我國航空制造業(yè)數字化技術的發(fā)展歷程，主要是圍繞著設計、制造和生產管理3個主線方向推進。典型模式一般是產品設計以CAD/CAE/PDM等系統(tǒng)為主線，制造以CAD/CAPP/PDM等系統(tǒng)為主線，生產管理以MES/ERP/CRM/SCM等系統(tǒng)為主線。近10年來，我國航空制造業(yè)在上述3方面的數字化建設上取得了巨大的成績。
近年來基于二維（圖紙）信息表達與傳遞方式正在被基于模型的設計方式所取代，產品設計已經全面采用基于模型的設計，使幾何信息和非幾何信息全部表達在三維模型上，不再需要進行二維非幾何信息的補充表述。但是生產制造方面卻顯不足，主要是由于產品三維設計與二維化制造的不匹配所致。由于三維工藝設計技術的開發(fā)和應用遠落后于三維產品設計技術，使得三維工藝設計成為產品制造的瓶頸。
飛機三維制造模式
綜合國內外制造技術發(fā)展狀況，可以發(fā)現，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：(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、技術參數和技術規(guī)范的查詢不再是一個流程，而變成一個操作，可以方便的在生產終端上對工藝規(guī)程進行查詢，觀察模型狀態(tài)，獲取技術規(guī)范等。三維工藝信息的發(fā)布和使用使得三維產品模型被直接應用于研制過程的各個階段，三維模型成為設計與制造的唯一依據。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技術應用現狀
在三維制造方面，國外一些飛機制造企業(yè)多年來已經發(fā)展了開創(chuàng)性的技術和系統(tǒng)。美國于1997年在波音公司的協(xié)助下開始了有關基于模型定義(Model Based Definition，MBD)標準的研究和制定工作，其主導思想不只是簡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力，去探索便于用戶理解且更具效率的設計信息表達方式。它用集成的三維數模完整地表達了產品定義信息，詳細規(guī)定了三維數模中產品尺寸、公差的標注規(guī)則和工藝信息的表達方法。MBD使三維數模作為生產制造過程中的唯一依據，改變了傳統(tǒng)以工程圖紙為主、以三維實體模型數模為輔的制造方法。
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。屬性數據表達了產品信息，注釋數據包含了工藝信息。裝配模型則由一系列MBD零件模型加上屬性和注釋數據組成。近10余年，以波音787為代表的新型客機研制過程中，全面采用了MBD技術，建立了三維數字化設計制造一體化集成應用體系。國內飛機制造業(yè)也已建立了有關基于模型定義的設計標準，同時也開發(fā)了基于模型定義的各類數據庫管理系統(tǒng)和快速定義工具，并與設計環(huán)境集成，形成了較為完善的設計體系和設計與管理的計算機支撐環(huán)境。
2.國內MBD技術應用存在的問題
在飛機研制模式上，急需建立以全三維模型為依據的完整的三維制造體系。任何復雜產品制造都離不開工藝設計，工藝設計是將產品設計轉變?yōu)楫a品的中間環(huán)節(jié)，是將產品由模型轉變?yōu)閷嵨锏臉蛄�。但是，目前工藝設計方法落后于產品設計方法，基本上還是以二維信息表述為主的方式，或者是進入二維/三維混合信息表述的設計方式，無法適應基于模型定義的設計技術發(fā)展和數字化制造技術的發(fā)展。因此，急需創(chuàng)建基于模型的工藝設計方法和信息系統(tǒng)，實現設計模型向工藝模型轉換，信息關聯的直觀描述及現場三維可視化應用，使飛機制造進入向全三維設計制造時代。同時應加強基于模型的制造標準體系研究，形成以工藝設計、生產應用及檢測三方面內容為主的數字化標準，支撐多廠所聯合研制模式。
三維工藝設計理念與方法
目前飛機產品數模尚無法高效的支持數字化工藝設計和產品制造過程，其三維工藝設計、輔助制造和管理規(guī)范還有待研究和完善，為使三維數模應用貫穿整個飛機研制過程，三維工藝設計成為連接工程域和制造域的紐帶。三維工藝設計應該是以產品全三維模型為對象，在其基礎上建立工藝模型，進行詳細工藝設計，使工藝設計信息不僅完全以三維模型的方式表達，還要求操作內容能夠與模型關聯表達，使操作者能夠非常直觀的了解設計意圖和要求。
詳細工藝設計，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、重構的裝配模型等幾何信息模型；添加工藝標注信息，如定位基準、關鍵尺寸、技術要求等非幾何信息；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；編寫操作技術要求和資源配置，如用某工裝和刀具按某技術標準加工某部位等等，將內容與模型建立關聯關系。
1.設計模型的使用與再設計
工藝模型中的信息一部分來自于產品模型，一部分來自于企業(yè)已有的制造資源數據庫，還有一部分是為支持工藝技術表述而創(chuàng)建的，但這些信息與產品模型都有數據衍生聯系，并且這些信息之間也相互關聯。每個三維工藝模型的信息體系定義一個產品或產品部件。產品界面零件被用來構建各設計零件的關聯關系。為了支持后續(xù)工作，三維工藝模型包含的內容可分為工程描述類內容（產品幾何模型和PMI信息）、管理類內容（標識和構型）和工藝類內容。其中，工藝類內容需要根據制造企業(yè)具體能力進一步細化，這些內容需要從產品設計模型中繼承、轉化和衍生。產品模型成為工藝模型的唯一數據源頭。
2.三維工藝BOM重構
飛機產品的工藝設計應由頂向下進行，既先進行總體規(guī)劃，再進行詳細設計�？傮w規(guī)劃主要為裝配順序規(guī)劃，將產品的EBOM轉化為制造的MBOM，同時進行關鍵零部件交付狀態(tài)、檢測方案、裝配基準、零件加工基準等規(guī)劃，將這些信息標注在模型中，形成工藝模型與工藝結構樹的主干和枝條。詳細裝配工藝設計主要進行資源配置和仿真，調整完善裝配順序規(guī)劃，進而制定裝配大綱等；而零件工藝是在總體規(guī)劃下進行的工藝設計，完成工序模型創(chuàng)建、工藝標注和資源配置，形成工藝結構樹的葉子。因此，工藝的總體規(guī)劃設計是后續(xù)工藝工作的基礎，工藝模型的建立和工藝結構樹管理是三維工藝設計的基礎，三維工藝BOM重構示意見圖2。
圖2 三維工藝BOM重構
3.工藝信息的表達
傳統(tǒng)的工藝表達方式是用三維實體模型來描述飛機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體模型成為生產制造過程中的唯一標準。工藝信息以不同的表達方式被產品設計、工藝設計、工裝設計、產品制造和檢驗檢測等各環(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
工藝模型的所有信息以工藝結構樹組織在一起，工藝結構樹的下一級為工序節(jié)點，工序節(jié)點的下一級為工序模型、工序資源、工序標注等等。對于整個零部件的管理類、物理類屬性以靜態(tài)信息面板表達，視圖位置可以按習慣定制。制造類、狀態(tài)類屬性以動態(tài)信息面板和旗注表達，同時根據企業(yè)標準要求將全部非幾何信息以參數形式組織，以備結構化輸出。幾何信息以工序模型的形式表達為三維模型，與具體工序關聯。
4.工藝信息的發(fā)布與集成應用
三維產品制造信息的發(fā)布主要有兩方面內容：一個是工藝模型的輸出，另一個是工藝表單的輸出。根據企業(yè)數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，如對于裝配工藝模型，生產中只需要可視化模型的相互關系，表示工藝BOM的結構狀況，零件之間的安裝關系，連接件數量和形式即可，但它的實體模型比較大，計算機處理速度較慢，可以輕量化處理。對于零件工藝模型，生產中需要看到又比較小，也可以直接發(fā)布到生產現場。在制造企業(yè)內一般需要將三維工藝設計系統(tǒng)與制造執(zhí)行系統(tǒng)、產品數據管理系統(tǒng)和業(yè)務過程管理系統(tǒng)等集成，整個過程中的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)向生產系統(tǒng)提供支持（圖5）。
圖4 三維產品制造信息發(fā)布與集成應用
圖5 機加工藝設計及可視化集成應用
三維工藝系統(tǒng)架構
綜上所述，三維工藝系統(tǒng)在工藝BOM構建、工藝設計和表達、發(fā)布與集成應用的基礎上，還需要考慮企業(yè)集成應用的需求和數據管理的需求，才能夠建立開放、靈活的系統(tǒng)架構。
1.企業(yè)系統(tǒng)集成應用對工藝系統(tǒng)的要求
可將工藝系統(tǒng)看成是一個黑匣子，它只是一個設計工具，其輸入為本企業(yè)PDM系統(tǒng)或者協(xié)作企業(yè)PDM系統(tǒng)中各種構型（技術狀態(tài)）的模型，其向生產系統(tǒng)輸出的模型必須依賴于企業(yè)PDM系統(tǒng)進行構型（技術狀態(tài)）管理。由于工藝模型是對設計模型的再設計，工藝系統(tǒng)對產品設計系統(tǒng)也有一定要求，需要專用的產品數據轉換與抽取工具。另外，在集成應用中還需要針對輸入（產品數據、制造知識等）和輸出（生產系統(tǒng)、仿真、統(tǒng)計分析等）開發(fā)數據轉換接口。
2.數據管理的要求
工藝系統(tǒng)產生的數據，其結構需要符合企業(yè)規(guī)范要求。按照三維工藝模型的設計思路，所有工藝信息都集成表達在零部件模型上，因此其構型控制、權限控制等都是針對模型文件發(fā)生的。模型文件的管理可以借助企業(yè)PDM系統(tǒng)進行。這樣，模型數據的更改要符合企業(yè)數據管理規(guī)范要求。
3.工藝系統(tǒng)架構
根據航空制造業(yè)的現狀和發(fā)展預測，整個工藝系統(tǒng)的數據流應是從LCA系統(tǒng)接收產品設計模型，在三維工藝設計系統(tǒng)創(chuàng)建工藝模型，進行BOM重構及變更管理；利用企業(yè)已有的PDM系統(tǒng)進行構型(技術狀態(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信息。三維工藝設計系統(tǒng)與產品設計平臺LcA、企業(yè)PDM系統(tǒng)、MES系統(tǒng)均有數據集成關系。
研究與實踐
通過對企業(yè)三維工藝設計的需求分析，突破了設計BOM到工藝BOM重構、工藝描述信息與模型關聯表達、基于特征的工序模型快速創(chuàng)建等系統(tǒng)開發(fā)的關鍵技術，開發(fā)出了三維工藝設計系統(tǒng)——MBPP(Model Based Process Planning)的原型系統(tǒng)，利用產品模型在工藝設計中實現MBD技術的深入應用，能夠實現三維可視化制造的目標。同時，綜合考慮設計制造一體化，為企業(yè)數據管理、流程控制和生產現場反饋預留了接口。
目前，裝配工藝設計、機加件工藝設計及可視化集成應用進入試驗驗證階段。部分系統(tǒng)應用見圖5。
結束語
三維工藝設計是大型復雜機械產品在全球化協(xié)同研制模式之下的技術革新，其重大意義在于將產品的三維設計成果直接應用于制造階段，使產品數據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)制造網絡的效率。該模式下，三維模型成為設計與制造的唯一依據，實現了真正意義上的數字化研制。
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本文標題：飛機零部件產品的三維工藝設計
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