隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，發(fā)達(dá)國(guó)家的飛機(jī)制造企業(yè)通過三維數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用有效提升了工藝設(shè)計(jì)水平，解決了在航空產(chǎn)品數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)、制造方面的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一和系統(tǒng)整合等問題，保證了業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的一致性和規(guī)范性。國(guó)內(nèi)飛機(jī)制造企業(yè)經(jīng)過長(zhǎng)期的三維工藝設(shè)計(jì)與仿真、CAX/CAPP/MES系統(tǒng)集成等技術(shù)的研究，突破了基于模型的定義（MBD）、三維工藝設(shè)計(jì)可視化、三維裝配過程仿真驗(yàn)證及優(yōu)化、三維工作指令的創(chuàng)建、發(fā)放及瀏覽、多系統(tǒng)集成和業(yè)務(wù)流程優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，構(gòu)建了體系完整的、能支撐裝配、機(jī)加、鈑金、冶金等各類工藝設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)需求的三維化、系統(tǒng)化、集成化的企業(yè)級(jí)數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)二維工藝設(shè)計(jì)制造體系向三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)制造體系的成功轉(zhuǎn)型。

二維工藝設(shè)計(jì)

    工藝設(shè)計(jì)是連接設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的橋梁，傳統(tǒng)二維環(huán)境下，工藝設(shè)計(jì)工作是依托于設(shè)計(jì)發(fā)放的二維工程圖，在CAPP系統(tǒng)中開展工藝設(shè)計(jì)、配套表及工藝卡片編制及流程簽審等工作，再以紙質(zhì)工藝卡片形式下發(fā)至生產(chǎn)單位，加上生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)配套的操作說明、安全規(guī)程等紙質(zhì)文件，最終指導(dǎo)生產(chǎn)人員加工制造的工藝體系。其核心還未跳出二維平面工藝設(shè)計(jì)的束縛，缺乏形象化的、三維空間化進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)的功能。

    在整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的信息傳遞過程中，由于設(shè)計(jì)人員、工藝人員、生產(chǎn)人員不斷進(jìn)行著二維、三維的重構(gòu)，造成了巨大的時(shí)間浪費(fèi)和諸多的理解歧義；設(shè)計(jì)人員以三維方式完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)，將其轉(zhuǎn)化為二維圖紙，作為合法文件發(fā)放給制造部門；工藝人員拿到二維圖紙后，首先必須理解原始設(shè)計(jì)意圖，將二維設(shè)計(jì)圖紙?jiān)谒季S中還原為三維模型，再編制出指導(dǎo)生產(chǎn)作業(yè)的二維工藝指令，生產(chǎn)人員拿到二維工程指令之后，需再次將二維圖紙及工藝指令還原為三維模型及三維工藝過程，以理解產(chǎn)品和工藝人員的設(shè)計(jì)意圖，這個(gè)從設(shè)計(jì)到工藝再到生產(chǎn)的過程數(shù)據(jù)傳遞量大、周期長(zhǎng)（如圖1所示），極易出現(xiàn)由于設(shè)計(jì)、工藝及生產(chǎn)人員對(duì)于二維、三維信息理解不同而導(dǎo)致意圖表達(dá)不清，甚至理解完全錯(cuò)誤的危險(xiǎn)。

圖1 產(chǎn)品描述信息傳遞與轉(zhuǎn)化過程

三維工藝設(shè)計(jì)

    三維工藝設(shè)計(jì)面向飛機(jī)工藝研制全過程，包括工藝方案策劃與三維工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)各個(gè)階段中相關(guān)的業(yè)務(wù)工作。

    1.工藝方案策劃

    飛機(jī)總體設(shè)計(jì)階段，制造企業(yè)已開始進(jìn)行工藝總方案設(shè)計(jì)，并通過采用基于成熟度的協(xié)同工藝審查的方法，依據(jù)設(shè)計(jì)成果，同步展開后續(xù)工藝策劃工作，包括裝配協(xié)調(diào)、零件制造技術(shù)、工藝分離面、部件裝配圖表等一系列工藝指導(dǎo)性文件的定義與編制。

    工藝方案策劃階段，制造企業(yè)的工藝人員在虛擬的三維空間內(nèi)進(jìn)行工藝分離面劃分，對(duì)產(chǎn)品的EBOM結(jié)構(gòu)進(jìn)行重構(gòu)，并補(bǔ)充產(chǎn)品工藝路線（流水）以及工組件，搭建產(chǎn)品PBOM，作為后續(xù)裝配工藝、零件工藝等詳細(xì)工藝設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

    2.零件（機(jī)加/鈑金）工藝設(shè)計(jì)（冷加工工藝設(shè)計(jì)）

    零件工藝分為機(jī)加工藝與鈑金工藝。機(jī)加工藝是指使用傳統(tǒng)人工操作的車、銑、刨、磨工藝設(shè)備以及數(shù)控設(shè)備進(jìn)行零件制造；鈑金工藝種類繁多，在航空制造企業(yè)中主要用到的鈑金工藝有閘壓、滾壓、液壓成形等。三維零件工藝注重的是對(duì)輕量化模型和MBD數(shù)據(jù)集的利用，并結(jié)合零件工藝仿真分析功能，提高零件工藝設(shè)計(jì)效率和水平，三維零件工藝（指令）電子數(shù)據(jù)包編輯環(huán)境如圖2所示。

圖2 三維零件工藝(指令)電子數(shù)據(jù)包設(shè)計(jì)

    （1）零件工藝設(shè)計(jì)工序定義及工序模型的構(gòu)建。

    零件工藝設(shè)計(jì)一方面是由毛坯開始，一步步加工最終形成符合設(shè)計(jì)要求的零件狀態(tài)，而在實(shí)際過程中工藝人員需要參考設(shè)計(jì)模型，逆向設(shè)計(jì)出反應(yīng)其中間加工過程的工序模型，另一方面將工藝設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化相結(jié)合，優(yōu)化工藝過程，獲得最優(yōu)工藝設(shè)計(jì)方案，作為工序定義的指導(dǎo)。

    （2）三維零件工藝電子數(shù)據(jù)包創(chuàng)建、編輯和查看。

    三維零件工藝指令不是傳統(tǒng)的電子表格或紙質(zhì)文檔，而是將結(jié)構(gòu)化工藝過程信息與三維模型、視圖、動(dòng)畫等緊密結(jié)合，形成三維零件工藝（指令）的電子數(shù)據(jù)包。并通過提供一個(gè)直觀的、可視化界面，工藝及制造相關(guān)人員可直接查看零件工藝的電子數(shù)據(jù)包的內(nèi)容。

    3.冶金工藝設(shè)計(jì)（熱加工工藝設(shè)計(jì)）

    冶金專業(yè)下屬多個(gè)專業(yè)，包括鍛造、鑄造、熱處理、表面處理、焊接等。冶金工藝按照工藝類別的不同，對(duì)三維化的需求也各有區(qū)別。如焊接工藝需要在三維數(shù)模上對(duì)焊縫位置、焊接順序進(jìn)行標(biāo)示；表面處理工藝需要利用三維數(shù)模在立體空間中進(jìn)行鍍層、噴漆、化銑、表面轉(zhuǎn)換、導(dǎo)管隔熱的加工范圍等信息的標(biāo)示；鑄造工藝需要根據(jù)產(chǎn)品模型留好鑄造余量，并利用三維模型展現(xiàn)相應(yīng)澆筑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

    總體來說，冶金工藝設(shè)計(jì)三維化需求不及零件、裝配工藝需求強(qiáng)烈，但仍可分析各類冶金工藝的具體需求，引入產(chǎn)品三維模型，仿照三維零件、裝配工藝設(shè)計(jì)方式，在三維模型上進(jìn)行相關(guān)信息標(biāo)識(shí)，以三維視圖方式描述工序狀態(tài)，幫助工藝人員更直觀地展示相關(guān)工藝過程信息。

    4.裝配工藝設(shè)計(jì)

    基于MBD的裝配工藝是指以輕量化三維模型為基礎(chǔ)，利用MBD數(shù)據(jù)集信息和數(shù)字化、結(jié)構(gòu)化的方法來定義并展示整個(gè)工藝過程，實(shí)現(xiàn)高效、合理的裝配工藝設(shè)計(jì)。三維裝配工藝（指令）電子數(shù)據(jù)包編輯環(huán)境如圖3所示。

圖3 三維裝配工藝(指令)電子數(shù)據(jù)包設(shè)計(jì)

    （1）裝配工藝設(shè)計(jì)工序定義及工序模型構(gòu)建。

    裝配工藝設(shè)計(jì)的首要工作是對(duì)產(chǎn)品裝配過程、裝配順序、定位方案等進(jìn)行規(guī)劃，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行裝配工序的定義，并構(gòu)建與工序過程匹配的三維工序模型，工序模型還應(yīng)包含對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品模型、工裝模型以及與工序內(nèi)容匹配的三維視圖、工序作業(yè)指導(dǎo)信息（標(biāo)注信息、輔助說明信息、工藝尺寸信息等）。并使整個(gè)工序內(nèi)容和三維模型有機(jī)關(guān)聯(lián)起來。

    （2）三維裝配工藝電子數(shù)據(jù)包創(chuàng)建、編輯和查看。

    通過工序模型的定義，以三維模型替代傳統(tǒng)的二維圖紙或原理圖，工藝指令中操作步驟都以三維視圖及三維動(dòng)畫為主，結(jié)構(gòu)化的文字信息為輔的方式來描述工藝過程，三維條件下的工藝指令是將結(jié)構(gòu)化工藝過程信息（標(biāo)準(zhǔn)格式）與模型、視圖、動(dòng)畫等三維信息（輕量化格式）相結(jié)合，形成可指導(dǎo)裝配人員工作的三維裝配工藝（指令）電子數(shù)據(jù)包。

    5.工藝數(shù)據(jù)管理

    在三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)環(huán)境下，工藝知識(shí)的存儲(chǔ)、共享和應(yīng)用方式發(fā)生了巨大的變化。這需要建立支持三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)、資源庫(kù)及模板，實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化管理與應(yīng)用，提高工藝設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。

    （1）工藝知識(shí)管理。

    工藝知識(shí)管理就是通過管理企業(yè)內(nèi)與工藝知識(shí)相關(guān)的文檔類資源，充分利用工藝專家的經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)積累，實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝設(shè)計(jì)過程中業(yè)務(wù)的智能化在線幫助。主要包括工藝術(shù)語(yǔ)庫(kù)、工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)控程序數(shù)據(jù)庫(kù)、切削參數(shù)庫(kù)、鈑金成型參數(shù)庫(kù)等的管理；以及對(duì)文檔類工藝知識(shí)庫(kù)，包括工藝手冊(cè)、工藝標(biāo)準(zhǔn)與程序、技術(shù)總結(jié)、學(xué)習(xí)資料等的分類管理。

    （2）工藝資源管理。

    依據(jù)三維數(shù)字化工藝的需求，構(gòu)建工藝資源庫(kù)，規(guī)范工藝設(shè)計(jì)過程中各類資源，包括裝配、加工的設(shè)備、工藝裝備、材料屬性等的描述與管理，并通過對(duì)這些資源進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)模板定義，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造信息的統(tǒng)一管理和資源信息引用的規(guī)范性、高效性。

    （3）典型工藝管理。

    典型工藝管理就是根據(jù)同類零部件結(jié)構(gòu)和尺寸的變化，設(shè)計(jì)出一種或幾種經(jīng)過優(yōu)化的加工或裝配工藝范例，包括機(jī)械加工類典型工藝、鍛造類零件典型工藝、鑄造類典型工藝、鈑金類典型工藝等，供工藝人員在設(shè)計(jì)時(shí)重復(fù)使用，進(jìn)而幫助企業(yè)按照自身需求通過工藝工作的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化工作實(shí)現(xiàn)典型工藝的提煉、存儲(chǔ)、管理和使用。

    6.生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)可視化

    在三維工藝模式下三維數(shù)據(jù)（模型等）替代了二維工程圖紙和紙質(zhì)工藝指令。三維工藝電子數(shù)據(jù)包（指令）成為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工作的技術(shù)依據(jù)，通過工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)與生產(chǎn)管理系統(tǒng)的集成，將三維工藝指令等工藝數(shù)據(jù)信息發(fā)放到車間生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，并以三維的、動(dòng)態(tài)的、交互式的定制界面展示、描述工藝過程，將生產(chǎn)工藝、人員、設(shè)備、工裝及工具等資源信息有效集成，通過直觀的界面顯示產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)關(guān)系、工藝結(jié)構(gòu)關(guān)系和幾何模型，顯示工藝仿真過程和工裝使用定位方法，顯示與仿真過程相應(yīng)的操作說明等，使工人按指令進(jìn)行操作，準(zhǔn)確快速地查閱工藝過程中需要的信息，提高工作的準(zhǔn)確性和效率。

三維工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)

    金航通過對(duì)上述三維工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)功能的研究，并結(jié)合相關(guān)企業(yè)的實(shí)際需求，構(gòu)建了包括頂層工藝方案設(shè)計(jì)、三維裝配工藝設(shè)計(jì)、三維零件工藝設(shè)計(jì)、三維冶金工藝設(shè)計(jì)、工藝知識(shí)庫(kù)、工藝資源庫(kù)、典型工藝庫(kù)等功能模塊在內(nèi)的三維工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了與上下游相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)與流程的緊密集成與管理，其功能組成如圖4所示。

圖4 三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)

    （1）三維工藝設(shè)計(jì)。

    針對(duì)三維工藝設(shè)計(jì)正成為企業(yè)的需求的熱點(diǎn)，構(gòu)建了以輕量化三維模型為核心的，以三維視圖及動(dòng)畫為手段的詳細(xì)工藝設(shè)計(jì)的核心功能。

    （2）知識(shí)的管理與應(yīng)用。

    滿足三維工藝設(shè)計(jì)的需求，總結(jié)企業(yè)的工藝設(shè)計(jì)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)工藝知識(shí)及資源的管理，提高工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)的知識(shí)水平。

    （3）網(wǎng)絡(luò)化的集成研制。

    通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將工藝系統(tǒng)與CAX、PDM系統(tǒng)等集成，實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)延伸到生產(chǎn)管理的全過程，從而發(fā)揮工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)在產(chǎn)品全生命周期中的信息中樞和功能調(diào)節(jié)作用。

    （4）可重構(gòu)的工藝設(shè)計(jì)。

    工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠持續(xù)滿足企業(yè)的個(gè)性化和變化的需求，進(jìn)行模塊化管理，并依據(jù)不同的需求，具備二次開發(fā)、可重構(gòu)和定制相關(guān)功能的能力。

結(jié)論

    MBD技術(shù)的應(yīng)用使三維模型成為制造過程中的唯一依據(jù)，本文提出了三維工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)工作思路和實(shí)現(xiàn)方法，并構(gòu)建出平臺(tái)的原型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字化定義、三維工藝設(shè)計(jì)與仿真、基于輕量化模型的工藝過程可視化技術(shù)以及CAX/PDM/MES多系統(tǒng)集成技術(shù)的應(yīng)用，有效地縮短產(chǎn)品研制周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，真正實(shí)現(xiàn)無二維圖紙、無紙質(zhì)工作指令的三維數(shù)字化集成制造，有效改善生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境，使現(xiàn)場(chǎng)工人容易理解，減少了操作錯(cuò)誤，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)技術(shù)的深入應(yīng)用必將推動(dòng)我國(guó)飛機(jī)制造業(yè)的快速發(fā)展。

核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。

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本文標(biāo)題：航空制造領(lǐng)域中三維工藝技術(shù)的應(yīng)用

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