北京航空航天大學(xué) 喬立紅教授

1 數(shù)字化制造的挑戰(zhàn)

    今天的制造技術(shù)與系統(tǒng)已不僅僅是單一的數(shù)字化的設(shè)計(jì)，已經(jīng)從設(shè)計(jì)、制造到整個(gè)產(chǎn)品全生命周期，實(shí)際上設(shè)計(jì)制造一直到產(chǎn)品報(bào)廢的整個(gè)過(guò)程，數(shù)據(jù)和信息系統(tǒng)是支撐的必要手段和基礎(chǔ)。圖1為今天的制造系統(tǒng)與技術(shù)。

    圖1 今天的制造系統(tǒng)與技術(shù)

    今后的制造技術(shù)會(huì)向數(shù)字化制造、網(wǎng)絡(luò)制造以及基于知識(shí)的制造方向發(fā)展，對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，將更加關(guān)注如何快速實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，以及如何降低制造的成本，尤其是傳統(tǒng)單件小批的航空航天企業(yè)以及傳統(tǒng)的大批量生產(chǎn)企業(yè)像汽車(chē)、家電等。在數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展從二維CAD基于工程圖的設(shè)計(jì)和制造到三維數(shù)字樣機(jī)的應(yīng)用，到協(xié)同和知識(shí)重用的趨勢(shì)下，迫切的需要解決三維產(chǎn)品模型的應(yīng)用問(wèn)題。目前，大部分公司已利用三維CAD進(jìn)行設(shè)計(jì)，基于三維的產(chǎn)品模型如何有效實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)計(jì)制造過(guò)程的三維化、智能化、協(xié)同化和服務(wù)化，是當(dāng)前也是今后數(shù)字化制造的發(fā)展重點(diǎn)與方向。數(shù)字化技術(shù)是基礎(chǔ)，制造數(shù)據(jù)是核心。制造數(shù)據(jù)是非常復(fù)雜的，而且要以三維為載體，在設(shè)計(jì)制造的各個(gè)環(huán)節(jié)中數(shù)據(jù)從源頭一直延伸下去，圍繞產(chǎn)品的全生命周期傳遞，不僅傳遞，還要進(jìn)行同步操作集成和協(xié)同的問(wèn)題，即數(shù)字化制造面臨著數(shù)據(jù)復(fù)雜、三維表達(dá)困難、數(shù)據(jù)無(wú)法有效傳遞以及如何實(shí)現(xiàn)信息集成幾各方面的挑戰(zhàn)。圖2為數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展路線。

    圖2 數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造信息及其特點(diǎn)

    2.1 產(chǎn)品定義技術(shù)的發(fā)展

    大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)以來(lái)，產(chǎn)品定義經(jīng)歷了從二維到三維模型發(fā)展的4個(gè)階段，如圖3所示。在這個(gè)過(guò)程中，產(chǎn)品定義技術(shù)給企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)帶來(lái)了很多機(jī)會(huì)也帶來(lái)很多挑戰(zhàn)。早期的產(chǎn)品數(shù)字化定義通過(guò)創(chuàng)建二維工程圖，實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。二維工程圖是貫穿產(chǎn)品市場(chǎng)調(diào)研、方案確定、設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)、安裝、使用和維修過(guò)程中的技術(shù)信息載體。實(shí)體建模等3D建模技術(shù)誕生后，方便了產(chǎn)品設(shè)計(jì)表達(dá)手段，加速了數(shù)字化產(chǎn)品定義的發(fā)展，可有效解決二維工程圖應(yīng)用匯總難以解決的諸如復(fù)雜的投影線生成問(wèn)題、尺寸漏標(biāo)問(wèn)題、漏畫(huà)圖線問(wèn)題以及機(jī)構(gòu)幾何關(guān)系和運(yùn)動(dòng)關(guān)系的分析問(wèn)題等，此時(shí)的三維產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)能提供產(chǎn)品幾何信息，仍不能直接提供下游工藝和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中需要的工藝信息，如加工表面精度信息、材料及熱處理信息、以及加工規(guī)范等，制造過(guò)程中仍需要二維圖紙來(lái)表達(dá)零件的精確制造準(zhǔn)則。參數(shù)化造型技術(shù)出現(xiàn)使得三維CAD具有了基于特征、全尺寸約束、全數(shù)據(jù)相關(guān)及尺寸驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)修改等新功能，使三維模型能夠通過(guò)添加三維方式的注釋提示、注釋與形狀的數(shù)字連接的功能提供尺寸、公差、表面粗糙度等部分幾何工藝信息，但尚難以直觀且無(wú)二義地表達(dá)諸如某表面的粗糙度、表面間的結(jié)合方式、間隙的設(shè)置、要求符合的規(guī)格與標(biāo)準(zhǔn)等非幾何信息，因此仍需要采用二維工程圖以清晰地表達(dá)產(chǎn)品的制造要求。隨著CAD技術(shù)在90年代末加入三維標(biāo)注的功能，AMSE開(kāi)展了系列數(shù)字化定義標(biāo)準(zhǔn)的研究，以及波音公司在2004年啟動(dòng)的787項(xiàng)目中全面推廣新的基于模型的數(shù)字化定義技術(shù)（Model Based Definition，MBD）體系，企業(yè)目前開(kāi)始更多地研究和推進(jìn)全三維制造，這是今后CAD應(yīng)用的方向。

    圖3 產(chǎn)品定義技術(shù)的發(fā)展

    2.2 產(chǎn)品定義中應(yīng)遵循的重要標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

    全三維設(shè)計(jì)制造應(yīng)用的難點(diǎn)主要在與制造數(shù)據(jù)是否能夠完整表達(dá)傳遞，解決這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵之一在于產(chǎn)品在定義中應(yīng)遵循一定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，目前在這方面的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)有GPS和MBD。

    2.2.1 GPS

    GPS是產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（Geometrical Product Specifications），有一系列標(biāo)準(zhǔn)，ISO1101:2004；GB/T 1182-2008等。GPS包含宏觀和微觀幾何規(guī)范，尺寸和形位公差、表面特征等幾何精度規(guī)范；相關(guān)的檢驗(yàn)原則、測(cè)量器具要求和校準(zhǔn)規(guī)范；基本表達(dá)和圖樣標(biāo)注的解釋?zhuān)徊淮_定度的評(píng)定和控制，貫穿于產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制造的全過(guò)程。

    新一代GPS在標(biāo)注方面進(jìn)行了改進(jìn)，GPS標(biāo)準(zhǔn)體系蘊(yùn)含工業(yè)化大生產(chǎn)的基本特征，反映了技術(shù)發(fā)展的內(nèi)在要求，為產(chǎn)品技術(shù)評(píng)估提供了“通用語(yǔ)言”；由于實(shí)際加工出的零件幾何形狀，并非理想形狀，新一代GPS提出了針對(duì)零件更豐富的尺寸概念。

    2.2.2 MBD

    MBD是基于模型的數(shù)字化定義，已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ISO-16792 即產(chǎn)品技術(shù)文件－數(shù)字化產(chǎn)品定義規(guī)范。它一個(gè)用集成的三維實(shí)體模型來(lái)完整表達(dá)產(chǎn)品定義信息的方法體，詳細(xì)規(guī)定了三維實(shí)體模型中的產(chǎn)品尺寸、公差的標(biāo)注規(guī)則和工藝信息的表達(dá)方法。

3 制造過(guò)程信息建模

    數(shù)字化制造的核心是制造信息的生成、表達(dá)與傳遞。由于三維建模技術(shù)在航空航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的廣泛發(fā)展與應(yīng)用，應(yīng)用三維模型已成為工藝設(shè)計(jì)必然要求，但三維模型應(yīng)用與數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)相結(jié)合具有新的特點(diǎn)和要求，使得三維產(chǎn)品模型利用、數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)決策方法、三維數(shù)字化工藝文檔的生成、工藝數(shù)據(jù)庫(kù)和工藝知識(shí)庫(kù)的建立等問(wèn)題都有待深入研究。由此來(lái)看，制造過(guò)程信息生成技術(shù)（即工藝設(shè)計(jì)技術(shù)）已成為提高制造企業(yè)生產(chǎn)智能化和自動(dòng)化綜合水平的瓶頸，亟待改進(jìn)與提高。

    制造過(guò)程信息對(duì)制造資源組織、作業(yè)計(jì)劃制定、制造過(guò)程的控制以及供應(yīng)鏈的安排等都將產(chǎn)生影響。它是與過(guò)程相關(guān)的信息，具有時(shí)間屬性，包括：產(chǎn)品、工件幾何及質(zhì)量要求；資源要求（設(shè)備、工裝等）；加工控制參數(shù)設(shè)定（如切削用量等）；制造管理信息（工時(shí)定額，工人等級(jí)，工作屬性等）；其它物料需求（原材料，消耗輔料，能源，消耗性工具等）。從信息屬性的角度看，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)信息是一種靜態(tài)信息，它只是產(chǎn)品最終狀態(tài)的描述。而工藝信息是動(dòng)態(tài)的過(guò)程信息，它不僅有產(chǎn)品幾何形狀和屬性的描述，更重要的是它描述了從毛坯到最終產(chǎn)品的變化過(guò)程。

    同一個(gè)產(chǎn)品/零件的制造過(guò)程中，加工活動(dòng)的不同順序或者制造資源的不同選擇都會(huì)產(chǎn)生不同的工藝路線，這些不同的工藝路線形成了產(chǎn)品/零件的多工藝路線。多工藝路線的形成可以歸納為工序替換、工序順序無(wú)關(guān)及資源替換三種因素：

    1）工序替換是指一個(gè)或一組工序可以被具有相同加工能力的另一個(gè)或一組工序替換，這些工序共同構(gòu)成了工藝過(guò)程中的可選擇替代的工序方案；

    2）工序順序無(wú)關(guān)是指相互之間沒(méi)有先后順序約束的一組工序，生產(chǎn)調(diào)度中可以根據(jù)需要調(diào)換這些工序的先后順序；

    3）制造資源替換是指同一個(gè)工序中，可以相互替換的制造資源。

    工藝過(guò)程信息模型的構(gòu)建應(yīng)當(dāng)具有一致性、正確性、完整性以及通用性的特點(diǎn)，可采用由本體表達(dá)、本體建模、邏輯建模及物理建模四個(gè)步驟組成的系統(tǒng)化建模方法，圖4為工藝過(guò)程關(guān)系信息的本體定義與表達(dá)示例，圖5為在工藝過(guò)程信息模型基礎(chǔ)上的一個(gè)實(shí)現(xiàn)裝配仿真建模與協(xié)同決策的應(yīng)用場(chǎng)景實(shí)例。

    圖4 工序關(guān)聯(lián)關(guān)系

    圖5 裝配仿真建模與協(xié)同決策應(yīng)用實(shí)例

4 三維數(shù)字化制造

    在三維數(shù)字化制造方面，國(guó)內(nèi)外許多企業(yè)和研究單位已經(jīng)開(kāi)展了這方面的研究與應(yīng)用。一種三維數(shù)字化制造的新的應(yīng)用模式是，在并行協(xié)同設(shè)計(jì)中，應(yīng)用MBD，以信息樹(shù)和標(biāo)注等表現(xiàn)形式對(duì)產(chǎn)品的制造信息進(jìn)行表達(dá)，推動(dòng)下游基于三維模型進(jìn)行制造活動(dòng)；應(yīng)用三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)工具，進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，包括直接獲取產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型和制造特征信息進(jìn)行工藝路線設(shè)計(jì)，三維工序尺寸及公差設(shè)計(jì)，三維工序模型生成，數(shù)控編程以及三維可視化工藝的生成等；應(yīng)用PDM/PLM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造數(shù)據(jù)的集成管理。下圖6、圖7分別為以三維模型為基礎(chǔ)的三維數(shù)字化制造和CAD/CAPP/CAM/MPM…系統(tǒng)的信息集成。

    圖6 以三維模型為基礎(chǔ)的三維數(shù)字化制造

    圖7 CAD/CAPP/CAM/MPM…系統(tǒng)的信息集成

    本文根據(jù)北京航空航天大學(xué)喬立紅教授在“2012中國(guó)制造業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新數(shù)字化國(guó)際峰會(huì)”上的發(fā)言錄音整理，已經(jīng)本人確認(rèn)！

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本文標(biāo)題：北京航空航天大學(xué)喬立紅教授：CAD/CAPP/CAM/MPM技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

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