MBD技术在吊挂设计中的探索

李尧

航空工业陕西飞机工业有限责任公司 723213

【摘要】目前，MBD技术已经广泛应用于飞机产品的设计过程中，然而在飞机工艺装备的设计中还未得到大范围应用。本文以三维产品模型为基础，探索性应用MBD技术，进行壁板蒙皮吊挂设计，集成了尺寸标注、连接定义等特征信息，取消了二维图样工程定义，试图缩短工装研制周期、降低工装研制成本。

1 引言

飞机装配工装作为飞机装配过程中精度和协调性保证的设备，品种多、数量大，研制周期长，设计过程迫切需要MBD技术来提高其设计的效率和精度，降低设计的风险。工装设计制造周期已成为影响新机研制周期的主要要素^[1]。MBD技术广泛应用于飞机产品的设计过程中，然而在飞机工艺装备的设计中，还未得到大面积推广。近年来，我公司也开始尝试基于MBD工装数字化设计工作，但受工装制造单位条件制约，仅在一些小型工装上进行了尝试，取得了较好的效果。本文以某型机蒙皮吊挂的设计为例，对吊挂设计过程及注意事项进行梳理和探讨，同时，也探索研究了MBD技术在吊挂设计中的应用，旨在探究MBD技术在地面设备工装全面推广的可行性

2 MBD技术在国内外应用情况

早先的工艺装备设计是从二维图纸开始，上世纪八十年代尝试着三维建模，再由三维数模生成二维图纸，用于制造。到目前为止，飞机工艺装备的研制大多遵循的还是三维建模二维出图的方式。装配部门之间的数据信息传递还是通过二维图纸的形式来完成。随着航空产品生产需求量越来越大，生产节奏加快，传统的工装设计方式已越来越无法满足要求，MBD技术应运而生。MBD技术（Model Based Definition，基于模型定义）是指在航空产品的数字化定义中，以三维产品模型为基础，集成了尺寸标注、公差要求、加工制造要求、检验要求等特征信息，在取消二维图样工程定义的情况下，实现对特征描述、共享，以满足数字化制造信息直接传递的需求^[2]。MBD技术广泛应用于飞机产品的设计过程中，可缩短研制周期，降低研制成本。近十余年来，以波音公司和空客公司为代表的国外大型航空企业，大力发展MBD技术，波音公司要求波音787飞机全球合作伙伴采用MBD模型作为整个飞机产品制造过程中的唯一依据，使得飞机研制周期和成本大为降低。MBD技术将三维制造信息PMI与三维设计信息共同定义到产品三维数字化模型中，使产品加工、装配、测量、检验等实现高度集成，数字化技术的应用有了新的跨越式发展。我国的大飞机设计和制造现在也正逐步实施和应用MBD技术，但仅仅是在飞机设计阶段，而在工艺装备的设计过程中，依然很少使用。因此，在整个飞机研制生命周期中，三维模型并没有完全取代二维工程图纸，该项技术的推广与应用对飞机装配技术必然会带来实质性的变革。

3 吊挂自制零件的MBD数据集管理

MBD数据集由相关设计数据、实体模型、零件坐标系统、三维标注尺寸、公差和注释、工程注释、材料要求、其他定义数据及要求组成。工装零件的加工、材料、标注等信息称为工装零件MBD数据集，数据集的组织和管理可以通过CATIA软件的规范树来实现^[3]。规范树中采用分类集合的方法，对工装信息进行分类组织管理。由于工装MBD零件模型集成的信息较多，模型结构树节点类型比较复杂，针对该壁板蒙皮吊挂自身特点，归纳总结以下一些节点信息：

3.1 设计模型

该类节点是吊挂自制零件MBD模型基本信息，是必须定义在模型结构树中不可缺省的，是用来描述吊挂自制零件的几何外形。吊挂自制零件在设计过程中按1：1 的比例进行建模，所有特征必须在名义尺寸下定义。模型中部分特征允许以非实例定义存在，如螺纹和连接孔。但此类特征需要通过其他替代方法来定义，比如像点或线表达方式。

3.2 属性信息

材料描述定义在吊挂自制零件的属性特征中，主要包括标准件号或材料标记、加工方法、对称性和重量等。材料信息包括相关的原材料或者半成品零件。定义的材料信息用于原材料的采购和制造车间的下料。

3.3 标注说明

标注说明以参数的形式定义在吊挂自制零件MBD数据集的主分支上，在模型结构树中分为三个子分支，分支内容包括技术要求、旗注说明及附注说明。注释的内容包括二维图纸的技术要求中的工艺信息，如热处理、表面处理和零部件标记等信息的定义。

3.4标注集

吊挂自制零件MBD标注集定义在模型结构树中的主分支上，包括捕获、视图、基准、参考框架、几何图形公差、尺寸、注释等分支。MBD模型中的标注都是通过标注平面来表达。标准平面用来收纳所有的标注，并定义在包含该标注平面的命名视图中^[4]。除了6个基本视图可定义外，设计员可以定义额外命名视图来方便下游快速浏览所定义的注释信息。用户定义的命名视图按照视图内容所描述的零件特征视图方向或者视图捕获来标识其名称。吊挂自制零件MBD通过特定视图和捕获对标注进行管理和显示。

图 零件标注集

4 吊挂装配件的MBD数据集管理

工装零件之间的工装信息、连接信息等称为飞机工装MBD装配件数据集。其内容包括工装设计的点、线、面参考信息，工装零部件位置，工装零部件间的连接定义位置和所选择的标准件等内容。工装装配件MBD数据集存放在装配节点下的“工装图号-ARM”part.中。

4.1 工装信息

工装信息几何图形集中包括工装的基本信息（外扩尺寸，申请、设计、使用单位，产品图号、工装图号、工装名称、工装版次）、使用要求以及执行的技术标准等方面的内容，这些内容按类分别建立几何图形集，具体内容以参数形式表达。

4.2 连接定义

连接定义模型是用来描述连接要求的相关信息。当连接件没有在工装结构中定义或者连接孔没有实例化定义在零部件中，需要在连接定义中描述连接要求。连接定义通过几何数据和文本数据描述连接孔位置和连接要求。工装结构连接方式有焊接连接、紧固件连接和胶接连接3种连接关系，但多为焊接连接方式，如骨架结构。

5 结论

本文探索性地将MBD技术应用于吊挂工装上，旨在探究MBD技术在地面设备工装全面推广的可行性，并对技术提升提供了参考。此壁板蒙皮吊挂MBD数据集包括精准的实体模型、3维尺寸标注和注释等信息来完整定义一个产品的所有要求。今后，若MBD技术全面推广，则以3D模型作为唯一的制造依据，实现了真正的单一数据源，保证设计数据的唯一性；改变了以往以二维图纸传递工装信息的模式，实现了工装设计与工艺、制造的各阶段的并行；消除了双源数据之间的不协调；不仅方便数据管理，还提高了数据安全性；有效地缩短了工装研制的周期，对MBD技术在工装设计领域的全面推广提供了参考。

参考文献

[1]李家桂，301所，《飞机地面设备常用元件的强度计算》.

[2]祁海群，唐敦兵等.基于MBD的飞机工装数字化定义与管理技术研究.图学学报2014,2.

[3]范玉青.现代飞机制造技术[J].北京航空航天大学出版社，2001-06-01.

[4]杨海成.数字化设计制造技术基础.西北工业大学出版社，2007-01-01.