過程定義與交換的全數(shù)字化方向發(fā)展。近年來我國(guó)的航天制造業(yè)數(shù)字化緊跟現(xiàn)今數(shù)字化制造發(fā)展方向，在產(chǎn)品的三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)、基于三維產(chǎn)品模型的工藝設(shè)計(jì)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)和生產(chǎn)過程管理等方面取得了一定的成效，但也應(yīng)意識(shí)到，面向產(chǎn)品全生命周期的數(shù)字化尚未實(shí)現(xiàn)，全數(shù)字化的三維設(shè)計(jì)制造模式仍未形成，數(shù)字化仿真技術(shù)對(duì)數(shù)字化制造的促進(jìn)效果仍不明顯，數(shù)字化技術(shù)的巨大效能遠(yuǎn)未發(fā)揮。對(duì)于離散型航天制造型企業(yè)，應(yīng)重點(diǎn)從生產(chǎn)系統(tǒng)仿真技術(shù)、工藝設(shè)計(jì)仿真技術(shù)、裝備設(shè)計(jì)仿真技術(shù)、質(zhì)量檢測(cè)仿真技術(shù)四方面深入開展數(shù)字化仿真技術(shù)的探索和應(yīng)用工作�，F(xiàn)階段需要著重解決以下幾方面的問題：

　　a、如何利用生產(chǎn)系統(tǒng)仿真技術(shù)詳細(xì)驗(yàn)證工廠規(guī)劃、車間布局方案可行性，降低固定資產(chǎn)投資和技術(shù)改進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)；

　　b、如何利用工藝設(shè)計(jì)仿真技術(shù)減少產(chǎn)品研制初期的設(shè)計(jì)更改、工藝更改和試驗(yàn)件生產(chǎn)，并為產(chǎn)品裝配現(xiàn)場(chǎng)提供可視化的三維工藝指導(dǎo)；

　　c、如何通過利用裝備設(shè)計(jì)仿真技術(shù)解決大型產(chǎn)品、工裝驗(yàn)證成本高，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)的問題；

　　d、如何利用質(zhì)量檢測(cè)仿真技術(shù)提高產(chǎn)品的尺寸質(zhì)量，降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，提高零部件合格率并在產(chǎn)品批產(chǎn)前及時(shí)發(fā)現(xiàn)質(zhì)量控制上的潛在隱患。

　　二、生產(chǎn)系統(tǒng)仿真技術(shù)。

　　生產(chǎn)系統(tǒng)仿真是指利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在虛擬空間內(nèi)對(duì)制造系統(tǒng)元素（包括設(shè)備和人）布置的合理性和原材料轉(zhuǎn)化過程（包括加工、流轉(zhuǎn)、裝配）的流暢性進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化，計(jì)算各工位產(chǎn)能和物料流動(dòng)時(shí)間并實(shí)現(xiàn)最優(yōu)生產(chǎn)線平衡，以指導(dǎo)工藝布局、工藝物流和生產(chǎn)規(guī)劃的技術(shù)。生產(chǎn)系統(tǒng)仿真主要包括工藝布局仿真、工藝物流仿真和生產(chǎn)計(jì)劃驗(yàn)證三個(gè)方面。

　　在生產(chǎn)計(jì)劃中，基于數(shù)字化工廠的生產(chǎn)系統(tǒng)仿真技術(shù)可應(yīng)用到復(fù)雜生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的生產(chǎn)計(jì)劃制定當(dāng)中，通過專門的生產(chǎn)系統(tǒng)仿真軟件在對(duì)工廠及設(shè)備建模后，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)調(diào)度的仿真，從而可實(shí)現(xiàn)在特定調(diào)度指令下，對(duì)車間的設(shè)備、耗能、人員分工情況進(jìn)行分析，為調(diào)度指令的進(jìn)一步優(yōu)化提供必要的數(shù)據(jù)支持。也可應(yīng)用到已有生產(chǎn)系統(tǒng)的改進(jìn)中，通過生產(chǎn)系統(tǒng)仿真技術(shù)可以改進(jìn)現(xiàn)有車間的布局、流程、人員配置等，從而達(dá)到提高生產(chǎn)效率、提高空間和設(shè)備利用率、適應(yīng)更多品種產(chǎn)品生產(chǎn)等目的；此外，數(shù)字化仿真技術(shù)還可應(yīng)用到工藝布局與規(guī)劃中，基于數(shù)字化仿真技術(shù)的數(shù)字化工廠規(guī)劃技術(shù)可將傳統(tǒng)的基于手工和經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)規(guī)劃轉(zhuǎn)變?yōu)榛�于�?jì)算機(jī)仿真和優(yōu)化的精確可靠地規(guī)劃設(shè)計(jì)，從而有效減少工廠與工藝規(guī)劃的時(shí)間，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，優(yōu)化車間布局，減少工程更改量，降低了開發(fā)成本和投資風(fēng)險(xiǎn)。

　　三、工藝設(shè)計(jì)仿真技術(shù)。

　　在產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)與規(guī)劃上，基于MBD的數(shù)字化仿真技術(shù)是三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)的工藝過程驗(yàn)證與優(yōu)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過引入有限元分析、干涉檢測(cè)等手段，可以充分利用三維模型進(jìn)行鑄造、鍛造、機(jī)加、鈑金、鉚接、焊接、總裝等多專業(yè)的工藝仿真與驗(yàn)證，以獲得最優(yōu)的工藝參數(shù)。例如，在切削加工過程的工藝驗(yàn)證與優(yōu)化上，利用幾何仿真優(yōu)化技術(shù)可以在三維環(huán)境中進(jìn)行加工過程碰撞干涉檢測(cè)，并驗(yàn)證加工路徑與產(chǎn)品加工結(jié)果的正確性。同時(shí)利用物理仿真技術(shù)還可以對(duì)零件切削過程和精度進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真與預(yù)測(cè)，并可以通過控制切削參數(shù)達(dá)到優(yōu)化切削過程的目的；在鈑金加工中，可對(duì)鈑金成型過程中的回彈、橘皮、起皺、撕裂等問題進(jìn)行模擬與預(yù)測(cè)，從而達(dá)到降低廢品率，提升生產(chǎn)效率的目的。

　　基于MBD的三維裝配工藝驗(yàn)證與優(yōu)化也是數(shù)字化仿真技術(shù)應(yīng)用的一大方面，通過在三維工藝設(shè)計(jì)環(huán)境中對(duì)零部件的裝配順序、路徑進(jìn)行裝配干涉與可達(dá)性的驗(yàn)證，可以在工藝設(shè)計(jì)階段及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在設(shè)計(jì)問題。此外利用三維裝配誤差仿真技術(shù)，也可以在虛擬環(huán)境下進(jìn)行產(chǎn)品裝配誤差分析，從而在產(chǎn)品裝配之前就發(fā)現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃和工藝裝備中存在的問題，達(dá)到減少產(chǎn)品裝配過程中的設(shè)計(jì)和工裝更改，保證裝配質(zhì)量和提高裝配效率的目的。

　　在大型部段產(chǎn)品研制生產(chǎn)初期中，往往出現(xiàn)靜力試驗(yàn)故障、產(chǎn)品尺寸精度與設(shè)計(jì)精度嚴(yán)重超差、大部段裝配工藝準(zhǔn)備過程較長(zhǎng)、零部件生產(chǎn)過程中工藝問題頻發(fā)等諸多質(zhì)量效率問題，引起上述問題的主要有工藝設(shè)計(jì)驗(yàn)證手段落后、工裝設(shè)計(jì)與產(chǎn)品不符、零件與工裝齊套緩慢、設(shè)計(jì)與工藝更改頻繁等原因。為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的制造質(zhì)量和效率的提升，在工藝設(shè)計(jì)中引入三維數(shù)字化工藝仿真驗(yàn)證過程是必不可少的環(huán)節(jié)。圖2所示為數(shù)字化仿真技術(shù)應(yīng)用于人機(jī)裝配作業(yè)。數(shù)字化工藝仿真技術(shù)是實(shí)施并行工程、精益生產(chǎn)、敏捷制造的需要，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的同時(shí)，并行開展工藝設(shè)計(jì)和工裝研發(fā)，盡最大可能減少實(shí)物制造、裝配環(huán)節(jié)中帶來的風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)國(guó)內(nèi)外眾多企業(yè)實(shí)踐表明，工藝仿真技術(shù)能夠提高產(chǎn)品質(zhì)量、加快生產(chǎn)效率、減少人力物力成本，提前發(fā)現(xiàn)實(shí)物 生產(chǎn)中可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)并及時(shí)制定糾正預(yù)防措施，增加制造企業(yè)的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力。因此，應(yīng)從以下方面開展數(shù)字化研究工作：

　　a、規(guī)范產(chǎn)品工藝模型MBD工藝建模標(biāo)準(zhǔn)，建立與產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的接口，形成從設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)到檢測(cè)的單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源，用于產(chǎn)品全生命周期管理；

　　b、從各專業(yè)工藝實(shí)際出發(fā)，建立基于三維實(shí)體模型的數(shù)字化工藝體系，滿足異地協(xié)同、車間協(xié)作的需求；

　　c、在MBD建模規(guī)范和數(shù)字化工藝體系基礎(chǔ)上，延伸至車間作業(yè)管理，建立與MES的數(shù)據(jù)接口，管理生產(chǎn)計(jì)劃執(zhí)行、跟蹤及所有資源的狀態(tài)監(jiān)控，形成車間作業(yè)全面管理監(jiān)控的能力。

　　四、裝備設(shè)計(jì)仿真技術(shù)。

　　在三維數(shù)字化設(shè)計(jì)方面，通過建立產(chǎn)品或生產(chǎn)裝備的三維數(shù)字樣機(jī)，利用CAE技術(shù)可對(duì)產(chǎn)品或生產(chǎn)裝備的結(jié)構(gòu)、振動(dòng)、疲勞等特性進(jìn)行數(shù)值模擬仿真與試驗(yàn)，在裝備設(shè)計(jì)階段就可以對(duì)產(chǎn)品或生產(chǎn)裝備的性能進(jìn)行驗(yàn)證，并可通過不斷迭代修改達(dá)到滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)部分或全部取代物理樣機(jī)，從而盡可能降低產(chǎn)品研發(fā)中的潛在風(fēng)險(xiǎn)，避免工裝的報(bào)廢，降低投資風(fēng)險(xiǎn)，縮短產(chǎn)品和工裝的研制周期。

　　計(jì)算機(jī)裝備設(shè)計(jì)仿真可在生產(chǎn)裝備或工藝裝備實(shí)體尚未制造，或者不易在實(shí)物上進(jìn)行驗(yàn)證的情況下，通過虛擬建模技術(shù)，利用仿真模型來模仿實(shí)際系統(tǒng)所發(fā)生的運(yùn)動(dòng)過程并進(jìn)行試驗(yàn)，在模擬環(huán)境下實(shí)現(xiàn)和預(yù)測(cè)產(chǎn)品在真實(shí)環(huán)境下的性能和特征（動(dòng)態(tài)的和靜態(tài)的）。通常按裝備設(shè)計(jì)仿真所涉及的學(xué)科分類，將仿真分為機(jī)械設(shè)計(jì)仿真、電氣設(shè)計(jì)仿真和氣動(dòng)液壓仿真三個(gè)方面。

　　五、質(zhì)量檢測(cè)仿真技術(shù)。

　　在質(zhì)量檢測(cè)方面，可通過采用逆向工程技術(shù)，在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境下對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際制造產(chǎn)品、測(cè)量硬件設(shè)備和加工環(huán)境進(jìn)行仿真再現(xiàn)，并可將原有產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型與實(shí)際產(chǎn)品物理模型進(jìn)行比較，具有產(chǎn)品制造信息（Product and Manufacturing Information，PMI）的MBD模型，可以方便地在三維仿真環(huán)境中進(jìn)行測(cè)量規(guī)劃，生成檢測(cè)工序和測(cè)量路徑，并可對(duì)測(cè)量規(guī)劃路徑進(jìn)行模擬，確保測(cè)量路徑的完整性和安全性，產(chǎn)品最終的包含檢測(cè)工序、路徑、方法、工具等的產(chǎn)品三維檢測(cè)指導(dǎo)書也會(huì)融入到產(chǎn)品基于三維模型的全生命周期數(shù)據(jù)中。

　　在當(dāng)今的制造領(lǐng)域，與質(zhì)量檢測(cè)相關(guān)的成熟仿真技術(shù)主要應(yīng)用在數(shù)字化公差仿真、坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和激光掃描設(shè)備測(cè)量數(shù)據(jù)分析方面。數(shù)字化公差仿真是一個(gè)覆蓋產(chǎn)品設(shè)計(jì)、零件制造和裝配全過程的概念，包括配合間隙（Gap/Flush）目標(biāo)值的定義、零件定位方式和形位公差定義、制造裝配階段的裝配偏差分析等，并且進(jìn)一步延伸并影響到零件的模具設(shè)計(jì)、檢具設(shè)計(jì)、夾具設(shè)計(jì)和測(cè)量設(shè)計(jì)等。圖4所示為基于MBD的三維公差仿真一般過程。此外，坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和激光掃描設(shè)備可用于產(chǎn)品零部件的尺寸形狀精度測(cè)量與評(píng)定工作，采用仿真技術(shù)可也對(duì)檢測(cè)路徑進(jìn)行離線仿真，并輔助編寫檢測(cè)規(guī)劃以及對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行三維可視化分析。需要注意的是，產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)工作中實(shí)現(xiàn)數(shù)字化仿真技術(shù)的高效應(yīng)用的前提是對(duì)產(chǎn)品MBD模型中PMI數(shù)據(jù)的有效識(shí)別、提取和復(fù)用。因此發(fā)展質(zhì)量檢測(cè)仿真技術(shù)，必須優(yōu)先發(fā)展基于MBD的數(shù)字化制造技術(shù)。

　　六、結(jié)束語。

　　數(shù)字化仿真技術(shù)對(duì)硬件配套需求不多，主要用到高性能計(jì)算設(shè)備、多媒體演示設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)工藝指導(dǎo)播放設(shè)備、三維體感交互設(shè)計(jì)設(shè)備等，但對(duì)軟件需求較為廣泛，需要基于產(chǎn)品設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)管理平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一建設(shè)，前期人力與管理成本投入較大，而一旦應(yīng)用成熟，將會(huì)帶來極大的效率提升和技術(shù)升級(jí)，具有較高的投入產(chǎn)出比。

　　在三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)在帶來的傳統(tǒng)航天產(chǎn)品研制模式的重大變革的同時(shí)，當(dāng)今航天制造中各專業(yè)領(lǐng)域?qū)�基于MBD的數(shù)字化仿真技術(shù)的需求也呈現(xiàn)越來越多樣化的趨勢(shì)，這給數(shù)字化仿真技術(shù)在航天制造領(lǐng)域的大范圍應(yīng)用帶來了巨大的發(fā)展契機(jī)。航天制造企業(yè)應(yīng)該從企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略高度與產(chǎn)品設(shè)計(jì)單位一起從頂層自上而下地去推動(dòng)數(shù)字化仿真技術(shù)的應(yīng)用實(shí)施，以實(shí)現(xiàn)航天領(lǐng)域向數(shù)字化設(shè)計(jì)制造模式的變革。

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