基于MBD的數字化仿真技術(shù)在航天制造企業(yè)應用論文
一、引言。
當前，伴隨著(zhù)三維數字化設計制造技術(shù)帶來(lái)的傳統產(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(zhù)可以實(shí)現產(chǎn)品整個(gè)生命周期中各個(gè)階段的數據、過(guò)程定義與交換的全數字化方向發(fā)展。近年來(lái)我國的航天制造業(yè)數字化緊跟現今數字化制造發(fā)展方向，在產(chǎn)品的三維數字化協(xié)同設計、基于三維產(chǎn)品模型的工藝設計、產(chǎn)品數據和生產(chǎn)過(guò)程管理等方面取得了一定的成效，但也應意識到，面向產(chǎn)品全生命周期的數字化尚未實(shí)現，全數字化的三維設計制造模式仍未形成，數字化仿真技術(shù)對數字化制造的促進(jìn)效果仍不明顯，數字化技術(shù)的巨大效能遠未發(fā)揮。對于離散型航天制造型企業(yè)，應重點(diǎn)從生產(chǎn)系統仿真技術(shù)、工藝設計仿真技術(shù)、裝備設計仿真技術(shù)、質(zhì)量檢測仿真技術(shù)四方面深入開(kāi)展數字化仿真技術(shù)的探索和應用工作�，F階段需要著(zhù)重解決以下幾方面的問(wèn)題：
a、如何利用生產(chǎn)系統仿真技術(shù)詳細驗證工廠(chǎng)規劃、車(chē)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；
b、如何利用工藝設計仿真技術(shù)減少產(chǎn)品研制初期的設計更改、工藝更改和試驗件生產(chǎn)，并為產(chǎn)品裝配現場(chǎng)提供可視化的三維工藝指導；
c、如何通過(guò)利用裝備設計仿真技術(shù)解決大型產(chǎn)品、工裝驗證成本高，設計周期長(cháng)的問(wèn)題；
d、如何利用質(zhì)量檢測仿真技術(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)現質(zhì)量控制上的潛在隱患。
二、生產(chǎn)系統仿真技術(shù)。
生產(chǎn)系統仿真是指利用計算機仿真技術(shù)和虛擬現實(shí)技術(shù)，在虛擬空間內對制造系統元素（包括設備和人）布置的合理性和原材料轉化過(guò)程（包括加工、流轉、裝配）的流暢性進(jìn)行驗證和優(yōu)化，計算各工位產(chǎn)能和物料流動(dòng)時(shí)間并實(shí)現最優(yōu)生產(chǎn)線(xiàn)平衡，以指導工藝布局、工藝物流和生產(chǎn)規劃的技術(shù)。生產(chǎn)系統仿真主要包括工藝布局仿真、工藝物流仿真和生產(chǎn)計劃驗證三個(gè)方面。
在生產(chǎn)計劃中，基于數字化工廠(chǎng)的生產(chǎn)系統仿真技術(shù)可應用到復雜生產(chǎn)系統運行過(guò)程中的生產(chǎn)計劃制定當中，通過(guò)專(zhuān)門(mén)的生產(chǎn)系統仿真軟件在對工廠(chǎng)及設備建模后，可以實(shí)現對生產(chǎn)調度的仿真，從而可實(shí)現在特定調度指令下，對車(chē)間的設備、耗能、人員分工情況進(jìn)行分析，為調度指令的進(jìn)一步優(yōu)化提供必要的數據支持。也可應用到已有生產(chǎn)系統的改進(jìn)中，通過(guò)生產(chǎn)系統仿真技術(shù)可以改進(jìn)現有車(chē)間的布局、流程、人員配置等，從而達到提高生產(chǎn)效率、提高空間和設備利用率、適應更多品種產(chǎn)品生產(chǎn)等目的；此外，數字化仿真技術(shù)還可應用到工藝布局與規劃中，基于數字化仿真技術(shù)的數字化工廠(chǎng)規劃技術(shù)可將傳統的基于手工和經(jīng)驗的設計規劃轉變?yōu)榛谟嬎銠C仿真和優(yōu)化的精確可靠地規劃設計，從而有效減少工廠(chǎng)與工藝規劃的時(shí)間，縮短生產(chǎn)準備周期，優(yōu)化車(chē)間布局，減少工程更改量，降低了開(kāi)發(fā)成本和投資風(fēng)險。
三、工藝設計仿真技術(shù)。
在產(chǎn)品工藝設計與規劃上，基于MBD的數字化仿真技術(shù)是三維數字化工藝設計中實(shí)現的工藝過(guò)程驗證與優(yōu)化的關(guān)鍵環(huán)節。通過(guò)引入有限元分析、干涉檢測等手段，可以充分利用三維模型進(jìn)行鑄造、鍛造、機加、鈑金、鉚接、焊接、總裝等多專(zhuān)業(yè)的工藝仿真與驗證，以獲得最優(yōu)的工藝參數。例如，在切削加工過(guò)程的工藝驗證與優(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(guò)程碰撞干涉檢測，并驗證加工路徑與產(chǎn)品加工結果的正確性。同時(shí)利用物理仿真技術(shù)還可以對零件切削過(guò)程和精度進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真與預測，并可以通過(guò)控制切削參數達到優(yōu)化切削過(guò)程的目的；在鈑金加工中，可對鈑金成型過(guò)程中的回彈、橘皮、起皺、撕裂等問(wèn)題進(jìn)行模擬與預測，從而達到降低廢品率，提升生產(chǎn)效率的目的。
基于MBD的三維裝配工藝驗證與優(yōu)化也是數字化仿真技術(shù)應用的一大方面，通過(guò)在三維工藝設計環(huán)境中對零部件的裝配順序、路徑進(jìn)行裝配干涉與可達性的驗證，可以在工藝設計階段及時(shí)發(fā)現潛在設計問(wèn)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)現在產(chǎn)品設計、工藝規劃和工藝裝備中存在的問(wèn)題，達到減少產(chǎn)品裝配過(guò)程中的設計和工裝更改，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，往往出現靜力試驗故障、產(chǎn)品尺寸精度與設計精度嚴重超差、大部段裝配工藝準備過(guò)程較長(cháng)、零部件生產(chǎn)過(guò)程中工藝問(wèn)題頻發(fā)等諸多質(zhì)量效率問(wèn)題，引起上述問(wèn)題的主要有工藝設計驗證手段落后、工裝設計與產(chǎn)品不符、零件與工裝齊套緩慢、設計與工藝更改頻繁等原因。為了實(shí)現產(chǎn)品的制造質(zhì)量和效率的提升，在工藝設計中引入三維數字化工藝仿真驗證過(guò)程是必不可少的環(huán)節。圖2所示為數字化仿真技術(shù)應用于人機裝配作業(yè)。數字化工藝仿真技術(shù)是實(shí)施并行工程、精益生產(chǎn)、敏捷制造的需要，在產(chǎn)品設計的同時(shí)，并行開(kāi)展工藝設計和工裝研發(fā)，盡最大可能減少實(shí)物制造、裝配環(huán)節中帶來(lái)的風(fēng)險，經(jīng)國內外眾多企業(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)現實(shí)物 生產(chǎn)中可能發(fā)生的風(fēng)險并及時(shí)制定糾正預防措施，增加制造企業(yè)的技術(shù)競爭力。因此，應從以下方面開(kāi)展數字化研究工作：
a、規范產(chǎn)品工藝模型MBD工藝建模標準，建立與產(chǎn)品設計數據的接口，形成從設計、工藝、生產(chǎn)到檢測的單一產(chǎn)品數據源，用于產(chǎn)品全生命周期管理；
b、從各專(zhuān)業(yè)工藝實(shí)際出發(fā)，建立基于三維實(shí)體模型的數字化工藝體系，滿(mǎn)足異地協(xié)同、車(chē)間協(xié)作的需求；
c、在MBD建模規范和數字化工藝體系基礎上，延伸至車(chē)間作業(yè)管理，建立與MES的數據接口，管理生產(chǎn)計劃執行、跟蹤及所有資源的狀態(tài)監控，形成車(chē)間作業(yè)全面管理監控的能力。
四、裝備設計仿真技術(shù)。
在三維數字化設計方面，通過(guò)建立產(chǎn)品或生產(chǎn)裝備的三維數字樣機，利用CAE技術(shù)可對產(chǎn)品或生產(chǎn)裝備的結構、振動(dòng)、疲勞等特性進(jìn)行數值模擬仿真與試驗，在裝備設計階段就可以對產(chǎn)品或生產(chǎn)裝備的性能進(jìn)行驗證，并可通過(guò)不斷迭代修改達到滿(mǎn)意的設計結果，實(shí)現部分或全部取代物理樣機，從而盡可能降低產(chǎn)品研發(fā)中的潛在風(fēng)險，避免工裝的報廢，降低投資風(fēng)險，縮短產(chǎn)品和工裝的研制周期。
計算機裝備設計仿真可在生產(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)行驗證的情況下，通過(guò)虛擬建模技術(shù)，利用仿真模型來(lái)模仿實(shí)際系統所發(fā)生的運動(dòng)過(guò)程并進(jìn)行試驗，在模擬環(huán)境下實(shí)現和預測產(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）。通常按裝備設計仿真所涉及的學(xué)科分類(lèi)，將仿真分為機械設計仿真、電氣設計仿真和氣動(dòng)液壓仿真三個(gè)方面。
五、質(zhì)量檢測仿真技術(shù)。
在質(zhì)量檢測方面，可通過(guò)采用逆向工程技術(shù)，在計算機虛擬環(huán)境下對現場(chǎng)實(shí)際制造產(chǎn)品、測量硬件設備和加工環(huán)境進(jìn)行仿真再現，并可將原有產(chǎn)品設計模型與實(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)行測量規劃，生成檢測工序和測量路徑，并可對測量規劃路徑進(jìn)行模擬，確保測量路徑的完整性和安全性，產(chǎn)品最終的包含檢測工序、路徑、方法、工具等的產(chǎn)品三維檢測指導書(shū)也會(huì )融入到產(chǎn)品基于三維模型的全生命周期數據中。
在當今的制造領(lǐng)域，與質(zhì)量檢測相關(guān)的成熟仿真技術(shù)主要應用在數字化公差仿真、坐標測量機和激光掃描設備測量數據分析方面。數字化公差仿真是一個(gè)覆蓋產(chǎn)品設計、零件制造和裝配全過(guò)程的概念，包括配合間隙（Gap/Flush）目標值的定義、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計、檢具設計、夾具設計和測量設計等。圖4所示為基于MBD的三維公差仿真一般過(guò)程。此外，坐標測量機和激光掃描設備可用于產(chǎn)品零部件的尺寸形狀精度測量與評定工作，采用仿真技術(shù)可也對檢測路徑進(jìn)行離線(xiàn)仿真，并輔助編寫(xiě)檢測規劃以及對測量數據進(jìn)行三維可視化分析。需要注意的是，產(chǎn)品質(zhì)量檢測工作中實(shí)現數字化仿真技術(shù)的高效應用的前提是對產(chǎn)品MBD模型中PMI數據的有效識別、提取和復用。因此發(fā)展質(zhì)量檢測仿真技術(shù)，必須優(yōu)先發(fā)展基于MBD的數字化制造技術(shù)。
六、結束語(yǔ)。
數字化仿真技術(shù)對硬件配套需求不多，主要用到高性能計算設備、多媒體演示設備、現場(chǎng)工藝指導播放設備、三維體感交互設計設備等，但對軟件需求較為廣泛，需要基于產(chǎn)品設計與數據管理平臺進(jìn)行統一建設，前期人力與管理成本投入較大，而一旦應用成熟，將會(huì )帶來(lái)極大的效率提升和技術(shù)升級，具有較高的投入產(chǎn)出比。
在三維數字化設計制造技術(shù)在帶來(lái)的傳統航天產(chǎn)品研制模式的重大變革的同時(shí)，當今航天制造中各專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域對基于MBD的數字化仿真技術(shù)的需求也呈現越來(lái)越多樣化的趨勢，這給數字化仿真技術(shù)在航天制造領(lǐng)域的大范圍應用帶來(lái)了巨大的發(fā)展契機。航天制造企業(yè)應該從企業(yè)發(fā)展戰略高度與產(chǎn)品設計單位一起從頂層自上而下地去推動(dòng)數字化仿真技術(shù)的應用實(shí)施，以實(shí)現航天領(lǐng)域向數字化設計制造模式的變革。
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