全機(jī)工藝模型管理技術(shù)研究

張文俊，鐘國興，李仁花，陳志敏，雷玉如，熊國翠，鄒草云

（航空工業(yè)洪都，江西南昌，330024）

0 引言

飛機(jī)工藝模型是產(chǎn)品設(shè)計模型的數(shù)字量向制造過程的延拓，是滿足新型號飛機(jī)產(chǎn)品數(shù)字化制造要求的關(guān)鍵。設(shè)計模型可以用一個三維實體模型定義（簡稱“一次建模”），準(zhǔn)確地描述出產(chǎn)品的最終形狀和尺寸，而其工藝模型往往是由此衍化生成的一系列模型（簡稱“二次建模”）。目前，飛機(jī)產(chǎn)品信息載體已由三維模型和二維圖紙相結(jié)合發(fā)展到以三維模型為主，并開展了基于模型定義技術(shù)的應(yīng)用。新型號數(shù)字化制造要求從制造全過程的不同需求來全面地定義產(chǎn)品工藝模型，是進(jìn)行工藝設(shè)計、工藝裝備設(shè)計和設(shè)備控制的基本依據(jù)。然而，對面向制造的“二次建模”及工藝模型管理的研究則十分有限，不僅使得數(shù)字化定義模型的應(yīng)用效能未充分發(fā)揮，而且對數(shù)字化制造的推進(jìn)形成重大技術(shù)瓶頸。隨著新型號產(chǎn)品研制過程的進(jìn)展，對工藝模型承載的內(nèi)容及其定義與管理模式提出了新的要求。

制造工藝鏈?zhǔn)且粋€整體，各個工藝模型之間相互關(guān)聯(lián)和影響，數(shù)據(jù)管理具有模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)來源多樣、部門之間交互使用等特點。從技術(shù)發(fā)展歷程看，要求其定義和管理從手工建模、文檔式管理逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榭焖俣x和系統(tǒng)組織管理。

當(dāng)前國內(nèi)對產(chǎn)品數(shù)字化定義、制造模型等技術(shù)的研究和應(yīng)用迅速發(fā)展，但對全機(jī)工藝模型還缺乏系統(tǒng)研究。本文研究是由型號研制工程需求所牽引，利用當(dāng)前新的數(shù)字化技術(shù)并綜合國內(nèi)主機(jī)廠的成熟做法，提出解決思路。其中，蒙皮、整體壁板、框肋等類型鈑金件工藝模型的研究已得到初步應(yīng)用，在某項目研制過程中初步建立了各類典型件的工藝模型；全機(jī)工藝模型管理可借鑒產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)的管理思想再結(jié)合工藝模型數(shù)據(jù)及定義過程的特點，研究全機(jī)工藝模型數(shù)據(jù)管理方法；對工藝模型建模及其質(zhì)量控制則采用基于CATIA二次開發(fā)的技術(shù)，結(jié)合典型的機(jī)加、鈑金、復(fù)材和裝配件工藝模型建模內(nèi)容開展研究。本文研究緊密結(jié)合型號工程對象，不僅有利于研究成果的工程應(yīng)用，而且有利于企業(yè)制造技術(shù)的深入發(fā)展。

1 全機(jī)工藝模型及其運(yùn)行控制方式

本文從全機(jī)工藝模型內(nèi)容入手，在型號研制基礎(chǔ)上，逐步展開從全機(jī)工藝模型應(yīng)用、管理和建模技術(shù)的研究；針對型號產(chǎn)品典型件，分析典型制造工藝下工藝模型內(nèi)容、應(yīng)用過程，建立全機(jī)工藝模型管理方法。

1.1 全機(jī)工藝模型數(shù)據(jù)組織

飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)的關(guān)鍵是全三維模型數(shù)字量載體下制造時空范圍內(nèi)產(chǎn)品信息內(nèi)容表達(dá)及其定義。產(chǎn)品三維模型是產(chǎn)品數(shù)據(jù)的核心，面向制造的全三維產(chǎn)品模型的核心是基于三維的數(shù)字化設(shè)計與制造工程信息的表達(dá)與傳遞。產(chǎn)品三維模型是產(chǎn)品數(shù)據(jù)的核心。面向產(chǎn)品設(shè)計制造全過程，三維模型分為三維設(shè)計模型和三維制造模型，工藝模型又分為工藝模型、工裝模型。三維設(shè)計模型、工藝模型和工裝模型共同構(gòu)成三維綜合化模型，反映飛機(jī)設(shè)計制造中產(chǎn)品、工藝和資源三類要素信息（見圖1）。

1）設(shè)計模型包含產(chǎn)品最終形狀和產(chǎn)品制造信息，是產(chǎn)品信息表達(dá)的唯一載體。由于結(jié)構(gòu)特征及制造工藝方法的不同，機(jī)加、鈑金、復(fù)材、裝配件模型內(nèi)容需要結(jié)合專業(yè)特點進(jìn)行規(guī)范，相應(yīng)的設(shè)計技術(shù)也不盡相同。

2）工藝模型以設(shè)計模型為依據(jù)，根據(jù)零部件工藝過程各工序的需求，由毛坯等多個工序件模型組成。工藝模型實現(xiàn)了上與產(chǎn)品設(shè)計部門的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，下對生產(chǎn)部門、工裝設(shè)計部門、檢驗部門傳遞信息，是從根本上促進(jìn)生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵。

3）工裝模型表達(dá)機(jī)加夾具、成形模具、復(fù)合成型模具和裝配型架的幾何與非幾何信息，用于工裝產(chǎn)品的生產(chǎn)和檢驗等。

圖1 產(chǎn)品模型、工裝模型、工藝模型數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系

全機(jī)工藝模型是對各個制造工藝鏈各個狀態(tài)模型進(jìn)行組織和描述，包含面向下料、加工、連接、檢測等各類工序補(bǔ)充定義幾何和非幾何信息，構(gòu)成完整的制造模型數(shù)據(jù)集，用于產(chǎn)品的控形工裝設(shè)計、數(shù)控編程和檢測（見圖2、圖3）。

1.2 全機(jī)工藝模型數(shù)據(jù)源構(gòu)建方案

圖2 飛機(jī)產(chǎn)品工藝模型信息組織

全機(jī)工藝模型數(shù)據(jù)源的構(gòu)建目的在于從根本上解決飛機(jī)制造過程中的工藝模型數(shù)據(jù)傳遞和管理問題。基于制造模型數(shù)據(jù)源的制造數(shù)據(jù)流如圖4所示。設(shè)計數(shù)據(jù)直接傳遞給數(shù)據(jù)源之后，制造過程的所有零部件設(shè)計數(shù)據(jù)均從制造數(shù)據(jù)源中獲取；工藝設(shè)計和模具設(shè)計均從數(shù)據(jù)源中獲取與其設(shè)計過程相關(guān)的狀態(tài)模型，并將結(jié)果反饋給制造模型數(shù)據(jù)源，使得制造模型數(shù)據(jù)源成為真正意義上的零件制造過程數(shù)據(jù)的“唯一源頭”。

圖3 面向制造的產(chǎn)品三維設(shè)計模型與工藝模型

圖4 基于工藝模型數(shù)據(jù)源的制造數(shù)據(jù)流

數(shù)字化條件下飛機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展，使得工藝模型數(shù)據(jù)管理出現(xiàn)了迫切需要解決的問題。各部門大量的三維模型和數(shù)據(jù)、圖片、文檔等需要有序規(guī)范地組織和應(yīng)用，工藝模型為數(shù)據(jù)的組織提供了一種有效的方法。工藝模型數(shù)據(jù)源是面向制造全過程，將物理上分布于多個數(shù)據(jù)庫中的工藝模型數(shù)據(jù)，經(jīng)過合理地組織形成一個邏輯、物理上單一的數(shù)據(jù)庫，并采用制造模型的組織與管理方法在數(shù)據(jù)之間建立嚴(yán)格的約束，以保證工藝模型數(shù)據(jù)的唯一性、完整性和有效性，為飛機(jī)產(chǎn)品提供工藝模型數(shù)據(jù)。

1.3 全機(jī)工藝模型數(shù)據(jù)集成應(yīng)用

面向制造過程，定義出產(chǎn)品制造需要的工藝模型，構(gòu)建以工藝設(shè)計、工裝設(shè)計、加工、成形、裝配和檢測的全數(shù)字量傳遞的制造系統(tǒng)，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、數(shù)控程編、模擬仿真的一體化和集成化，減少傳遞過程中對延拓信息的增減而帶來對數(shù)據(jù)集的頻繁更改，保證數(shù)據(jù)的一致性與準(zhǔn)確性（見圖5）。

以工藝模型傳遞為特征的飛機(jī)數(shù)字化制造技術(shù)轉(zhuǎn)變主要表現(xiàn)在：

圖5 飛機(jī)工藝模型數(shù)據(jù)集成應(yīng)用過程

1）設(shè)計方法：基于CAD開發(fā)機(jī)加零件、鈑金零件、復(fù)材零件、裝配件、工裝模具的數(shù)字化定義工具，結(jié)合飛機(jī)結(jié)構(gòu)特點制定工藝模型、工裝模型的數(shù)字化建模規(guī)范，支持制造模型規(guī)范化定義。

2）制造依據(jù)：鈑金零件、復(fù)材零件、裝配件，其形狀、安裝定位的工裝模具、型架等，其設(shè)計依據(jù)從設(shè)計模型向工藝模型轉(zhuǎn)變，變革以經(jīng)驗為主的試錯工藝方式，以保證設(shè)計的工裝與產(chǎn)品之間的協(xié)調(diào)性。

3）加工依據(jù)：應(yīng)用裝配過程仿真等虛擬制造技術(shù)，在生產(chǎn)現(xiàn)場變革以圖紙為依據(jù)的制造方式，建立以數(shù)字量為制造依據(jù)的制造和檢測方式，實現(xiàn)加工和裝配過程的可視化、高效化和精密化。

4）制造管理：變革傳統(tǒng)的生產(chǎn)流程，新建適應(yīng)數(shù)字化工藝模型和工裝模型的制造業(yè)務(wù)模式與單源制造數(shù)據(jù)管理方法，實現(xiàn)數(shù)字化制造的信息流、過程流暢通。

2 全機(jī)工藝模型數(shù)據(jù)管理方法

為了對全機(jī)工藝模型數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)有效的管理，通過構(gòu)建人員管理模型、數(shù)據(jù)管理模型和流程管理模型來管理，構(gòu)建符合制造特點、滿足全機(jī)工藝模型定義與應(yīng)用要求的管理模型。

2.1 人員管理模型

飛機(jī)制造是一個多部門協(xié)作的過程，構(gòu)建其人員管理模型，有利于科學(xué)、合理地表達(dá)工藝模型管理的執(zhí)行者。人員管理模型也稱角色-權(quán)限管理模型。飛機(jī)制造過程的實質(zhì)是人員對數(shù)據(jù)處理的過程，在這個過程中人員與數(shù)據(jù)以角色為紐帶連接起來，角色是人員在制造活動中的表征。

定義制造的人員角色及其主要職責(zé)如表1所示。采用“主管—組長—設(shè)計員”的三級角色模型，與企業(yè)制造部門相一致，可以有效地實現(xiàn)全機(jī)工藝模型模型的管理。

表1 制造部門、角色與職責(zé)

針對零部件制造中部門組織與人員角色的特點，工藝模型的管理采用基于規(guī)則的權(quán)限控制方法。結(jié)合制造中數(shù)據(jù)的權(quán)限管理現(xiàn)狀，定義全機(jī)工藝模型管理中文件對象的操作權(quán)限如表2所示。

在全機(jī)工藝模型管理中，將所有與零部件制造相關(guān)的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行集中式管理，便于存取和共享。不僅符合新型號全機(jī)工藝模型的特點，而且滿足了數(shù)據(jù)安全性要求。

表2 工藝模型管理的權(quán)限

2.2 節(jié)點數(shù)據(jù)模型

全機(jī)工藝模型中的數(shù)據(jù)產(chǎn)生于不同的制造環(huán)節(jié)，如下料、成形、裝配等。每個模型下包含三維模型、二維模型、設(shè)計說明等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來源不同決定了數(shù)據(jù)產(chǎn)生的先后順序有別，具有很強(qiáng)的時序性，數(shù)據(jù)類型的不同決定了數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)的差異。

將工藝模型數(shù)據(jù)以“狀態(tài)”為節(jié)點組織起來，即工藝模型結(jié)構(gòu)樹。便于對制造狀態(tài)所包含的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，可以有效地解決零件制造過程中不同階段對數(shù)據(jù)的使用和管理問題。如圖6所示，以成形工藝模型為例構(gòu)建節(jié)點數(shù)據(jù)模型，并詳細(xì)描述了節(jié)點數(shù)據(jù)模型的內(nèi)容。

圖6 工藝模型組織結(jié)構(gòu)

對于不同類型的飛機(jī)零部件，其節(jié)點數(shù)據(jù)模型不盡相同。以面向制造過程、管理方便和工程實用為目標(biāo)，節(jié)點數(shù)據(jù)模型組織原則如下：

1）建立以零部件為根節(jié)點的結(jié)構(gòu)樹，然后在其中創(chuàng)建狀態(tài)子節(jié)點。

2）所有的數(shù)據(jù)都與狀態(tài)版本相關(guān)。

3）狀態(tài)版本中的數(shù)據(jù)對象及其內(nèi)容在創(chuàng)建后按照相應(yīng)流程依次填充。

4）不同的狀態(tài)子節(jié)點之間避免數(shù)據(jù)冗余。

2.3 設(shè)計流程管理模型

工藝模型為工藝和工裝設(shè)計提供單一的工序件數(shù)據(jù)，其應(yīng)用改變了傳統(tǒng)制造的“串行”工作流程，促進(jìn)了制造部門的協(xié)同工作。在分析制造流程的基礎(chǔ)上，以成形件工藝模型的設(shè)計為例，結(jié)合角色-權(quán)限管理模型，建立“設(shè)計-校對-審定”三級設(shè)計流程管理模型。如表3所示。

表3 成形工藝模型設(shè)計流程管理模型

2.4 基于PDM系統(tǒng)的集成應(yīng)用框架

PDM系統(tǒng)是集成并管理與產(chǎn)品有關(guān)的人員、數(shù)據(jù)和流程的軟件系統(tǒng)。其自身強(qiáng)大的功能為其本身與其它應(yīng)用軟件的集成提供了可能。不同的應(yīng)用系統(tǒng)從PDM系統(tǒng)提取各自所需的數(shù)據(jù)，再將結(jié)果返回PDM系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)基于PDM系統(tǒng)的集成應(yīng)用。在本文集成方案中，通過對企業(yè)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行人員、數(shù)據(jù)構(gòu)型和流程的定制開發(fā)，使之滿足全機(jī)工藝模型管理需求，保證制造全過程中工藝模型的一致性管理。

面向不同應(yīng)用的工藝模型，其狀態(tài)信息具有不同的數(shù)據(jù)定義格式，系統(tǒng)間通過數(shù)據(jù)訪問接口實現(xiàn)工藝模型數(shù)據(jù)的傳遞與轉(zhuǎn)換。基于PDM系統(tǒng)的應(yīng)用集成框架如圖7所示。其中，由于產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)管理也是PDM系統(tǒng)，可以實現(xiàn)與工藝模型管理的緊密集成，確保數(shù)字化設(shè)計與制造模型數(shù)據(jù)的一致性。

3 結(jié)語

本文研究了全機(jī)工藝模型建模與管理技術(shù)，研究成果直接應(yīng)用于新型號的工藝模型建模與管理，使得在制造技術(shù)中不僅通過異地協(xié)同平臺使產(chǎn)品設(shè)計和制造在過程上結(jié)合日益緊密，而且通過數(shù)字化制造模型建立起制造域內(nèi)的數(shù)據(jù)源，使產(chǎn)品數(shù)據(jù)在產(chǎn)品設(shè)計、制造工藝設(shè)計到制造工藝過程的一致性得以保證，根據(jù)工藝模型所設(shè)計的成形模具、工藝參數(shù)或加工指令，可以制造出質(zhì)量穩(wěn)定、合格的零件產(chǎn)品，實現(xiàn)型號產(chǎn)品制造的快速化、精確化和節(jié)約化。