基于MBD的數字化仿真技術在航天制造企業應用論文
一、引言。
當前，伴隨著三維數字化設計制造技術帶來的傳統產品研制模式的重大變革，基于模型的定義（Model Based Definition，MBD）技術正向著可以實現產品整個生命周期中各個階段的數據、過程定義與交換的全數字化方向發展。近年來我國的航天制造業數字化緊跟現今數字化制造發展方向，在產品的三維數字化協同設計、基于三維產品模型的工藝設計、產品數據和生產過程管理等方面取得了一定的成效，但也應意識到，面向產品全生命周期的數字化尚未實現，全數字化的三維設計制造模式仍未形成，數字化仿真技術對數字化制造的促進效果仍不明顯，數字化技術的巨大效能遠未發揮。對于離散型航天制造型企業，應重點從生產系統仿真技術、工藝設計仿真技術、裝備設計仿真技術、質量檢測仿真技術四方面深入開展數字化仿真技術的探索和應用工作。現階段需要著重解決以下幾方面的問題：
a、如何利用生產系統仿真技術詳細驗證工廠規劃、車間布局方案可行性，降低固定資產投資和技術改進風險；
b、如何利用工藝設計仿真技術減少產品研制初期的設計更改、工藝更改和試驗件生產，并為產品裝配現場提供可視化的三維工藝指導；
c、如何通過利用裝備設計仿真技術解決大型產品、工裝驗證成本高，設計周期長的問題；
d、如何利用質量檢測仿真技術提高產品的尺寸質量，降低產品的生產成本，提高零部件合格率并在產品批產前及時發現質量控制上的潛在隱患。
二、生產系統仿真技術。
生產系統仿真是指利用計算機仿真技術和虛擬現實技術，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程（包括加工、流轉、裝配）的流暢性進行驗證和優化，計算各工位產能和物料流動時間并實現最優生產線平衡，以指導工藝布局、工藝物流和生產規劃的技術。生產系統仿真主要包括工藝布局仿真、工藝物流仿真和生產計劃驗證三個方面。
在生產計劃中，基于數字化工廠的生產系統仿真技術可應用到復雜生產系統運行過程中的生產計劃制定當中，通過專門的生產系統仿真軟件在對工廠及設備建模后，可以實現對生產調度的仿真，從而可實現在特定調度指令下，對車間的設備、耗能、人員分工情況進行分析，為調度指令的進一步優化提供必要的數據支持。也可應用到已有生產系統的改進中，通過生產系統仿真技術可以改進現有車間的布局、流程、人員配置等，從而達到提高生產效率、提高空間和設備利用率、適應更多品種產品生產等目的；此外，數字化仿真技術還可應用到工藝布局與規劃中，基于數字化仿真技術的數字化工廠規劃技術可將傳統的基于手工和經驗的設計規劃轉變為基于計算機仿真和優化的精確可靠地規劃設計，從而有效減少工廠與工藝規劃的時間，縮短生產準備周期，優化車間布局，減少工程更改量，降低了開發成本和投資風險。
三、工藝設計仿真技術。
在產品工藝設計與規劃上，基于MBD的數字化仿真技術是三維數字化工藝設計中實現的工藝過程驗證與優化的關鍵環節。通過引入有限元分析、干涉檢測等手段，可以充分利用三維模型進行鑄造、鍛造、機加、鈑金、鉚接、焊接、總裝等多專業的工藝仿真與驗證，以獲得最優的工藝參數。例如，在切削加工過程的工藝驗證與優化上，利用幾何仿真優化技術可以在三維環境中進行加工過程碰撞干涉檢測，并驗證加工路徑與產品加工結果的正確性。同時利用物理仿真技術還可以對零件切削過程和精度進行動態仿真與預測，并可以通過控制切削參數達到優化切削過程的目的；在鈑金加工中，可對鈑金成型過程中的回彈、橘皮、起皺、撕裂等問題進行模擬與預測，從而達到降低廢品率，提升生產效率的目的。
基于MBD的三維裝配工藝驗證與優化也是數字化仿真技術應用的一大方面，通過在三維工藝設計環境中對零部件的裝配順序、路徑進行裝配干涉與可達性的驗證，可以在工藝設計階段及時發現潛在設計問題。此外利用三維裝配誤差仿真技術，也可以在虛擬環境下進行產品裝配誤差分析，從而在產品裝配之前就發現在產品設計、工藝規劃和工藝裝備中存在的問題，達到減少產品裝配過程中的設計和工裝更改，保證裝配質量和提高裝配效率的目的。
在大型部段產品研制生產初期中，往往出現靜力試驗故障、產品尺寸精度與設計精度嚴重超差、大部段裝配工藝準備過程較長、零部件生產過程中工藝問題頻發等諸多質量效率問題，引起上述問題的主要有工藝設計驗證手段落后、工裝設計與產品不符、零件與工裝齊套緩慢、設計與工藝更改頻繁等原因。為了實現產品的制造質量和效率的提升，在工藝設計中引入三維數字化工藝仿真驗證過程是必不可少的環節。圖2所示為數字化仿真技術應用于人機裝配作業。數字化工藝仿真技術是實施并行工程、精益生產、敏捷制造的需要，在產品設計的同時，并行開展工藝設計和工裝研發，盡最大可能減少實物制造、裝配環節中帶來的風險，經國內外眾多企業實踐表明，工藝仿真技術能夠提高產品質量、加快生產效率、減少人力物力成本，提前發現實物 生產中可能發生的風險并及時制定糾正預防措施，增加制造企業的技術競爭力。因此，應從以下方面開展數字化研究工作：
a、規范產品工藝模型MBD工藝建模標準，建立與產品設計數據的接口，形成從設計、工藝、生產到檢測的單一產品數據源，用于產品全生命周期管理；
b、從各專業工藝實際出發，建立基于三維實體模型的數字化工藝體系，滿足異地協同、車間協作的需求；
c、在MBD建模規范和數字化工藝體系基礎上，延伸至車間作業管理，建立與MES的數據接口，管理生產計劃執行、跟蹤及所有資源的狀態監控，形成車間作業全面管理監控的能力。
四、裝備設計仿真技術。
在三維數字化設計方面，通過建立產品或生產裝備的三維數字樣機，利用CAE技術可對產品或生產裝備的結構、振動、疲勞等特性進行數值模擬仿真與試驗，在裝備設計階段就可以對產品或生產裝備的性能進行驗證，并可通過不斷迭代修改達到滿意的設計結果，實現部分或全部取代物理樣機，從而盡可能降低產品研發中的潛在風險，避免工裝的報廢，降低投資風險，縮短產品和工裝的研制周期。
計算機裝備設計仿真可在生產裝備或工藝裝備實體尚未制造，或者不易在實物上進行驗證的情況下，通過虛擬建模技術，利用仿真模型來模仿實際系統所發生的運動過程并進行試驗，在模擬環境下實現和預測產品在真實環境下的性能和特征（動態的和靜態的）。通常按裝備設計仿真所涉及的學科分類，將仿真分為機械設計仿真、電氣設計仿真和氣動液壓仿真三個方面。
五、質量檢測仿真技術。
在質量檢測方面，可通過采用逆向工程技術，在計算機虛擬環境下對現場實際制造產品、測量硬件設備和加工環境進行仿真再現，并可將原有產品設計模型與實際產品物理模型進行比較，具有產品制造信息（Product and Manufacturing Information，PMI）的MBD模型，可以方便地在三維仿真環境中進行測量規劃，生成檢測工序和測量路徑，并可對測量規劃路徑進行模擬，確保測量路徑的完整性和安全性，產品最終的包含檢測工序、路徑、方法、工具等的產品三維檢測指導書也會融入到產品基于三維模型的全生命周期數據中。
在當今的制造領域，與質量檢測相關的成熟仿真技術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覆蓋產品設計、零件制造和裝配全過程的概念，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程。此外，坐標測量機和激光掃描設備可用于產品零部件的尺寸形狀精度測量與評定工作，采用仿真技術可也對檢測路徑進行離線仿真，并輔助編寫檢測規劃以及對測量數據進行三維可視化分析。需要注意的是，產品質量檢測工作中實現數字化仿真技術的高效應用的前提是對產品MBD模型中PMI數據的有效識別、提取和復用。因此發展質量檢測仿真技術，必須優先發展基于MBD的數字化制造技術。
六、結束語。
數字化仿真技術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，需要基于產品設計與數據管理平臺進行統一建設，前期人力與管理成本投入較大，而一旦應用成熟，將會帶來極大的效率提升和技術升級，具有較高的投入產出比。
在三維數字化設計制造技術在帶來的傳統航天產品研制模式的重大變革的同時，當今航天制造中各專業領域對基于MBD的數字化仿真技術的需求也呈現越來越多樣化的趨勢，這給數字化仿真技術在航天制造領域的大范圍應用帶來了巨大的發展契機。航天制造企業應該從企業發展戰略高度與產品設計單位一起從頂層自上而下地去推動數字化仿真技術的應用實施，以實現航天領域向數字化設計制造模式的變革。
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