CAPP(Computer Aided Process Planning)技術(shù)自20世紀80年代以來一直是先進制造技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用研究的熱點，國外推出了一些以交互式設(shè)計和模型化、集成化為基礎(chǔ)，集成二維CAD、數(shù)據(jù)庫技術(shù)應(yīng)用為特點的商品化CAPP系統(tǒng)，如HMS-CAPP、CS/CAPP等。國內(nèi)在20世紀90年代也研究開發(fā)出以交互式為基礎(chǔ)的二維CAPP系統(tǒng)產(chǎn)品。目前，以交互式為基礎(chǔ)、集成二維CAD的二維CAPP系統(tǒng)在國內(nèi)已得到廣泛應(yīng)用，滿足了企業(yè)對CAPP應(yīng)用的基礎(chǔ)需求，并且在應(yīng)用中進行了以結(jié)構(gòu)化工藝數(shù)據(jù)為核心的數(shù)據(jù)集成、工藝數(shù)據(jù)管理與過程控制一體化的研究，解決了企業(yè)面向二維的工藝編制、工藝數(shù)據(jù)管理和信息共享等基礎(chǔ)問題，有效提高了工作效率。
但隨著以三維模型為基礎(chǔ)的數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)的推廣和應(yīng)用，基于二維CAPP的工藝設(shè)計和管理已不能滿足現(xiàn)在飛機制造業(yè)對工藝設(shè)計與管理的需要。國外以美國、法國為代表的西方著名飛機公司，如Boeing、Lockhead、Airbus等公司一方面應(yīng)用CAPP系統(tǒng)實現(xiàn)基于二維的工藝設(shè)計與管理，建立電子工作指令系統(tǒng)，實現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)的共享。同時采用新的技術(shù)架構(gòu)建立基于三維設(shè)計模型的三維CAPP集成應(yīng)用系統(tǒng)，覆蓋產(chǎn)品設(shè)計、工藝過程準備、生產(chǎn)制造的完整集成應(yīng)用模式，并已成功地應(yīng)用于新型飛機的研制中，有效提高了工藝的規(guī)劃和驗證效率，縮短了生產(chǎn)周期。
在國內(nèi)航空企業(yè)數(shù)字化制造的建設(shè)與發(fā)展進程中，工藝業(yè)務(wù)部門廣泛應(yīng)用了工藝信息系統(tǒng)進行工藝文件的編制管理工作，如AO(Assembly Order)、FO(Fabrication Order)、工序說明書等，通過與PDM系統(tǒng)的集成開發(fā)，實現(xiàn)了工藝文件與BOM信息的關(guān)聯(lián)管理、工藝數(shù)據(jù)的審簽流程控制、版本有效性管理等，企業(yè)工藝業(yè)務(wù)信息化建設(shè)向前邁出了堅實的一步。
現(xiàn)今，在某型飛機工程研制中，已全面使用了三維產(chǎn)品設(shè)計模式，實現(xiàn)了基于三維模型的設(shè)計數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用。型號設(shè)計部門發(fā)布到工藝制造單位的信息量是基于MBD的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，產(chǎn)品研制模式由原來的二維工程圖紙為唯一制造依據(jù)、三維數(shù)據(jù)模型為輔助的模式，轉(zhuǎn)變?yōu)槿S數(shù)據(jù)模型為制造依據(jù)的模式，要求三維數(shù)據(jù)模型在工藝準備過程中乃至生產(chǎn)制造過程中綜合應(yīng)用，實現(xiàn)了基于三維模型的產(chǎn)品設(shè)計-工藝設(shè)計-工裝設(shè)計-制造過程-檢驗檢測等產(chǎn)品研制全過程的數(shù)據(jù)量貫通�；谌S模型的工藝數(shù)據(jù)表達方式、工藝設(shè)計方式方法、工藝管理及應(yīng)用模式等技術(shù)的研究突破是實現(xiàn)三維工藝設(shè)計在飛機制造企業(yè)中應(yīng)用的關(guān)鍵。
飛機工藝信息化技術(shù)應(yīng)用需求
在系統(tǒng)分析企業(yè)工藝信息化建設(shè)基礎(chǔ)上，進一步明晰了三維工藝信息系統(tǒng)建設(shè)目標和需求。企業(yè)應(yīng)用三維CAPP系統(tǒng)主要用于工藝詳細設(shè)計過程中工序流程的設(shè)計和工藝指令文檔的編制，覆蓋傳統(tǒng)工藝規(guī)程編制方法中包含的各項信息，并具備下列特征。
1.基于主流數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)平臺的B/S應(yīng)用系統(tǒng)
三維CAPP系統(tǒng)首先應(yīng)是一套網(wǎng)絡(luò)版的應(yīng)用系統(tǒng)，系統(tǒng)運行過程中的數(shù)據(jù)和文檔除緩存外應(yīng)由系統(tǒng)控制存放于數(shù)據(jù)庫服務(wù)器或文檔服務(wù)器中，工藝人員通過三維CAPP系統(tǒng)可以對服務(wù)器中與其權(quán)限匹配的數(shù)據(jù)和文檔進行相關(guān)操作。
在系統(tǒng)架構(gòu)模式方面，根據(jù)企業(yè)二維CAPP系統(tǒng)的應(yīng)用情況，為便于企業(yè)內(nèi)的實施部署及更新維護，三維CAPP系統(tǒng)應(yīng)主要采用B/S架構(gòu)，必要時可采用與C/S相結(jié)合的模式，以便于滿足復(fù)雜的應(yīng)用需求。
2.采用結(jié)構(gòu)化的工藝設(shè)計方式
在三維工藝系統(tǒng)中進行工藝設(shè)計工作時，要表達的信息量更加豐富多樣，同時為適應(yīng)企業(yè)在工藝信息結(jié)構(gòu)和工藝信息量等方面的擴展需要，三維工藝系統(tǒng)需要在企業(yè)工藝規(guī)范化、標準化的前提下，建立一套合理的工藝信息模型框架，以該模型框架為基礎(chǔ)，繼承和重構(gòu)一套符合企業(yè)的工藝信息模型。構(gòu)建好的工藝信息模型還可以在一定程度上根據(jù)企業(yè)需要進行擴展，例如增加對象類或者屬性等。
在工藝設(shè)計過程中，工藝數(shù)據(jù)基于構(gòu)建好的工藝信息模型進行組織管理，對工藝對象、工序?qū)ο�、標零成材對象、工裝對象等各類對象，根據(jù)工藝信息模型中建立的屬性進行描述，各對象之間的從屬關(guān)系也根據(jù)工藝信息模型中建立的對象類之間的從屬關(guān)系進行表達。形成具有一定關(guān)系的、包含屬性描述的對象結(jié)構(gòu)，完整地表達工藝信息。
在工藝設(shè)計界面的設(shè)計上，以樹形結(jié)構(gòu)等圖示化的方式表達各對象之間的從屬關(guān)系，用列舉方式或列表方式表達各選定對象的屬性描述。工藝對象、工序?qū)ο笈c相應(yīng)的三維數(shù)字量對象、二維圖形圖片對象等之間的相互關(guān)聯(lián)也要清晰地表達出來。
在工藝設(shè)計方式方面，除對象關(guān)系和對象屬性描述外，還增加工序流程圖的描述，在工序流程圖中通過工序?qū)ο蟮膱D示化描述與工序順序的圖示化描述，實現(xiàn)工序?qū)ο髨D形與工序?qū)ο髮傩院推渌訉ο笾g的關(guān)聯(lián)關(guān)系。工序流程圖的繪制或編輯方法應(yīng)簡潔易用。
3.工藝數(shù)據(jù)中集成應(yīng)用輕量化三維數(shù)字量
工藝設(shè)計的目標對象的載體是設(shè)計部門提供的三維CAD模型。三維CAPP系統(tǒng)的基本原則和期望就是利用三維模型來表達工藝過程，但原始的三維模型的操作對計算機性能要求較高，不便于工程應(yīng)用實施推廣。在工藝設(shè)計過程中，原始三維模型中很多信息是不必要存在的，因此三維CAPP系統(tǒng)應(yīng)使用原始模型輕量化后的結(jié)果以使其適應(yīng)在企業(yè)內(nèi)一般性能的計算機客戶端上的應(yīng)用。
在三維CAPP系統(tǒng)基于輕量化三維模型的工藝數(shù)據(jù)的完整表達中，除了各種類型數(shù)據(jù)對象的分類表達及數(shù)據(jù)對象關(guān)系的表達外，數(shù)據(jù)對象與輕量化三維模型中包含的對象對應(yīng)一致時也應(yīng)建立相應(yīng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。
三維數(shù)字量中包含的部分文本類表達信息，包括裝配樹、零組件清單等，要求其既能顯示到工藝設(shè)計的工作界面中，更重要的是還要求這些信息能便捷地直接應(yīng)用到工藝內(nèi)容的文本描述中去，包括用來填寫工序參裝件等。
在工藝設(shè)計過程中還要求能與三維數(shù)字量進行必要的交互操作，例如在輕量化三維模型上進行標注注釋、進行三維動畫的播放控制等。進行交互操作時，用戶直接在工藝設(shè)計界面中啟動相關(guān)三維數(shù)字量的操作進程，包括在三維數(shù)字量外部的零件配套表上關(guān)聯(lián)三維數(shù)字量中零組件的縮放、旋轉(zhuǎn)等顯示操作。
4.與其他系統(tǒng)的集成應(yīng)用
各企業(yè)都在規(guī)劃建設(shè)符合自身實際需求的信息系統(tǒng)體系，即除三維CAPP系統(tǒng)外，通常還具備其他如PDM、MES、ERP、IQS等系統(tǒng)環(huán)境，其覆蓋了設(shè)計、制造、質(zhì)量等業(yè)務(wù)領(lǐng)域，包含了BOM管理、制造工程數(shù)據(jù)管理應(yīng)用、業(yè)務(wù)協(xié)同、工作審批等相關(guān)功能。三維CAPP系統(tǒng)要得到更好的應(yīng)用效果，與類似上述已有系統(tǒng)的集成是非常重要的。
(1)與PDM系統(tǒng)的集成。主要集成內(nèi)容包括：CAPP應(yīng)用PDM中的EBOM/PBOM數(shù)據(jù)，CAPP向PDM提供MBOM數(shù)據(jù)，CAPP向PDM提供工藝數(shù)據(jù)、PDM提供對工藝數(shù)據(jù)的工藝審批流程等。
(2)與CAD/CAM系統(tǒng)的集成。CAPP應(yīng)用CAD/CAM系統(tǒng)中的工藝決策、工藝仿真等結(jié)果信息。
(3)與MES/ERP/IQS系統(tǒng)的集成。CAPP向MES/ERP/IQS提供工藝數(shù)據(jù)。
B/S模式的三維工藝設(shè)計
三維工藝系統(tǒng)主要由工藝數(shù)據(jù)基礎(chǔ)平臺、工藝設(shè)計管理功能構(gòu)件、工藝業(yè)務(wù)集成管理服務(wù)、客戶端等構(gòu)成，如圖1所示。
圖1 三維模型系統(tǒng)組成
根據(jù)工程需求，為適應(yīng)三維模型在工藝過程中的應(yīng)用和工藝信息集成共享的要求，三維工藝設(shè)計系統(tǒng)采用了B/S模式的結(jié)構(gòu)化多視圖工藝設(shè)計作界面，具有以結(jié)構(gòu)化工藝視圖為主、多視圖數(shù)據(jù)同步應(yīng)用的系統(tǒng)風(fēng)格，如圖2所示。三維CAPP系統(tǒng)包含的視圖種類主要有：
圖2 基于B/S模式的多視圖工藝設(shè)計界面
(1)工藝結(jié)構(gòu)視圖。主要以樹形結(jié)構(gòu)描述一份工藝規(guī)程中所包含的主要工藝對象的簡要信息及其結(jié)構(gòu)關(guān)系。
(2)工藝信息視圖。主要包括屬性頁和對象列表兩種數(shù)據(jù)展現(xiàn)方式。
(3)工藝術(shù)語關(guān)聯(lián)視圖。對企業(yè)規(guī)范化的或用戶常用的工藝數(shù)據(jù)進行分類管理后，用于在填寫工藝對象的屬性內(nèi)容時查詢選擇輸入。
(4)工藝流程圖視圖。通過對工藝對象（如工序等）的前置工藝對象（如工序等）的設(shè)置，調(diào)整該層次所有工藝對象的串并行順序關(guān)系。
(5)工藝資源關(guān)聯(lián)視圖。在工藝設(shè)計過程中填寫指定類型的資源對象（如工藝裝備）時，系統(tǒng)自動關(guān)聯(lián)列出系統(tǒng)內(nèi)部的工藝資源數(shù)據(jù)庫（如工藝裝備數(shù)據(jù)庫），用戶可以從其中查詢并選擇相關(guān)對象作為工藝內(nèi)容的組成對象。
(6)工藝過程仿真視圖。在工藝過程仿真視圖中，用戶可以定義三維工藝過程仿真（或其片段）與工藝對象（如工序?qū)ο螅┑年P(guān)聯(lián)關(guān)系，以將其作為該工藝對象的重要參考內(nèi)容。
(7)清單數(shù)據(jù)瀏覽視圖。針對工藝規(guī)程內(nèi)部的清單數(shù)據(jù)統(tǒng)計，可形成靜態(tài)或動態(tài)的清單數(shù)據(jù)視圖。
(8)卡片式文檔瀏覽視圖。考慮到企業(yè)中工藝數(shù)據(jù)的組織方式習(xí)慣，尤其是工藝信息的應(yīng)用方式限制，系統(tǒng)提供可定制卡片的卡片式文檔動態(tài)生成功能，以將結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計方式生成的工藝數(shù)據(jù)按照企業(yè)要求的卡片格式進行組織，并能支持打印。
基于JSP動態(tài)頁面對工藝信息進行組織，以樹形結(jié)構(gòu)結(jié)合多TAB頁的形式，以表單和列表為主的方式展示文本內(nèi)容，以ActiveX控件的方式展示二維圖形圖片和（輕量化）三維數(shù)模、工程圖符等其他工藝要素，大量采用通用成熟技術(shù)對具體功能進行了實現(xiàn)。
三維工藝系統(tǒng)與PDM系統(tǒng)緊密集成，實現(xiàn)了工藝數(shù)據(jù)的集成管理，形成三維工藝集成應(yīng)用系統(tǒng)，其整體的處理流程如圖3所示。
圖3 三維工藝集成應(yīng)用系統(tǒng)整體流程
用戶登錄三維工藝系統(tǒng)打開系統(tǒng)主界面后，可以通過各種功能模塊進行系統(tǒng)支持功能業(yè)務(wù)操作或系統(tǒng)輔助功能業(yè)務(wù)操作，通過三維工藝設(shè)計集成環(huán)境可以進入三維工藝設(shè)計。
啟動三維工藝設(shè)計集成環(huán)境后，通過與PDM系統(tǒng)的集成訪問機制，使用PDM系統(tǒng)集成接口功能，可以查詢并獲取零部件信息后以其為對象創(chuàng)建三維工藝，在編輯三維工藝的過程中可以加載輕量化的三維模型文件，除可以實時查閱三維文件中包含的各種三維數(shù)據(jù)之外，還可以獲取三維模型文件中包含的組成對象數(shù)據(jù)作為工藝內(nèi)容的組成部分，并能根據(jù)需要進行工藝組成對象與三維模型數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)等。
在三維工藝設(shè)計完成后，可以向PDM系統(tǒng)進行檢入檢出操作，僅在檢出狀態(tài)時才可以對三維工藝數(shù)據(jù)進行修改，而在檢入狀態(tài)時可以進行刪除操作。檢入到PDM系統(tǒng)中的工藝文件（數(shù)據(jù)）可以通過PDM系統(tǒng)的工藝審批流程管理，在流轉(zhuǎn)過程中可以調(diào)用三維工藝集成系統(tǒng)提供的瀏覽程序打開查閱，工藝審批流程全部完成后，該工藝將被設(shè)置為發(fā)布狀態(tài)。
對于PDM系統(tǒng)中已經(jīng)發(fā)布的三維工藝，通過三維工藝設(shè)計集成環(huán)境與PDM系統(tǒng)的集成接口程序，可以進行先行更改或修訂（換版）操作。
三維工藝指令MBI(Model Based Instruction)在制造端口應(yīng)用方面，MES系統(tǒng)在執(zhí)行工序流轉(zhuǎn)時，從中間數(shù)據(jù)庫中獲取工序數(shù)據(jù)。三維工藝系統(tǒng)提供三維工藝臨時更改處理模塊與MES系統(tǒng)集成，當(dāng)MES系統(tǒng)中進行工藝準備或工序流轉(zhuǎn)過程中需要對三維工藝進行臨時更改時，對工序流轉(zhuǎn)狀態(tài)進行設(shè)置，并通過三維工藝臨時更改功能模塊將當(dāng)前工藝的屬性及有效性狀態(tài)和工序流轉(zhuǎn)狀態(tài)提交給三維工藝系統(tǒng)，三維工藝系統(tǒng)根據(jù)這些信息利用自身與PDM系統(tǒng)的雙向集成功能產(chǎn)生一個臨時更改版本（可以區(qū)別于修訂和先行更改）的三維工藝，工藝人員根據(jù)要求修改其內(nèi)容后將其提交審批。通過PDM系統(tǒng)中相應(yīng)的審批流程管理，隨后再將工藝數(shù)據(jù)提交到中間數(shù)據(jù)庫中，最后，通過工藝人員重新設(shè)置的有效性，MES系統(tǒng)就可以繼續(xù)取用更改后的數(shù)據(jù)，如圖4所示。
圖4 MES系統(tǒng)執(zhí)行工序流轉(zhuǎn)過程
開發(fā)應(yīng)用經(jīng)驗
在三維CAPP系統(tǒng)開發(fā)工作啟動之初，確定了三維CAPP的主要目標。作為企業(yè)工藝設(shè)計的共性工具，以實現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理與集成應(yīng)用為主要目標，支持三維數(shù)據(jù)量在工藝和制造過程中的應(yīng)用，形成結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計系統(tǒng)平臺，并加入了支持三維數(shù)據(jù)量的功能元素，同時基于B/S模式對工藝設(shè)計功能進行了開發(fā)與應(yīng)用嘗試。總體上，系統(tǒng)達到了預(yù)期目標，但在應(yīng)用過程中也反映出了一些問題。
三維模型的加載效率較低。本系統(tǒng)選用的達索系統(tǒng)公司3DVIA系列產(chǎn)品進行輕量化三維數(shù)模的處理，在對較大三維模型（CATIA原始模型，1G以上）進行輕量化處理時，效率較低，對硬件設(shè)備的要求也超過了預(yù)期。目前國內(nèi)在三維CAD方面尤其是輕量化應(yīng)用方面的支持還是相對薄弱，亟待相關(guān)更優(yōu)化的解決方案。
B/S模式系統(tǒng)在編輯功能方面存在一定的瓶頸。主要表現(xiàn)在編輯頁面記載速度和切換速度上，偶發(fā)的會話超時造成編輯內(nèi)容丟失的問題也對應(yīng)用產(chǎn)生了一定的影響。通過系統(tǒng)改造實現(xiàn)本地臨時存儲機制，優(yōu)化了系統(tǒng)運行模式，較好地解決了相關(guān)影響。
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本文標題：B/S模式的三維CAPP集成系統(tǒng)開發(fā)
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