我國(guó)航空制造業(yè)數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展歷程，主要是圍繞著設(shè)計(jì)、制造和生產(chǎn)管理3個(gè)主線方向推進(jìn)。典型模式一般是產(chǎn)品設(shè)計(jì)以CAD/CAE/PDM等系統(tǒng)為主線，制造以CAD/CAPP/PDM等系統(tǒng)為主線，生產(chǎn)管理以MES/ERP/CRM/SCM等系統(tǒng)為主線。近10年來，我國(guó)航空制造業(yè)在上述3方面的數(shù)字化建設(shè)上取得了巨大的成績(jī)。

    近年來基于二維（圖紙）信息表達(dá)與傳遞方式正在被基于模型的設(shè)計(jì)方式所取代，產(chǎn)品設(shè)計(jì)已經(jīng)全面采用基于模型的設(shè)計(jì)，使幾何信息和非幾何信息全部表達(dá)在三維模型上，不再需要進(jìn)行二維非幾何信息的補(bǔ)充表述。但是生產(chǎn)制造方面卻顯不足，主要是由于產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)與二維化制造的不匹配所致。由于三維工藝設(shè)計(jì)技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用遠(yuǎn)落后于三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)，使得三維工藝設(shè)計(jì)成為產(chǎn)品制造的瓶頸。

飛機(jī)三維制造模式

    綜合國(guó)內(nèi)外制造技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)制造方式正在被三維制造方式逐步取代，三維制造方式與傳統(tǒng)制造方式相比具有很大的優(yōu)勢(shì)：(1)化解了傳統(tǒng)CAPP系統(tǒng)與三維CAD系統(tǒng)工作模式的矛盾；(2)三維工藝信息可直接支持可視化生產(chǎn)過程。三維工藝信息完全代替了傳統(tǒng)意義上的工藝文件、技術(shù)參數(shù)和技術(shù)規(guī)范的查詢不再是一個(gè)流程，而變成一個(gè)操作，可以方便的在生產(chǎn)終端上對(duì)工藝規(guī)程進(jìn)行查詢，觀察模型狀態(tài)，獲取技術(shù)規(guī)范等。三維工藝信息的發(fā)布和使用使得三維產(chǎn)品模型被直接應(yīng)用于研制過程的各個(gè)階段，三維模型成為設(shè)計(jì)與制造的唯一依據(jù)。是三維制造方式與傳統(tǒng)制造方式的主要區(qū)別。如圖1所示。

圖1 三維制造方式與傳統(tǒng)制造方式的主要區(qū)別

    1.MBD技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

    在三維制造方面，國(guó)外一些飛機(jī)制造企業(yè)多年來已經(jīng)發(fā)展了開創(chuàng)性的技術(shù)和系統(tǒng)。美國(guó)于1997年在波音公司的協(xié)助下開始了有關(guān)基于模型定義(Model Based Definition，MBD)標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定工作，其主導(dǎo)思想不只是簡(jiǎn)單地將二維圖紙的信息反映到三維模型中，而是充分利用三維模型所具備的表現(xiàn)力，去探索便于用戶理解且更具效率的設(shè)計(jì)信息表達(dá)方式。它用集成的三維數(shù)模完整地表達(dá)了產(chǎn)品定義信息，詳細(xì)規(guī)定了三維數(shù)模中產(chǎn)品尺寸、公差的標(biāo)注規(guī)則和工藝信息的表達(dá)方法。MBD使三維數(shù)模作為生產(chǎn)制造過程中的唯一依據(jù)，改變了傳統(tǒng)以工程圖紙為主、以三維實(shí)體模型數(shù)模為輔的制造方法。

    MBD模型分為零件與裝配模型，零件模型由幾何信息和非幾何信息組成。屬性數(shù)據(jù)表達(dá)了產(chǎn)品信息，注釋數(shù)據(jù)包含了工藝信息。裝配模型則由一系列MBD零件模型加上屬性和注釋數(shù)據(jù)組成。近10余年，以波音787為代表的新型客機(jī)研制過程中，全面采用了MBD技術(shù)，建立了三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化集成應(yīng)用體系。國(guó)內(nèi)飛機(jī)制造業(yè)也已建立了有關(guān)基于模型定義的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也開發(fā)了基于模型定義的各類數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和快速定義工具，并與設(shè)計(jì)環(huán)境集成，形成了較為完善的設(shè)計(jì)體系和設(shè)計(jì)與管理的計(jì)算機(jī)支撐環(huán)境。

    2.國(guó)內(nèi)MBD技術(shù)應(yīng)用存在的問題

    在飛機(jī)研制模式上，急需建立以全三維模型為依據(jù)的完整的三維制造體系。任何復(fù)雜產(chǎn)品制造都離不開工藝設(shè)計(jì)，工藝設(shè)計(jì)是將產(chǎn)品設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品的中間環(huán)節(jié)，是將產(chǎn)品由模型轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)物的橋梁。但是，目前工藝設(shè)計(jì)方法落后于產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，基本上還是以二維信息表述為主的方式，或者是進(jìn)入二維/三維混合信息表述的設(shè)計(jì)方式，無(wú)法適應(yīng)基于模型定義的設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展和數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展。因此，急需創(chuàng)建基于模型的工藝設(shè)計(jì)方法和信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)模型向工藝模型轉(zhuǎn)換，信息關(guān)聯(lián)的直觀描述及現(xiàn)場(chǎng)三維可視化應(yīng)用，使飛機(jī)制造進(jìn)入向全三維設(shè)計(jì)制造時(shí)代。同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)基于模型的制造標(biāo)準(zhǔn)體系研究，形成以工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)應(yīng)用及檢測(cè)三方面內(nèi)容為主的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)，支撐多廠所聯(lián)合研制模式。

三維工藝設(shè)計(jì)理念與方法

    目前飛機(jī)產(chǎn)品數(shù)模尚無(wú)法高效的支持?jǐn)?shù)字化工藝設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造過程，其三維工藝設(shè)計(jì)、輔助制造和管理規(guī)范還有待研究和完善，為使三維數(shù)模應(yīng)用貫穿整個(gè)飛機(jī)研制過程，三維工藝設(shè)計(jì)成為連接工程域和制造域的紐帶。三維工藝設(shè)計(jì)應(yīng)該是以產(chǎn)品全三維模型為對(duì)象，在其基礎(chǔ)上建立工藝模型，進(jìn)行詳細(xì)工藝設(shè)計(jì)，使工藝設(shè)計(jì)信息不僅完全以三維模型的方式表達(dá)，還要求操作內(nèi)容能夠與模型關(guān)聯(lián)表達(dá)，使操作者能夠非常直觀的了解設(shè)計(jì)意圖和要求。

    詳細(xì)工藝設(shè)計(jì)，也就是工藝規(guī)程編制。主要為：建立工藝模型，如零件毛坯模型、工序模型、工藝狀態(tài)模型、重構(gòu)的裝配模型等幾何信息模型；添加工藝標(biāo)注信息，如定位基準(zhǔn)、關(guān)鍵尺寸、技術(shù)要求等非幾何信息；制定工藝流程，既在模型上創(chuàng)建零件的加工流程，如粗加工、精加工、熱處理、表面處理等；編寫操作技術(shù)要求和資源配置，如用某工裝和刀具按某技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)加工某部位等等，將內(nèi)容與模型建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。

    1.設(shè)計(jì)模型的使用與再設(shè)計(jì)

    工藝模型中的信息一部分來自于產(chǎn)品模型，一部分來自于企業(yè)已有的制造資源數(shù)據(jù)庫(kù)，還有一部分是為支持工藝技術(shù)表述而創(chuàng)建的，但這些信息與產(chǎn)品模型都有數(shù)據(jù)衍生聯(lián)系，并且這些信息之間也相互關(guān)聯(lián)。每個(gè)三維工藝模型的信息體系定義一個(gè)產(chǎn)品或產(chǎn)品部件。產(chǎn)品界面零件被用來構(gòu)建各設(shè)計(jì)零件的關(guān)聯(lián)關(guān)系。為了支持后續(xù)工作，三維工藝模型包含的內(nèi)容可分為工程描述類內(nèi)容（產(chǎn)品幾何模型和PMI信息）、管理類內(nèi)容（標(biāo)識(shí)和構(gòu)型）和工藝類內(nèi)容。其中，工藝類內(nèi)容需要根據(jù)制造企業(yè)具體能力進(jìn)一步細(xì)化，這些內(nèi)容需要從產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型中繼承、轉(zhuǎn)化和衍生。產(chǎn)品模型成為工藝模型的唯一數(shù)據(jù)源頭。

    2.三維工藝BOM重構(gòu)

    飛機(jī)產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)應(yīng)由頂向下進(jìn)行，既先進(jìn)行總體規(guī)劃，再進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。總體規(guī)劃主要為裝配順序規(guī)劃，將產(chǎn)品的EBOM轉(zhuǎn)化為制造的MBOM，同時(shí)進(jìn)行關(guān)鍵零部件交付狀態(tài)、檢測(cè)方案、裝配基準(zhǔn)、零件加工基準(zhǔn)等規(guī)劃，將這些信息標(biāo)注在模型中，形成工藝模型與工藝結(jié)構(gòu)樹的主干和枝條。詳細(xì)裝配工藝設(shè)計(jì)主要進(jìn)行資源配置和仿真，調(diào)整完善裝配順序規(guī)劃，進(jìn)而制定裝配大綱等；而零件工藝是在總體規(guī)劃下進(jìn)行的工藝設(shè)計(jì)，完成工序模型創(chuàng)建、工藝標(biāo)注和資源配置，形成工藝結(jié)構(gòu)樹的葉子。因此，工藝的總體規(guī)劃設(shè)計(jì)是后續(xù)工藝工作的基礎(chǔ)，工藝模型的建立和工藝結(jié)構(gòu)樹管理是三維工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，三維工藝BOM重構(gòu)示意見圖2。

圖2 三維工藝BOM重構(gòu)

    3.工藝信息的表達(dá)

    傳統(tǒng)的工藝表達(dá)方式是用三維實(shí)體模型來描述飛機(jī)零件的幾何形狀信息、用二維的工程圖紙來定義尺寸、公差和工藝信息。三維工藝模型的定義方法使三維實(shí)體模型成為生產(chǎn)制造過程中的唯一標(biāo)準(zhǔn)。工藝信息以不同的表達(dá)方式被產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造和檢驗(yàn)檢測(cè)等各環(huán)節(jié)的不同角色所使用。如圖3所示。

圖3 三維工藝模型的表達(dá)

    工藝模型的所有信息以工藝結(jié)構(gòu)樹組織在一起，工藝結(jié)構(gòu)樹的下一級(jí)為工序節(jié)點(diǎn)，工序節(jié)點(diǎn)的下一級(jí)為工序模型、工序資源、工序標(biāo)注等等。對(duì)于整個(gè)零部件的管理類、物理類屬性以靜態(tài)信息面板表達(dá)，視圖位置可以按習(xí)慣定制。制造類、狀態(tài)類屬性以動(dòng)態(tài)信息面板和旗注表達(dá)，同時(shí)根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求將全部非幾何信息以參數(shù)形式組織，以備結(jié)構(gòu)化輸出。幾何信息以工序模型的形式表達(dá)為三維模型，與具體工序關(guān)聯(lián)。

    4.工藝信息的發(fā)布與集成應(yīng)用

    三維產(chǎn)品制造信息的發(fā)布主要有兩方面內(nèi)容：一個(gè)是工藝模型的輸出，另一個(gè)是工藝表單的輸出。根據(jù)企業(yè)數(shù)字化制造的軟硬件環(huán)境條件，有些工藝模型需要輕量化處理，有些不需要，如對(duì)于裝配工藝模型，生產(chǎn)中只需要可視化模型的相互關(guān)系，表示工藝BOM的結(jié)構(gòu)狀況，零件之間的安裝關(guān)系，連接件數(shù)量和形式即可，但它的實(shí)體模型比較大，計(jì)算機(jī)處理速度較慢，可以輕量化處理。對(duì)于零件工藝模型，生產(chǎn)中需要看到又比較小，也可以直接發(fā)布到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。在制造企業(yè)內(nèi)一般需要將三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)與制造執(zhí)行系統(tǒng)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和業(yè)務(wù)過程管理系統(tǒng)等集成，整個(gè)過程中的3D工藝文件，工藝表單一般發(fā)布于企業(yè)PDM系統(tǒng)中，再由PDM系統(tǒng)向生產(chǎn)系統(tǒng)提供支持（圖5）。

圖4 三維產(chǎn)品制造信息發(fā)布與集成應(yīng)用

圖5 機(jī)加工藝設(shè)計(jì)及可視化集成應(yīng)用

三維工藝系統(tǒng)架構(gòu)

    綜上所述，三維工藝系統(tǒng)在工藝BOM構(gòu)建、工藝設(shè)計(jì)和表達(dá)、發(fā)布與集成應(yīng)用的基礎(chǔ)上，還需要考慮企業(yè)集成應(yīng)用的需求和數(shù)據(jù)管理的需求，才能夠建立開放、靈活的系統(tǒng)架構(gòu)。

    1.企業(yè)系統(tǒng)集成應(yīng)用對(duì)工藝系統(tǒng)的要求

    可將工藝系統(tǒng)看成是一個(gè)黑匣子，它只是一個(gè)設(shè)計(jì)工具，其輸入為本企業(yè)PDM系統(tǒng)或者協(xié)作企業(yè)PDM系統(tǒng)中各種構(gòu)型（技術(shù)狀態(tài)）的模型，其向生產(chǎn)系統(tǒng)輸出的模型必須依賴于企業(yè)PDM系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)型（技術(shù)狀態(tài)）管理。由于工藝模型是對(duì)設(shè)計(jì)模型的再設(shè)計(jì)，工藝系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)也有一定要求，需要專用的產(chǎn)品數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與抽取工具。另外，在集成應(yīng)用中還需要針對(duì)輸入（產(chǎn)品數(shù)據(jù)、制造知識(shí)等）和輸出（生產(chǎn)系統(tǒng)、仿真、統(tǒng)計(jì)分析等）開發(fā)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口。

    2.數(shù)據(jù)管理的要求

    工藝系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，其結(jié)構(gòu)需要符合企業(yè)規(guī)范要求。按照三維工藝模型的設(shè)計(jì)思路，所有工藝信息都集成表達(dá)在零部件模型上，因此其構(gòu)型控制、權(quán)限控制等都是針對(duì)模型文件發(fā)生的。模型文件的管理可以借助企業(yè)PDM系統(tǒng)進(jìn)行。這樣，模型數(shù)據(jù)的更改要符合企業(yè)數(shù)據(jù)管理規(guī)范要求。

    3.工藝系統(tǒng)架構(gòu)

    根據(jù)航空制造業(yè)的現(xiàn)狀和發(fā)展預(yù)測(cè)，整個(gè)工藝系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流應(yīng)是從LCA系統(tǒng)接收產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型，在三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)創(chuàng)建工藝模型，進(jìn)行BOM重構(gòu)及變更管理；利用企業(yè)已有的PDM系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)型(技術(shù)狀態(tài))管理與發(fā)布；MES系統(tǒng)只接收最終有效的三維可視化工藝指導(dǎo)信息。三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺(tái)LcA、企業(yè)PDM系統(tǒng)、MES系統(tǒng)均有數(shù)據(jù)集成關(guān)系。

研究與實(shí)踐

    通過對(duì)企業(yè)三維工藝設(shè)計(jì)的需求分析，突破了設(shè)計(jì)BOM到工藝BOM重構(gòu)、工藝描述信息與模型關(guān)聯(lián)表達(dá)、基于特征的工序模型快速創(chuàng)建等系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)出了三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)——MBPP(Model Based Process Planning)的原型系統(tǒng)，利用產(chǎn)品模型在工藝設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)MBD技術(shù)的深入應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)三維可視化制造的目標(biāo)。同時(shí)，綜合考慮設(shè)計(jì)制造一體化，為企業(yè)數(shù)據(jù)管理、流程控制和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)反饋預(yù)留了接口。

    目前，裝配工藝設(shè)計(jì)、機(jī)加件工藝設(shè)計(jì)及可視化集成應(yīng)用進(jìn)入試驗(yàn)驗(yàn)證階段。部分系統(tǒng)應(yīng)用見圖5。

結(jié)束語(yǔ)

    三維工藝設(shè)計(jì)是大型復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品在全球化協(xié)同研制模式之下的技術(shù)革新，其重大意義在于將產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì)成果直接應(yīng)用于制造階段，使產(chǎn)品數(shù)據(jù)源以三維形式貫穿研制全過程，消除了大量二維制造流程，發(fā)揮了企業(yè)制造網(wǎng)絡(luò)的效率。該模式下，三維模型成為設(shè)計(jì)與制造的唯一依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的數(shù)字化研制。

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本文標(biāo)題：飛機(jī)零部件產(chǎn)品的三維工藝設(shè)計(jì)

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