基于模型的研制模式下知識化工藝設計技術研究

吳興杰，董 磊，王 森，陶九超，黃東平

（金航數碼科技有限責任公司，北京 100028）

0 引言

在航空制造領域，構成產品的零部件復雜且數量多，具有“多品種、小批量”的特點，且處在研制階段的零部件的更改頻繁。如何在有限的周期內完成大量的零部件工藝設計任務是當前型號工藝研發面臨的一項重要課題。因此提高計算機輔助工藝設計工具（CAPP）的知識化、智能化程度，以幫助工藝人員更加高效、高質量的完成工藝設計工作是CAPP發展的重點。

為此，國內外學者對利用工藝知識進行智能化工藝設計進行了大量的研究。文獻[1]提出建立三維關聯的數控工藝集成信息模型，以加工特征信息為輸入，通過規則庫中的加工方法與加工特征對應關系進行智能工藝設計；文獻[2]提出根據工藝問題的相似性，采用工藝實例推理方法，在一定程度上模擬工藝專家完成工藝參數優化決策。文獻[3]利用成組技術進行工藝派生的方法。在工藝輔助設計應用方面，國內各航空制造單位，也都上線應用了CAPP工具進行工藝指令或者工藝規程的編制，且CAPP的數據格式也從非結構化的卡片式轉變為結構化數據。而且，隨著數據管理手段和知識工程技術發展，企業也意識到知識積累的重要性，建立了各類資源庫和知識庫，但是當前還停留在知識積累層面，對于如何以知識化的手段有效的幫助工藝人員進行快速工藝設計尚處于探索階段。究其原因，其一，知識的抽取與積累并沒有有效的解決手段，依靠人工維護工藝知識工作量大、難度高；其二，資源庫中的數據并沒能有效的集成應用到工藝設計工具中，往往只是提供查詢、瀏覽功能；其三，上述研究和應用沒有有效解決以設計設計模型作為輸入進行工藝知識的自動匹配和推理問題。本質是通過對設計模型進行分析與識別，根據設計元素和要求匹配工藝知識的過程，而基于模型的定義（Modelbased definition，MBD）技術為設計模型的分析與識別提供了基礎。

近年來，基于模型的定義技術在設計領域深度應用的基礎上，逐步向產品研制的下游擴展，強調MBD信息的重復利用和基于模型定義制造信息。本文提出在基于MBD的研制模式下通過提取產品設計模型中的MBD數據元素，并對由MBD數據元素描述的零件特征進行編碼，實現零件特征的標識。在此基礎上，一方面通過基于零件特征矩陣進行相似度計算，匹配相似零件的歷史工藝實例數據，從中檢索工藝設計結果進行推薦；另一方面通過工藝規則進行工藝參數的推導。從而實現工藝路線、工藝規程、工藝資源、工藝參數的智能化推薦，幫助工藝人員進行快速工藝設計。

1 MBD技術在數字化研制中的應用

MBD技術是實現數字化產品定義（DPD）的先進手段，將產品的各類信息按照模型化的方式進行組織，支撐了基于模擬量傳遞的產品研制模式向基于數字量傳遞的數字化研制模型的轉變。近年來，MBD技術的內涵和應用也逐步從設計端向制造端、服務端擴展，美國國防部提出了MBE－基于模型的企業的概念。基于模型的企業強調在下游的流程和應用中對MBD模型進行最大程度的重用，以支撐在企業乃至供應鏈范圍內建立一個以MBD為統一產品數據定義語言的協同環境。

MBE的核心是MBD，模型一次創建、多次重用，MBD模型貫穿于產品的概念、設計、制造、維護等整個產品生命周期。在MBE體系中基于數字量傳遞的數據信息存在于以MBD為核心的技術數據包（TDP）中。TDP技術數據包的傳遞過程強調模型被創建一次，然后在整個設計過程中進化，而不是在每一步重復它。例如將基于MBD模型產生3D技術數據包（TDP）傳遞到生產乃至供應鏈，并在向下傳遞的過程中不斷豐富TDP數據的內容。究其本質是基于模型的定義技術具有規范化、消除二義性、可仿真、可驗證、可視化、可自動生成文檔，且其底層封裝的特點便于異構系統間的統一理解，這也是本文通過識別MBD信息進行知識化的工藝設計的一個理論基礎。TDP生成的自動化程度及其重用程度在MBE的能力評估體系中是一項重要指標，而本文基于MBD進行工藝設計數據知識化生成的研究也希望能夠為關于TDP自動生成的研究提供一定的思路。

如圖1所示，對于模型的信息的應用、解析、提取在研制的各個階段提供統一模型的不同視圖，以滿足研制過程中不同階段、不同專業對產品數模信息的不同層次的使用需求。

2 基于MBD的工藝知識應用研究

在產品研制的全生命周期實現基于模型的數字量的傳遞使得數據在統一的語義及規范下進行傳遞，有利于消除數據在上下游流通過程中的二義性，增強型號研制數據對于研發人員、管理人員以及計算機的可讀性。模型中關于產品信息的表達采用結構化、規范化、形勢化的表達方法，為模型信息的統一提取提供了必要條件，而上游模型信息的計算機自動提取與結構化解析是下游基于模型信息進行知識應用的基礎，本文主要對利用MBD技術定義的產品信息可以進行提取與分析的特點進行知識化的工藝設計進行論述。

MBD模式規范了產品零部件設計信息的表達形式，MBD以模型化、結構化的方式定義設計信息，在此基礎上各行業一般都制定了MBD應用規范。規范化、形式化的產品信息表達形式為設計模型的信息提取提供了基礎。對于基于設計信息作為輸入進行知識化的工藝設計，推導工藝路線和工藝參數來說還需要積累和梳理基本工序、典型工藝路線、工藝參數，形成數據庫，作為知識匹配和推理的數據支撐。對于工藝參數來說往往由一系列的加工特征和要求決定，設計特征的相似度匹配不能充分體現制造資源、環境、時間要求等限制，所有只應用相似性匹配往往不能充分滿足工藝參數的知識化設計需求，因此需要在相似度匹配進行基礎工藝參數推薦的基礎上，充分基于設計輸入、制造要求等事實數據匹配適合的規則進行推理，推導出更為全面的工藝參數。對工藝路線、工藝參數、工序模型、工藝資源進行合理的組織形成基于PPR的MBD工藝模型。

圖1 基于模型的產品研制模式

如圖3所示，首先通過對MBD模型進行解析，對特征進行提取，將提取到的特征在特征庫進行匹配并編碼，在此基礎上對于該零部件的特征組形成特征組編碼。基于特征組編碼在典型工藝庫匹配相似的典型工藝，匹配過程可以通過將特征組編碼轉成特征矩陣計算特征相似度，挑選相似度高的典型工藝，工藝員在此基礎上進行選擇或者調整，形成工藝路線和初始的工藝參數。在此基礎上，在推理規則庫中調用推理規則,并將零件特征、工藝路線、工藝參數、工藝資源等事實數據與推理規則進行匹配與執行，得出推理結果，推理結果一般也為代表工藝資源具體規格的編碼和加工參數的編碼，根據編碼在工藝參數庫中檢索工藝資源規格和加工參數的具體內容。

圖2 基于MBD的工藝知識應用

3 基于MBD的知識化輔助工藝設計

3.1 工藝設計過程分析

工藝工作包括頂層工藝策劃、各專業工藝規劃、詳細工藝設計、現場工藝問題解決等，工藝策劃工作主要包括工藝方案的設計、車間分工、工藝分離面的重構、以及跨車間的工藝協調。詳細工藝設計是工藝準備的主要工作，包括工藝流程的設計，交接狀態的協調，工裝、工具等制造資源的申請，工藝規程的編制等。本文主要論述工藝知識在編制工藝規程過程中進行工序流程設計、工藝參數設計、工藝資源選配過程中的應用，如圖4所示。

圖3 工藝設計過程分析

圖4 基于MBD的工藝知識推薦技術基本邏輯

上述操作通過工藝員的經驗進行，某些企業也編制過典型工藝手冊，具有一定的指導意義，但是通常比較陳舊、粗略或者不全面，而且查閱不便，并不能有效的幫助工藝員快速確定工藝設計文檔的內容。

通過分析上述過程，可以得出工藝設計這一活動的輸入輸出信息如下：

1）輸入是設計MBD模型，包含零部件的幾何特征和非幾何特征（零件類型、材料、精度要求、技術要求等信息）。

2）約束是代表當前工藝能力的工藝資源，包括車間布局、設備、工裝等。

3）輸出是作為工藝設計成果載體的工藝模型。

3.2 基于MBD的知識化工藝設計技術路線

本文提出通過應用特征識別和MBD信息提取技術，將需要進行工藝設計的零件特征元素與歷史數據中零件的數據元素進行匹配，并且從歷史工藝文件中的篩選出工藝信息推薦給工藝人員，輔助工藝人員進行智能化快速工藝設計。基于MBD的工藝知識推薦技術基本邏輯如圖5所示。

圖5 MBD數據元素構成

但是由于零件MBD數據元素的種類較多，而且歷史數據龐大，對于數據的過濾與匹配造成了難度，針對上述問題可以通過如下方式解決：

1）通過CAA開發自動提取零件的MBD特征元素。

2）通過對MBD數據元素進行編碼，提高匹配效率。

3）建立工藝實例數據倉庫，積累有效數據，剔除垃圾數據。

4）進一步建立典型工藝數據庫，縮小數據范圍。

3.3 MBD數據元素及其自動提取技術

現階段MBD技術在我國航空企業得到了全面的應用，工藝設計的輸入信息大部分包含在產品模型數據中。MBD設計模型主要由幾何信息和非幾何信息構成，幾何信息包括幾何模型與輔助幾何，非幾何信息包括屬性和工程注釋信息。MBD數據元素的構成如圖6所示。

圖6 MBD非幾何信息

非幾何信息主要包括零部件屬性信息和工程注釋，可以在MBD模型中可以提取到的詳細內容如圖7所示。

圖7 零部件幾何特征

幾何信息主要由裝配件的連接信息和位置矩陣信息以及零部件模型的實體特征信息構成，主要信息如圖8所示。

圖4中工藝設計需要的輸入數據，可以通過提取產品的MBD非幾何信息和識別幾何特征獲得。通過CAA二次開發編程的方式進行提取，一方面基于CATIA V5數據對象屬性，提取CATIA V5模型的非幾何信息；另一方面利用特征識別技術對提取零件的加工特征。利用XML語言進行屬性和特征的映射，并通過對XML數據的解析保存到數據庫中，供后續工藝業務活動進行查詢和引用的效率。如圖9所示。

對于MBD數據元素的提取包括兩部分：

1）對零件屬性信息、結構樹上的信息以及標注信息進行提取，以結構化的形式保存。

圖8 MBD數據元素提取

2）對零件進行特征識別，以特征代碼的形式，將結構化數據保存到數據庫。但是目前對于幾何特征的識別的往往還是局限在孔、槽、腔、肋、回轉體、曲面等典型特征。

4 基于MBD數據元素的零件特征編碼

4.1 零件特征編碼的必要性

圖9 零件特征編碼

隨著兩化融合的推進，數字化技術在型號研制中的應用，產生了“海量”的業務和系統管理數據。海量數據的有效利用和管理面臨如下問題：

1）數據結構化與非結構化并存，某些業務數據未實現精細化、規格化管理；

2）數據的有效性、制造對象、資源對象的狀態難以在多個系統間及時同步；

3）數據存在多頭管理的問題；

4）多網（局域網、工控網、商網）并存狀態下的數據安全管理。

因此，如何把海量信息整理歸檔、從中過濾掉無效的信息、發現有用的知識，提高信息利用率[4]，是亟需解決的問題。把零件的結構特征、屬性信息進行編碼就是一個很好的選擇。本文把對構成MBD數據元素的非幾何信息和幾何特征統稱為零件特征，將MBD信息數據元素進行編碼定義為零件特征編碼，以實現數據的精細化管理。采用零件特征編碼具有以下幾個主要作用：

1）編碼作為系統識別某一對象的唯一依據；

2）相同的編碼信息可以避免重復存儲[5]；

3）編碼是實現數據標準化管理的有效手段；

4）編碼可建立對所描述對象的復雜屬性的簡單描述，便于計算機識別，是基于特征進行匹配與推理計算的必要基礎。

4.2 零件特征編碼方法

通過對航空產品零件信息進行梳理，統籌工藝設計對信息的需求，結合企業現有編碼體系和應用習慣進行編碼，編碼規則優先使用數字，需準確、易識別并便于管理，并保證編碼合理性、規范性、簡易性和無二義性，同時考慮編碼的可擴展性[6]。我們將包括幾何特征和零件屬性的MBD數據元素統稱為零件特征，并且對零件特征編碼按照“主碼 +輔碼”方式設置，每個碼段又分為“基本碼+可變碼”。具體含義如下：

1）屬于基本碼的碼段用于標識零件的基本特征，包括主要的形狀特征和基本管理屬性，如零件類型、名稱、材料等；

2）屬于可變碼的碼段用于表示零件的動態特征，如有效性、成熟度等情況；

3）輔碼用于對零件特征或者附加特征進行補充描述。

通過對零件特征進行編碼，可以建立對零件幾何實體特征和文本屬性的標識和索引，從而快速、準確的按照零件的相似性對其工藝進行查詢和匹配（應用結構相似、特征相似、屬性相似的零件具有工藝相似性的特點）。并且可以為建立零件特征的邏輯關系打下基礎。本文建議以十五碼段編碼方式，如圖10所示，企業也可以根據自己的需求進行調整。

現階段航空企業通常對零件類型、材料、關重特性等都進行了編碼，建議相應碼段的編碼方式復用這些規則。

上文提到對于零件的MBD數據可以通過基于CAA二次開發提取到數據，開發自動編碼功能對于這些特征元素根據編碼規則進行自動編碼，避免人工編碼工作繁重、低效、重復、易錯的問題。

5 工藝知識庫

實現工藝路線、工藝規程、工藝資源的知識化設計，需要查詢到相似零件的相關工藝數據進行匹配和推理，因此需要進行基礎數據的積累，構建工藝知識庫。根據工藝數據的匹配需求，構建典型工藝庫、工藝實例數據倉庫和工藝資源參數庫。

5.1 典型工藝庫

對于一些形狀特征、材料、技術要求相似的零件，其工藝路線往往相似，將這些零件歸為一類，并將有通用性的工藝規程保存下來，供工藝人員在工藝設計時使用。典型工藝庫可固化并重用典型工序、典型工序及典型工藝內容。用于規范典型工藝、典型工序的積累、管理、查詢、應用。能夠有效提高工藝設計工作與工藝文件的標準化，縮短工藝設計工作的周期。

通過對零件MBD數據元素編碼的匹配，向工藝員推送相對應的典型工藝，根據具體零件的特征，對典型工藝進行少量的增刪改的修訂，從而快速的完成工藝文件的編制。典型工藝的構建方式如下：

1）復合零件法，復合零件是指包含其零件族中所有幾何特征和工藝特征的零件。可以是零件族中最復雜的真實零件，也可以是包含上述全部特征的虛擬零件。

2）復合路線法，復合路線法是指對該零件族中所有零件全部工序進行匯總和梳理構成的工藝路線。

5.2 工藝實例數據倉庫

當在典型工藝庫中無法匹配到某一零件的工藝設計數據時，需要擴大搜索范圍到大量的歷史工藝文件中進行檢索。然而，如果在所有的歷史文件中進行檢索，給服務器帶來難以承擔的負載，而且速度和效率降低。因此，借鑒數據倉庫的思想，將具有一定代表性的零件工藝文件的實例，導入到工藝實例數據倉庫中。工藝實例數據倉庫中的數據來源包括：

1） 歷史工藝文件中具有代表性的工藝設計成果；

2） 由主管工藝根據主營產品特點、企業標準、生產情況整理的具有一定代表性的工藝文件；

3）工藝實例數據會隨著型號研制的增多進行積累，也包括基于知識化應用新編制的具有代表性工藝實例。

利用工藝實例進行快速工藝生成的查詢效率雖然比典型工藝低，但是對于多品種、小批量的航空企業，不可能所有零件都可以匹配到典型工藝。應用匹配工藝實例的方法再進行一定的增刪改的修訂，相比完全的人工編制，可以提高效率和質量。

5.3 工藝資源參數庫

首先在工藝資源庫中，對工裝資源的數據進行梳理，不僅對管理信息進行維護，且通過動態建模的方式，對于各類工裝的特有的屬性進行維護。從而對其適用的工藝方法、加工特征等都可以進行結構化管理，建議對工藝資源及其屬性也進行編碼，以便進行工序和工藝資源的推理與推薦。

圖10 工藝資源參數

6 工藝方案的匹配與推薦

以零件工藝為例，工藝的匹配和推薦是指利用零件結構、材料等特征的相似性，判定零件工藝的相似性，進而為工藝員推薦可復用的工藝。主要考慮的因素包括：

1）零件結構：形狀、尺寸、精度；

2）零件材料：材料種類、毛坯種類、熱處理、制造方式；

包括推薦工藝的工序順序、加工設備、工裝、注意事項等。

工藝文件的檢索技術已經比較成熟，然而根據零件信息和已有的歷史數據中進行相似度的計算，推薦最優典型工藝的過程相對比較復雜，需要一定的計算和推理，為了便于相似度的計算把零件特征編碼構建成為特征矩陣，并對每個碼段設置權重。

圖11 工藝匹配與推進流程

通過工藝匹配與參數化規則推理主要實現：

1）車間分工路線的推薦，分工人員在進行工藝分工時，系統會根據零件的特征編碼推薦該零件的最優車間分工路線，工藝分工人員可進行交互式的選用和調整。

2）工藝路線的推薦，工藝設計人員在進行零件的加工工藝路線設計時，系統可以根據零件的特征組編碼去匹配工藝路線供工藝設計人員選用。

3）典型工藝的推薦，工藝員在編制工藝時，在工藝文件編制工具根據零件的特征編碼進行相似度技術與查詢，向工藝員推薦適用于該零件的典型工藝，工藝員在此基礎上進行調整與修改，即完成了工藝的派生。

圖12 自動推薦適配的典型工藝供選擇

圖13 基于規則推理的工藝參數推薦

4）工藝參數的推導，基于基本的工藝路線與加工特征的要求，在規則庫中匹配規則，通過規則引擎推算加工工序的工藝參數。基于規則對MBD信息作為輸入推導工藝參數的過程是由事實驅動，不斷應用規則得出結論的過程，這個過程為正向推理，也稱為演繹法。本文推薦應用RETE算法進行事實與規則的匹配，RETE算法是一個高效的演繹法推理算法，其原理如下圖所示。首先構建匹配網絡，通過遍歷工藝參數推理規則集，并將規則中的所有模式（條件）在Alpha網絡中建立節點，將Alpha網絡中的節點在Beta網絡中構建合并節點，最后也將規則中的結果封裝成Beta網絡中的終端節點，形成完整規則。然后進行規則匹配與推理執行，將事實集中的MBD信息、制造資源等事實數據對象沿著Alpha網絡中的節點進行判斷，直到Beta網絡中進行合并，最終到達終端節點，形成可執行的規則集合，在進行規則的沖突解決后執行規則，得出推理結果。原理如圖14所示。

5）工藝資源的推薦，工藝資源的推薦需要結合歷史工藝文件中的數據和工藝資源庫進行。一方面檢索相似零件所用工裝，確定應用工裝的類別和范圍；另一方面通過建立工藝資源庫，并對工裝參數和工藝方法進行梳理和結構化，然后根據所工藝路線與加工零件的特征參數基于規則進行推算，進而推薦所需的工藝資源。

例如對于某工步中所用刀具的推薦，其實現思路如下：

圖14 零件加工特征

工藝員根據推薦的典型工藝，確定工序內容后，系統根據加工特征及工件材料、粗糙度要求等信息（體現在計算機系統中為特征矩陣），且刀具的選擇很大程度上取決于所選用的工藝，因此在進行匹配時還需對當前工序內容進行語義分析，然后根據這些信息進行匹配和推理，在工藝資源庫中檢索適合的刀具進行推送。如表1所示。

表1 刀具參數推薦示意

當用戶在資源庫選擇刀具時，系統自動為針對工步匹配適合的刀具，縮小范圍。

圖15 推薦刀具

對于其他工藝資源可以采用相同的原理，模擬人工選配工裝的過程，基于歷史數據分析和工裝匹配規則輔助進行工藝資源的選擇，提高工藝編制過程中選擇工裝的準確性和效率。

7 結語

在基于模型的定義技術支撐的研制體系下，應用知識工程的一些技術，進行智能化的工藝設計是本文研究的重點。通過自動抽取MBD數據元素，并進行自動編碼，構建零件特征矩陣進行相似性計算和規則推理的方式對工藝參數進行推理，從而智能化的輔助工藝人員進行快速工藝設計的技術。構建支持推理和推送的智能化的工藝設計知識集成應用系統還有大量的研究和開發工作需要做。本文提出如下建議：

1）對工藝資源數據建立模型化、標準化的管理方式，不但要結構化其管理屬性，更有深究其適用范圍、加工參數、適用的工藝方法等內容；

2）建立工藝術語庫，梳理工藝設計本體知識，構建標準化的工藝表述體系，并且研究語義分析技術和高效率的匹配算法；

3）在系統建設開發時，要考慮工藝知識數據結構的擴展性，考慮知識庫、其他業務系統、工具的集成應用關系，避免形成數據“孤島”。