三維數字化模式下航天產品工藝設計淺析

趙彥廣，王秀芝

（天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462）

0 引言

隨著近年來航天制造業的迅猛發展，運載火箭研制凸顯出質量高、品種多、任務重、周期緊的行業特點，急需借助數字化制造技術建立起先進的數字化生產制造模式，提升航天制造綜合水平。目前，通過基于模型定義（MBD）技術的應用，運載火箭研制已實現了型號產品的三維數字化設計和三維模型下廠，但產品生產制造環節仍然沒有形成完整的基于三維模型的工藝設計和管理模式，暫未打通數字化制造鏈路，現已無法適應高強度研發和高密度發射的航天任務新形勢。

1 三維數字化工藝

數字化工藝系統起源于計算機輔助工藝過程設計（CAPP），它是數字化制造領域發展最為薄弱的部分之一。工藝設計與管理搭建了設計與制造間的橋梁，產品設計信息通過工藝設計過程才能生成可供制造環節使用的信息，因此工藝設計與管理在實現數字化制造過程中角色十分重要。近年來，隨著基于MBD 技術的CAD／CAM 系統廣泛應用，傳統上基于二維的CAPP 系統已不能滿足數字化制造的發展需求。三維數字化工藝系統是基于MBD 的三維數字化制造體系中的核心部分，從根本上改變了以往二維圖紙作為信息傳遞介質的產品工藝設計與管理過程，工藝人員依據體系和規范，可以直接根據設計三維模型開展三維數字化的工藝方案和工藝過程設計，實現單一數據源管理。

2 數字化制造技術發展現狀

2.1 國際應用現狀

數字化制造是將現代信息技術與制造科學技術深度結合的交叉技術，它不只是生產工具的更新換代，更是對現有生產方式的改變。汽車制造業是數字化制造技術應用較為廣泛和深入的行業。通用汽車公司為了提高知識的可重用性，通過數字化工廠建設實現了已存在工藝設計、規劃和生產線設計等方面的知識共享和重復利用，提高了工藝設計的“一次成功率”；福特汽車公司在數字化制造環境下開展虛擬裝配分析，優化了裝配流程和工序設置，大幅縮減了新車投產周期，并實現了成本控制。

航空航天產業作為典型的離散型工業，也在加緊開展數字化制造技術的推廣應用。以波音、洛克希德·馬丁等為代表的國際航天制造企業在數字化技術應用方面取得了飛速發展，在產品研制過程中通過并行協同技術應用和全過程數字化制造系統的建立，實現了產品的全生命周期集成，通過信息建模、信息處理和仿真分析等提升技術優勢和研制能力，著力發展基于MBD 的數字化制造技術，使數字化互換協調、數字化仿真、三維數字化測量等先進技術得到了廣泛應用，構建數字化生產制造體系，推動航天產業的快速發展。

2.2 國內應用現狀及存在問題

國內航天型號研制一直采用設計與制造分離的研制模式，隨著三維設計技術的廣泛應用，航天型號工藝管理環節逐步形成了以AVIDM、Teamcenter、PPS 等信息化系統為依托的產品技術狀態會簽、傳遞、控制、分發和落實的工藝管理模式，并在個別專業范圍內形成了數字化仿真能力，實現了設計信息和工藝信息電子化，但管理模式實質上仍然停留在基于二維CAPP 系統的工藝設計與管理層面，并且未實現各系統間的深度融合、數據共享，未從根本上改變傳統的工藝管理方式。航天產品工藝設計仍主要靠工藝人員經驗編制工藝指導文件來實現，現有工藝設計系統未對工藝設計規范性進行約束，也未建立必要的知識庫對工藝文件中的關鍵信息進行標準化和規范化管理。產品加工和裝配工藝文件仍采用自然語言＋二維圖示的方式進行表達，不能足夠直觀地表達裝配過程和工藝要求，操作人員需要花費大量時間翻閱圖紙／模型、工藝文件、標準規范等資料去理解和熟悉裝配過程。由于缺少虛擬裝配仿真手段和可視化的裝配過程指導，實際生產過程中更多依賴產品實物試裝和操作工人個體經驗開展工作，易造成理解錯誤、錯裝漏裝等質量不穩定問題。

另外，當前各航天企業均在引入PDM、ERP、MES等信息化系統進行數字化制造平臺建設，但由于各系統間集成度低，實際工藝、生產、質量等各系統信息仍相互獨立，未形成工藝、生產、質量數據鏈路的協同環境。隨著航天制造業的日益發展，建立基于三維數字化的工藝設計與開發、工藝仿真與優化、知識管理與應用為一體的數字化工藝設計與管理平臺需求迫切，也為企業一體化的產品數字化制造平臺建設、真正實現航天產品數字化制造提供有力支撐。

3 三維數字化模式下工藝設計與管理思考

三維數字化工藝設計（如圖1 所示）是工藝人員在三維數字化環境下，以三維產品模型為基礎，建立數字化制造工藝設計與管理方法，通過工藝決策生成工藝信息和三維工藝模型，形成以工藝數字樣機為核心的數字化工藝設計體系。它的目標是以三維模型為基礎，建立數字化工藝設計方法，構建三維數字化設計環境，形成三維數字化工藝用以指導現場生產，提升產品數字化工藝設計水平和型號研制效率。三維數字化工藝便于通過仿真技術驗證工藝合理性，通過提供多個視角的三維工藝信息表達實現工藝過程可視化。三維數字化使工藝設計從基于傳統經驗向基于科學計算發生了巨大轉變，不僅可以大大提升工藝設計的準確性，也轉變了現有工藝設計與管理依賴高素質工藝人員的局面。

圖1 三維工藝設計方法

3.1 三維工藝信息表達

航天產品工藝設計仍然基于二維的CAPP 系統，工藝規程需要采用文字、附圖等形式表達產品配套、制造資源、工序設計、操作要求、檢驗點設置等信息，甚至還要起到質量控制記錄的作用，為了更加全面、細化地描述工藝相關要求，工藝文件編制越來越復雜煩瑣，亟須深入研究基于三維模型的工藝信息表達方式，尋求通過三維工藝模型和視圖建立、動態裝配演示等更直觀地傳遞工藝狀態和要求，實現工藝過程可視化。

三維工藝信息表達基于三維工藝模型建立，解決了二維CAPP 工藝設計手段存在的文件打印歸檔管理、版本控制等問題。三維工藝模型建立是三維設計模型的使用和再設計過程，主要包括工藝模型建立、工藝信息標識、制造資源配置和工藝要求描述等幾個方面：工藝模型建立是基于三維設計模型建立零件毛坯、工藝狀態模型、工序模型等，用于描述特定節點的基礎幾何信息；工藝信息標識主要是添加關鍵尺寸、定位基準、技術條件等非幾何信息；制造資源配置包括工裝、刀具、標準件、輔料等的配套信息；工藝要求描述包括操作流程、操作注意事項、檢驗節點和要求等信息。根據實際信息化硬件建設水平，可進一步對工藝模型進行適當的輕量化處理，只保留生產中需要的可視化信息，提高計算機響應速度。通過上述三維工藝模型的建立，完整地表達出產品制造所需的工藝信息，使三維工藝模型成為指導生產制造過程的唯一依據和標準，不僅集成了二維CAPP 系統的工藝要求內容，同時借助三維設計模型的幾何結構實現了工藝設計可視化。

3.2 基于三維數字化的工藝決策

基于三維模型的自動工藝決策是三維數字化工藝設計的關鍵技術，自動工藝決策主要涉及加工方式選擇、加工工序設置、工藝參數和工藝裝備匹配等項目的選擇決策。傳統的工藝決策方式很大程度上依賴工藝人員的能力和經驗，缺乏對三維設計模型中幾何信息的處理，基于三維模型的工藝決策技術可以形成通用的工藝自動決策功能，基于三維模型開展工藝自動設計和調整，從而實現幫助工藝人員提升工藝設計效率的目的。

工藝自動決策技術是三維數字化模式下工藝設計需著力研究的內容，研究通過三維模型特征和幾何信息的提取，依據產品提取信息生成制造工藝方法，實現工藝方法與制造資源的匹配、制造工序的設計與優化，減少工藝方案出現沖突時造成的工藝設計反復迭代，同時提升了工藝設計工作質量。同時，以人工智能和知識工程相關理論技術為背景，建立依托典型結構特征的工藝信息間邏輯推演關系，實現依據產品特征信息生成制造工藝方法的知識推理，對基于三維數字化的工藝決策將有極大的推動作用。

3.3 三維工藝仿真

三維數字化工藝設計帶來的另一個優勢是可以利用仿真手段驗證工藝設計方案的正確性，數字化仿真模擬技術是提升工藝設計能力的有力手段。隨著科學技術不斷發展，工藝仿真軟件幾乎覆蓋了航天制造的各個專業，如通過CAE 軟件仿真分析箱底充液拉深成形規律或焊接溫度－應力－變形場以迭代優化工藝參數、通過Vericut 開展數控加工路徑的正確性驗證和過切檢查仿真（如圖2 所示）等，對工藝設計過程中尋求“最優工藝參數組合”提供了極大幫助。

圖2 Vericut 數控加工仿真

航天產品系統集成度高，結構復雜，裝配精度高，操作空間有限、難度大，對裝配工藝設計提出了較高的要求，裝配工藝仿真技術應用需求迫切。采用裝配工藝仿真技術可以對裝配過程的夾具設計、裝配順序等進行規劃，采用動態裝配過程仿真為工藝設計人員提供三維虛擬制造環境以驗證裝配過程合理性和裝配方法正確性，提前發現問題、優化工藝設計。同時，采用人機工程仿真（如圖3 所示）評估人體在特定環境下的行為表現，有助于分析裝配工藝設計的人體可操作性和可達性，提前預知安全隱患，減少對實物原型和真實仿真的依賴。

圖3 人機工程仿真示例

3.4 三維工藝數據管理

基于三維數字化工藝設計的工藝數據管理與二維CAPP 模式相比，在工藝知識和資源數據的儲存與管理、共享與應用等方面有很大的區別。三維數字化環境下的工藝數據管理需要更好地以推動制造自動化為目標，首先將工藝數據進行分類細化，將現有產品類信息、工藝類數據、資源類數據等進行結構化收集，建立數據管理標準體系，形成工藝數據基礎庫，為后續的共享、分析和利用做好準備。在工藝數據基礎庫全面準確的基礎上，規范工藝設計過程應用到的各類資源，包括加工裝配設備、工藝裝備、材料屬性、加工方法等的描述與管理，通過對資源進行模板化定義，實現工藝設計和制造信息的統一管理，提升資源信息引用的高效性、規范性。

在上述工作基礎上，開展典型工藝范例的建立與管理，參照產品類型和特點設計相應的典型加工或裝配工藝范例，使工藝人員在工藝設計過程中可作為模版重復使用，提升工藝設計工作的標準化和規范化程度。同時，開展基于規則索引的工藝推理方法，建立規則索引推理機制，將產品結構特征和工藝方法與資源配置進行有機對應結合，通過系統智能學習提升工藝決策能力，支撐系統為工藝人員推薦工藝數據庫中最合理的工藝方法、最優的工序排序和最合理的制造資源配置，提高工藝數據的提取、存放、管理和應用水平。

4 結語

三維數字化產品設計在航天制造領域已得到較為廣泛的應用，為適應航天產品研制模式轉變，工藝設計和工藝管理向數字化、信息化發展已成為必然趨勢，可視化的三維工藝設計信息表達、自動化的工藝決策方式、便捷可靠的工藝仿真分析和單一源、標準化的工藝數據管理，將為打通航天產品全三維數字化設計、制造鏈路提供更加智能、高效、可靠的解決途徑。