PLM基于3D产品模型的航空产品数字化工艺技术研究

PLM基于3D产品模型的航空产品数字化工艺技术研究

    针对航空产品研制特点，深入分析了面向PLM基于3D产品模型的航空产品数字化工艺内涵，建立了面向PLM基于3D产品模型的航空产品数字化工艺模型。并以PLM和3D技术为基础，对航空产品面向PLM基于3D产品模型的数字化工艺关键技术进行了详细分析，以有效地缩短航空产品研制周期，提高航空产品质量和生产效率。
1引言
    航空产品在设计上具有结构复杂、标准化程度低、零部件数量大等特点;在制造上具有工艺专业门类众多、加工工艺难度大、制造流程长、零部件配套关系复杂、机电一体化等特点;此外，航空产品的研制涉及到多企业、多部门、多业务、多专业之间的复杂协作。随着市场竞争的加剧和全球化，航空产品制造在不断缩短研制周期和提高资源利用率的同时，更加趋向于设计、工艺与制造过程以及整个供应链的紧密协同。
 
    随着数字化设计、数字化工艺与制造技术在航空制造业的广泛应用，特别是三维设计技术的日益成熟，航空产品研制模式从传统的以数字量为主、模拟量为辅的协调工作法开始被全数字量传递的协调工作所代替，产品三维模型已经开始取代二维图纸，成为产品研制的核心依据。与国外发达国家的航空制造企业相比，我国航空制造企业在数字化工艺与制造上仍存在较大的差距，产品三维模型没有贯穿于整个产品生命周期过程。
 
    因此，为了缩短航空产品研制周期，提高产品质量，必须面向产品生命周期，并以产品三维模型为核心载体，借鉴国外发达航空制造企业的成功应用经验，开展适合于我国航空产品的数字化工艺技术应用研究，建立基于三维产品模型航空产品数字化设计、工艺与制造的集成应用模式。
 
2面向PLM基于3D产品模型的航空产品研制分析
    产品生命周期管理(Product Lifecycle Management，PLM)是一个协同的、集成的、信息驱动的方法，它由人、过程/实践和技术组成，应用于从设计、制造、配置、维护、服务到最终处理的产品生命周期的所有方面。通过利用信息来减少整个企业乃至供应链中时间、能量和物质的浪费。PLM管理产品整个生命周期中(从概念设计和定义到制造、服务和报废)产品相关的数据和过程，PLM核心是产品数据的有序、设计过程的优化和资源的共享。随着信息技术的发展，航空产品数据定义经历了从二维图形到三维模型的发展过程。
 
    美国机械工程师协会于1997年在波音公司的协助下开始了有关MBD(Model-Based Design)标准的研究和制定工作，并于2003年使之成为美国国家标准。MBD就是以3D产品模型数据为核心，MBD不是简单地将二维图纸的信息反映到3D产品模型数据中，而是充分利用3D产品模型集成的完整地表达产品生命周期的信息，包括产品尺寸、形状等设计信息，尺寸公差、制造工艺和精度要求、工艺约束等工艺信息以及制造、检验检测等信息，在生产制造过程中MBD使3D产品模型作为唯一依据。MBD改变了传统用3D产品模型描述产品几何形状信息，用二维图纸来定义尺寸、公差和工艺信息的产品数据定义流程。
 
    国外发达国家在航空产品的设计制造领域，已实现了用现代设计与集成制造技术对传统生产方式的改造。美国空军JSF战斗机研制，将遍布全球30多个国家、50多家公司、5万名技术人员通过协同设计制造平台，基于3D产品模型，实现了软件、数据、业务、标准的协同工作。空中客车A380是又一个协同研制的成功典范，它由西班牙、德国、英国和法国4个国家、5座城市，历经10年耗资近110亿欧元完成。波音777型客机通过基于3D产品模型的数字化设计与制造协同，其整个设计工作实现了无图纸，研发周期缩短40%，工程返工减少50%。
 
    波音公司在以波音787为代表的新型客机研制过程中，全面采用了3D产品模型技术，将三维产品制造信息与三维设计信息共同定义到产品的三维数模型中，直接使用三维标注模型作为制造依据，使工程技术人员从二维图纸中解放出来，实现了产品设计(含工艺设计)、工装设计、零件加工、部件装配、零部件检测检验的高度集成、协同和融合，建立了三维数字化设计制造一体化集成应用体系，开创了飞机数字化设计制造的崭新模式，确保了波音787客机的研制周期和质量。
 
    目前，在我国航空产品的研制中，航空产品设计正在发展为全三维设计，基于MBD技术的三维产品数字化模型定义工作也已取得了很大的进展，产品设计数据集正在逐步实现以3D产品模型为核心载体的设计数据发放，但基于3D产品模型的数字化工艺设计和产品制造模式尚不成熟，三维数字化设计、工艺与制造一体化集成应用体系有待建立。
在面向PLM以3D产品模型为核心的产品数据管理目标下，3D产品模型成为产品生命周期(从设计到生产应用)的核心数据，集成了产品生命周期的产品数字化定义信息，是设计、制造、装配、检验的唯一有效数据，是数字化协同研制的核心数据载体，各业务部门人员可以基于一个产品模型协同工作，提高工作效率，最大限度减少工程更改。
 
    3D产品模型可以提高信息传递的准确性和效率，使使用者能够更加直观，准确的获取生产检验的信息。航空产品面向基于产品模型的数字化工艺模型在航空产品的研制和生产中，工艺准备过程负责确定产品制造过程以及制造所需的制造资源、制造时间等，是连接产品设计与制造的桥梁，航空产品的研发和生产过程中产生的工艺数据是产品数字化制造、计量、检验与管理的基础数据，对产品研制周期、质量和制造成本具有重要影响，它是航空产品研制和生产的关键基础技术之一。由于航空产品结构复杂、数据量大、工程更改频繁、工艺类型复杂、专业种类繁多，有严格的工艺过程控制管理体系。
 
我国航空制造企业在工艺设计和管理上基本都实现了基于2D-CAPP应用和面向数据的信息集成，解决了企业的工艺编制、工艺数据管理和信息共享等基础的工艺信息化问题，提高了工艺系统的工作效率。但是随着以3D模型为基础的产品数字化设计与制造技术的推广和应用，在工艺准备中需要直接利用产品3D产品设计模型来支持快速工艺设计与管理。目前的数字化工艺系统多为基于2D-CAD图形的工艺设计与管理，在工艺业务领域对设计产生的3D模型未能有效使用，没有有效地使用3D设计结果来支持产品的快速工艺设计，工艺系统数据表示表示手段单一。
 
    因此，随着PLM和3D技术应用的不断深入，亟需面向PLM充分利用先进的信息技术，有效地继承和重用丰富的产品3D模型资源及3D设计结果来支持产品的快速工艺设计，实现基于产品3D模型的工艺准备过程与设计、生产的协同和集成，建立面向PLM基于3D产品模型的协同建立数字化工艺技术体系，解决产品研制过程中的设计、工艺、质量、检验、计量、工装的协同工作需求和数字化工艺的需求，主要包括:
    ①充分利用已有产品数字化数据(三维设计模型、数字化工艺信息)尽早开始基于制造能力知识的快速工艺规划，实现装配工艺、机加工艺以等专业工艺的规划、设计和编制。
 
    ②基于3D产品模型进行可视化工艺规划和仿真，克服传统工艺设计中依靠工艺人员的经验来保证工艺可行性的弊端，并采用协同技术面向PLM从基于产品三维模型从设计至工艺确保制造过程中的装配、装夹等可行，最大限度减少更改。
 
    ③建立以3D数字化工艺主模型为依据的工艺、制造、计量、检验、工装等数字化协同和集成。
 
    ④突破传统的二维静态的制造工艺指令模式，克服其无法将复杂的装配、加工等过程直观的表达出来，也无法提供交互的手段，无法表达详细、真实、全面的制造指令信息和制造过程细节的弊端。采用具有真实感和更加直观的三维数字化工艺指令的发布，同时使之具有交互的能力，能够快捷、清晰的指导制造过程或者维修以及使用。
 
    ⑤面向产品的整个生命周期进行3D工艺指令信息的共享和协同工作，使工艺指令支持并确保工艺指令的精确性和完整性。基于3D产品模型实现三维工艺设计，输出三维工艺指令，支持面向车间和维护现场的无纸化三维工艺浏览及三维工艺过程仿真示教。
 
    ⑥数字化工艺系统能够无缝接入企业PLM协同系统平台，建立基于产品生命周期协同平台的单一产品工艺数据源，保证与其它业务系统的协同工作;提供符合标准的协同数字化工艺数据交换(如XML)，在数字化工艺系统中产生的MBOM数据提交到协同平台进行统一管理。
 
    ⑦基于PLM协同平台，实现数字化工艺信息(模型、数据、指令等)的浏览、审签、出版等，实现数字化工艺信息的协同共享与可视化浏览。航空产品面向PLM基于3D产品模型的数字化工艺模型分别围绕虚拟产品和物理产品两条主线，实现PLM内基于信息驱动的产品物料协同控制。

    虚拟产品以3D产品模型为核心，覆盖产品生命周期所有信息，虚拟产品的数据集演化阶段分别以设计、工艺、制造、服务、回收为主要视图;物理产品以实际生产中物料的变化为核心，覆盖产品生命周期的所有业务。在整个航空产品面向PLM基于3D产品模型协同的数字化工艺模型中，3D产品设计模型是输入，在PLM及供应链协同的支撑下，实现产品的交付和生命周期使用，如图1所示。

航空产品面向基于产品模型的数字化工艺技术体系
    航空产品面向PLM基于3D产品模型的数字化工艺以3D产品模型数据为核心，以工艺业务数据为纽带从PLM的全局考虑基于3D模型的产品、工艺、资源、生产等数据之间的内在联系，在PLM协同框架中进行数字化工艺准备工作;面向PLM连接概念设计、产品设计、工艺规划、产品制造、工装设计/制造、产品维护等在内的完整的产品全生命周期数据，协同支持产品工艺数据的生成、管理、分发和使用，推动创新产品的研发，提高产品研制效率，实现协同工作，缩短上市周期，并提高产品质量和服务水平及降低成本，如图2所示。

    ①面向PLM基于3D产品模型的产品数据管理物料清单BOM(Bill of Material，BOM)是目前制造企业组织产品数据的重要形式，建立以BOM为数据组织方式的产品数据流是产品数据管理的一项核心工作。面向PLM基于3D产品模型的产品数据管理以3D产品模型为核心数据载体，以BOM为数据组织方式，将产品设计数据、工艺数据、生产数据联系起来，保证数据之间的一致性，并按照产品生命周期不同阶段得到不同的阶段的BOM视图，如设计BOM(Engineering Bill of Material，EBOM)、工艺BOM((Planning Bill of Material，PBOM)、制造BOM(Manufacturing Bill of Material，MBOM)等。这些BOM分别反映了产品数据在不同时期的内容和结构，同时它们之间的数据演变和传递构成了产品数据流。
 
    ②面向PLM基于3D产品模型的数字化工艺关键技术基于3D产品模型的工艺建模面向产品生命周期，以产品EBOM和三维数字样机为基础，以数字化工艺定义为核心进行工艺建模，制定工艺总方案、展开工艺可行性论证、工艺规划、工艺设计、数字化工艺容差分配、工艺仿真、工艺优化，直至工艺执行和维护维修过程。
    工艺建模基于多视图进行工艺信息三维定义与标注，表达不同工艺阶段、不同工艺专业(如加工、装配、热处理、焊接等)所需要表达的各种工艺信息。装配工艺和机加是航空产品工艺技术准备的重要环节，工艺建模以加工与装配过程为核心建立三维工序模型，形成面向整个产品生命周期的三维工艺模型，作为整个三维数字化工艺应用的支撑。
 
    基于3D工艺模型的工艺规划、设计与工艺仿真以3D工艺模型为基础，构造多工艺专业领域协同环境，集成应用多种工艺仿真工具展开三维环境下工艺过程的规划、设计与仿真，采用三维模型关联技术和三维在线技术进行工装与产品、工艺设计及仿真的数字化协同应用，实现装配路径仿真、装配干涉检查，装夹与切削过程的加工过程仿真，基于在制品的加工过程规划与仿真和基于动态装配单元的装配过程规划与仿真。通过基于3D工艺模型的工艺规划与仿真，实现对工艺过程的可行性验证，促使制造过程工程更改最小化。
 
    基于轻量化3D工艺模型的三维工艺指令生成与管理轻量化3D工艺模型在保证效率和信息完整的前提下，生成能够面向制造和维护维修现场共享的可视化3D工艺指令，并提供仿真示教动画使其更加逼真和具有更明确的现场指导性。实现制造依据的表达由二维工艺指令向三维工艺指令的过渡，并能够在制造和维护现场实现无纸化浏览。
 
    基于3D产品模型的数字化检测与质量控制在基于3D产品模型的产品数字样机和工艺模型的基础上，通过建立三维工艺检验体系，为三维数字图形转换为测量机等数字化设备能够识别的数字信息提供技术支撑，通过集成质量管理在生产现场采集产品检验检测数据，并建立检验检测结果与QBOM的关联关系，纳入集成质量管理系统进行有效的管理，在此基础上形成单架次产品的质量档案，最终完成单架次产品质量档案的归档工作。
 
    ③面向PLM基于3D产品模型的协同工装设计与管理在航空产品的制造中，工装设计制造周期占产品研制周期的60-70%。面向PLM协同数字化工艺准备与工装集成管理技术需要解决工艺准备过程中基于产品3D模型的工艺准备过程与工装管理数据的内在关系和组织管理模式，包括基于3D模型的数字化工艺工装申请与集成管理技术，支持产品PLM内基于3D模型的产品工艺技术准备与工装部门的协同工作。
 
    ④面向PLM基于3D产品模型的数字化工艺基础技术三维协同工艺管理技术面向PLM协同需求，从工艺业务的规划、PBOM管理、工艺设计、工艺仿真和验证、工艺指令管理、MBOM管理等工作出发，以基于3D模型的设计、工艺和制造过程的协同工作和研制周期为目标考虑最优的解决方案，形成覆盖产品概念设计、产品设计、工艺规划、产品生产、质量控制、生产制造、工装设计制造的工艺协同工作模式，以集成产品、工艺和资源规划数据，支持产品PLM整个过程中的快速工艺准备工作模式和流程。
 
基于3D工艺模型的工艺知识管理
    3D工艺模型包含了所有的产品工艺以及制造工程信息，基于三维几何特征和工程语义信息为核心的工艺知识检索技术是工艺知识管理的重要方向。在工艺设计中支持基于制造特征的自动匹配、准确检索、快速判定和有效复用，实现基于典型工艺和制造能力的工艺快速设计与优化，为产品工艺提供精确、深入的快速工艺设计支持手段。
 
面向PLM基于MBD的标准规范
    面向PLM基于3D产品模型的工程应用需要在应用模式上创新，强调应用集成与信息共享，而目前工艺领域工作需要面向PLM从三维数字化的应用模式分析建立包括工作流程、工作方法、工艺标准、工艺规范的体系，包括管理规范和技术规范，适应基于3D模型的快速创新产品研制和生产的需求，这是真正实现面向PLM基于3D产品模型的数字化工艺的基础。
    ⑤面向PLM基于3D产品模型的数字化工艺平台框架基于PLM协同平台，建立单一产品数据源和统一的用户权限、数据模型工作流程管理，实现数字化工艺系统与产品设计、生产制造等业务系统的有效协同;以3D产品模型为你核心的数据集成，确保产品研制数据的单源性、全面性和准确性，实现产品生命周期数据的统一管理和全面共享。
 
结论
    通过对航空产品面向PLM基于3D产品模型的数字化工艺技术的研究，面向PLM基于3D产品模型的数字化工艺应用以3D产品模型的使用、贯穿和传递为核心，分别围绕虚拟产品和物理产品两条主线，实现PLM内基于信息驱动的产品物料协同工艺控制。虚拟产品以3D产品模型为核心，覆盖工艺规划、工艺详细设计、工艺仿真、工艺验证、工艺优化。物理产品以实际生产中物料的变化为核心，覆盖产品生命周期的工艺执行过程。
 
    借鉴国外航空制造企业的成功经验，根据我国航空制造企业的实际情况，采用先进成熟的协同平台框架技术，定制自己的数字化工艺平台开发构件库和工具集，建立三维数字化工艺技术标准规范应用体系，形成面向PLM基于3D产品模型的数字化工艺系统，实现基于三维模型的数字化工艺规划与仿真，并基于协同平台实现了产品生命周期和供应链上的产品数据协同与集成，是解决航空产品研制中工艺业务和数据的协同和集成的基础，也是提升我国航空制造业的整体制造水平的必由之路。