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MBD支持的产品协同设计及协同信息表达

2019-01-31周秋忠 樊庆春

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协同信息在LCPT成员之间的记录、交流是产品协同设计过程控制中的一个难题,MBD技术为解决此难题提供了新的思路。

0 引言

    在产品协同设计过程中,LCPT成员之间就产品结构问题存在紧密与广泛的协同信息交流,最终达成共识并设计出各方都认同的产品,以此指导各自本职工作的开展。但在复杂的产品协同设计流程中,准确、合理地解决LCPT组成员之间的协同信息记录和传递问题成为产品协同设计工作能否顺利开展的关键所在。

    在产品协同设计过程中,协同信息往往是需要以图形符号与文字描述的方式表达。在当前以2D为主3D为辅的数字化技术状况下,3D模型不具备文字与符号表达能力,解决LCPT成员之间的协同信息记录与交流可通过二种方式:一种是将3D模型转化为2D工程图,并在其上表达这些协同定义信息;另一种是开发专用的图文信息记录与发放平台。前者在多个信息载体条件下,对协同工作的操作与控制具有很大的难度;后者则很难实现协同设计过程与产品数据的集成管理。同时,存在协同设计流程效率低及产品数据共享传递差的问题,将影响协同设计的整体效果。MBD技术的出现将为此提供了一种有效的解决方案。

1 MBD技术的内涵

    MBD技术是一个用集成的三维实体模型来完整表达产品定义信息的方法体,它通过图形和文字表达的方式,直接地或通过引用间接地揭示了一个物料项的物理和功能需求,详细规定了三维实体模型中产品尺寸、公差、制造技术要求等产品非几何制造工艺信息的三维表达方法。MBD建立的产品三维实体模型如图1所示。MBD将产品信息中的几何形状信息与尺寸、公差、工艺信息通过一个完整的三维实体模型来表达,改变了传统由三维实体模型来描述几何形状信息,而用二维工程图来定义尺寸、公差和工艺信息的分步产品数字化定义方法。同时,MBD使三维实体模型作为生产制造过程的唯一依据,改变了传统以工程图为主要制造依据,而三维实体模型仅为辅助参考依据的制造方法。MBD在2003年被ASME批准为机械产品工程模型的定义标准,是一个以三维实体模型作为唯一制造依据的标准体。

MBD三维实体模型

图1 MBD三维实体模型

2 MBD驱动的协同设计工作划分

    保证以最短时间、最快效率、最低成本研制出新型产品,并保证产品具有符合设计要求的制造质量,是任何工程技术人员与管理人员的共同梦想。同时,也是开展与实施协同设计工作应该达到的总体目标与预期,而MBD技术将为推动这一目标的实现提供重要的保障。MBD技术以标注与属性表达的方法使产品非几何制造信息集成在三维实体模型中,使三维模型成为协同设计过程中产品信息表达的唯一载体。MBD驱动的协同设计工程的基本方式是以MBD模型为核心,通过组建跨部门的产品全生命周期集成开发团队(LCPT),并保证整个研制过程中团队内部成员对产品开发信息的完整记录与高度共享(Cooperated Information Record and Share,CIRS),以协同工作方式开展产品及其相关制造、服务过程的设计,使设计出来的产品不仅具有良好的性能,而且具有很好的可加工性、可装配性、可检测性和可维修性,从而达到并行协同设计的总体目标。LCPT组各成员根据职责分工,在企业信息管理平台的支持下,通过数字化产品定义DPD、数字化预装配DPA、数字化装配过程设计DAS、数字化工装设计DTD及质量保证计划SPC/AQS等工作步骤,得到产品设计及制造过程的完整数据。产品并行协同设计工作划分如图2所示。

产品协同设计工作要素

图2 产品协同设计工作要素

3 MBD支持的协同设计流程

    在产品协同设计过程中,设计人员与LCPT组中的其它专业人员一起进行产品结构设计,从不同专业角度提出改进产品结构的意见,使设计出来的产品具有更好的使用、制造与维护性能。同时,工艺与工装设计人员根据不同等级的结构设计信息同步开展工艺规划与工装设计等传统在研制下游完成的工作,形成了错综复杂的协同设计工作流程。在以2D为主、3D为辅的多信息载体的数字化技术条件下,实现不同阶段对不同载体信息的记录及其在不同LCPT组成员之间的准确传递、控制非常困难,给一体化研制流程定义与实施控制带来了不利影响。采用MBD制造技术后,MBD模型成为产品几何与非几何信息的唯一载体。因此,MBD模型不仅成为产品设计过程中同一零部件设计对象的唯一输出结果,也成为工艺、工装等部门直接开展工艺和工装设计工作的唯一数据源。同时,MBD模型为实现产品结构设计、工艺设计、工装设计工作的一体化管理创造了技术条件,从而真正形成可操作、可实施的产品协同设计过程,如图3所示。

    在MBD技术支持下产品协同设计流程中,结构、工艺、工装设计工作在MBD模型的驱动下形成一个完整的整体。协同设计一方面强调产品及其工艺、工装设计同步进行,使工艺人员、工装人员全面参与产品结构设计,及时向设计部门提供反馈意见并加以修改,使产品结构满足制造工艺性要求,从而减少了设计返工;另一方面,在不同等级的产品结构数据支持下,工艺、工装人员预先开展设计工作,提出工艺、工装设计思路,反馈给结构设计人员,从而使MBD模型具有完整的工艺、工装设计信息,成为后继工艺、工装设计的工作依据。在MBD支持下的协同设计过程中,通过对设计任务的不断分解及各个任务的分布式并行处理,从而协作完成整个复杂的研制工作,结构设计与工艺、工装设计工作几乎同时开始又同时结束。同时,完备的结构数据与工艺工装信息几乎同时生成。

工艺设计流程

图3 工艺设计流程

4 产品协同信息及其表达

    4.1 产品协同信息

    产品协同设计过程中,为了保证各类数据的准确性及协调性,必须在协同设计工作过程中保证LCPT组成员之间的信息交流与协调沟通,使LCPT每位成员在自己的工作成果数据中考虑并满足其它人的信息需求。在协同设计过程中,LCPT组成员之间需要协调的信息主要有结构分离面信息、关键特性信息、工装定位计划信息与测量计划信息。

    4.1.1 结构分离面信息

    结构分离面分设计分离面与工艺分离面。设计分离面是由设计人员根据使用功能、维护修理、运输方便等方面的需要,将产品划分为许多采用可拆卸连接的部件、段件和组件形成的;而工艺分离面是由工艺人员为了生产的需要将其划分为许多较小而简单的、采用不可拆卸连接的板件和组件形成的。工艺分离面的合理划分具有重要意义。通过合理的划分工艺分离面,可提高装配工作的开敞性,可以达到改善装配工作效率,缩短装配周期,并提高产品的装配质量。同时,由于增加了平行装配工作面,为提高装配工作的机械化和自动化程度创造了条件。在数字化技术条件下,产品结构的设计与工艺分离面通过产品数据管理平台PDM来表达和实现。结构设计人员从结构功能角度划分出设计分离面,并把产品结构数据组织成EBOM形式;而工艺人员从生产角度划分工艺分离面,并将产品结构从EBOM形式调整成PB0M,指导后继的工艺与工装设计工作。

    4.1.2 关键特性

    关键特性KC(Key Characteristics)是材料、零部件或制造过程的特征,它们的变化对产品的互换协调要求影响最大,进而影响到产品结构配合、性能、服务寿命或可制造性等。通过监控其波动情况可达到防止缺陷产生的目的。它的应用使得产品质量的控制从以检验为基础的质量控制体系转变为预防为基础的质量控制体系。在一个产品的众多协调特征中做出选择是十分困难的。因此,关键特性的定义和选择需由LCPT组共同研讨决定。选择和定义关键特性一般根据经验,包括两方面:一是依据关键特性概念及经验常识定义关键特性;二是依据历史数据资源定义关键特性。另外,可用比较复杂的数学分析方法进行关键特性定义,如损失函数法、相对损失函数法、风险分析法。为了保证高一级的关键特性如总体设计阶段给出的顶级关键特性,必须将这些关键特性沿产品制造树(或产品结构树)向下逐级传递分解,直到分解到零件级,形成树形结构一关键特性树。如果高一级的关键特性出现了波动过大的情况,其原因往往可追溯到低层零部件的波动上,直至关键过程参数。因此,上一层产品的关键特性应分解传递到下一层产品的关键特性上,以使制造者能追溯波动源。当零件级关键特性继续向下分解传递时,可继续找出对关键特性有较大影响的制造工艺参数。

    4.1.3 工装定位计划

    复杂产品装配过程的主要特点是为保证其形状和尺寸的协调准确度要求,必须用大量体现零件尺寸和形状的专用装配工艺装备来定位零部件空间位置并保证其形状。工装设计人员设计装配工艺装备时,不仅需要关于由工程设计人员设计的装配对象的几何形状与尺寸信息,而且还要关于由制造工艺技术人员制定的装配对象的装配过程及其零部件的具体定位方法,即工装定位计划TIP(Tool Index Plan)。在产品协同设计过程中,装配工装定位计划是在产品结构初步设计阶段,由LCPT组根据装配工作需要组织产品装配工艺结构树并制定出主要装配工艺流程后,进一步提出对装配工艺装备的需求及工装定位计划。工装定位计划制定的依据是产品结构构型,并在其中详细说明装配结构件的定位基准与定位方法,包括结构件基准面、装配配合表面、空间交点孔位、装配孔位置以及重要轮廓外缘等。

    4.1.4 测量计划

    在对关键特性的波动控制中,需要通过测量才能实现。因此,需要LCPT组对关键特性做出详细的测量计划,以便在制造过程中实施。测量计划包括对产品验收测量(对关键特性的控制点的测量)和工序验收测量(关键特性的检查点测量)。测量计划必须指出详细的测量基准与测量对象,同时包括测量指令并根据需要加上图解,有时需包括测量技巧。另外,应对测量结果绘制相应的统计过程控制图,使任何对过程进行审核的人都能以直观地方式看到这些信息。

    4.2 MBD的产品协同定义模式

    由于MBD模型独特的非几何信息三维表达能力,使它作为产品结构形状几何信息的载体外,也成为产品非几何制造信息的最好去处。因此,MBD模型具备了在飞机协同设计过程中记录LCPT组协同信息的能力,而且把产品设计信息与协同信息集成在同一个三维空间,LCPT组只需针对与依据同一个对象进行工作,减少了在不同信息环境下转换与操作的繁锁度,成为LCPT组的协同信息记录与交流的理想对象。LCPT组的工程设计人员可以用它来完成全部产品结构形状与制造工艺信息的设计表达工作;LCPT组的工艺计划与工装设计人员则可把工装定位需求信息以标注与属性的方式附加到MBD模型中。类似地,LCPT组也可将关键特性与测量计划信息通过MBD模型来表述。

    由于MBD模型包含全部产品结构设计信息,是LCPT组工程设计人员的主要工作对象与设计成果。因此,在通过MBD模型记录协同信息时,需要由工程设计人员负责完成产品结构树调整及关键特性、定位计划、测量计划等相关信息的记录与操作过程,即LCPT组的其他成员根据产品结构与原始MBD模型,分析得出相关协同制造信息需求并传达给工程技术人员,由工程技术人员将这些信息表达在MBD模型中,然后LCPr组再依此MBD模型开展后继研制工作。如此反复,直到完成整个产品研制任务。MBD模型也在研制过程中不断更新、反映着最新产品定义(开发)状态,起到沟通不同工程部门(设计、制造、工艺、质量、服务支持等)意图的作用。LCPT组通过MBD模型实现协同信息定义的方式如图4所示。

LCPT组通过MBD模型的信息交互方式

图4 LCPT组通过MBD模型的信息交互方式

    4.3 协同信息在MBD模型中的表达

    MBD模型强大的非几何信息描述能力为关键特性、定位计划、测量计划等协同信息的描述提供了全新的定义方法。这些协同信息一般由符号与文字说明信息两部分组成,传统只能通过二维工程图或图片并结合文字表达,而在MBD模型中将采用标注与属性联合表达的方式。为保证各类人员在全生命周期中对这些信息的理解一致性,需要制定它们在MBD模型中的统一表达方法与使用规范。

    关键特性、定位计划、测量计划等协同信息都与零部件的特定结构几何特征相关。因此,既需要用符号标注的方式标识指出特定的几何结构特征及信息类别,又要对该标识用文本字符串属性进行详细描述说明。符号标注一般采用旗注标识符和包含一个参数的旗注定义联合说明。旗注标识符是用于描述所有零件特征的特殊工程标识符号,一般采用直角五边形。它被放在适当的标注平面中,并用一根导引线指向被描述的关联几何特征。旗注定义是对旗注的文本描述,放在旗注符号中,由信息类别标识与序号两部分组成。每个旗注都需要进行详细描述,这些详细的描述信息放在结构特征树上的有关结点中,并以旗注定义符号标识。如图5是基于CATIA的关键特性定义。关键特性的旗注定义由KC字符后面跟一个字母组成(如KCA),每个关键特性的描述信息都放在以“key characteristics”或“关键特性”标识的产品结构特征树主结点描述说明中。定位计划、测量计划等协同信息的定义与关键特性的定义方法一致。另外,为方便后继人员对这些特殊信息的查找索引,需建立单独的视图与捕获。

关键特性定义

图5 关键特性定义

5 结论

    在产品协同设计过程中,LCPT组成员之间就产品结构定义、加工、装配、检测等存在着大量复杂的协同信息交流与交换,形成复杂的产品协同设计工作流程,准确、快捷、方便地在中记录并传递这些协同信息成为协同设计成功的关键。MBD技术用标注与属性的方式解决了产品非几何制造信息在产品三维数字化实体模型中的表达问题,使三维模型成为了数字化产品定义的唯一载体,也成为产品协同设计过程中协同信息交流与交换的最好载体,有力地促进了产品协同设计技术的开发与应用。

责任编辑:程玥
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