綜合化三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究與實(shí)踐

劉春鋒，汪建東，鄭堂介，廖建華

（中航工業(yè)洪都 江西南昌330024）

0 引言

工藝設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造之間的橋梁，它繼承產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)果，形成適用、可實(shí)現(xiàn)的操作方法和工藝準(zhǔn)備要求，從而指導(dǎo)生產(chǎn)。

目前，航空產(chǎn)品設(shè)計(jì)輸出已經(jīng)歷了從以“2D工程圖樣”為核心，到以“3D模型＋2D工程圖樣”為核心，最終發(fā)展為以“MBD數(shù)據(jù)集”為核心的不同階段，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化產(chǎn)品定義DPD （Digital Product Definition）。其中，基于模型的定義MBD（Model Based Definition）是DPD的一種特殊形式，能夠有效保證單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源SSPD（Single Source of Product Data）。

在工藝設(shè)計(jì)與管理方面，數(shù)字化、信息化也正逐步拓展。 工藝人員從數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)PDM中獲取產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息，在CAPP系統(tǒng)開(kāi)展工藝設(shè)計(jì)核心工作，并提交相關(guān)系統(tǒng)。 另外，數(shù)控機(jī)加仿真、裝配工藝仿真、鈑金成形仿真等數(shù)字化仿真軟件已在型號(hào)研制中廣泛應(yīng)用，能夠輸出直觀的、量化的結(jié)果指導(dǎo)操作。

隨著工藝設(shè)計(jì)輸入輸出方式的改變及工藝技術(shù)能力的提升， 工藝設(shè)計(jì)與管理方法也必須進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)變。

1 CAPP應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

目前的中航CAPP系統(tǒng)提供了工藝指令設(shè)計(jì)環(huán)境， 并與相關(guān)系統(tǒng)集成， 設(shè)計(jì)過(guò)程能夠選取設(shè)計(jì)依據(jù)、工藝指導(dǎo)文件、參裝零件等，最后將設(shè)計(jì)結(jié)果提交審批、發(fā)布，基本滿足型號(hào)日常生產(chǎn)需求，但仍是以指令編制與維護(hù)為核心業(yè)務(wù)的系統(tǒng)，在業(yè)務(wù)覆蓋、系統(tǒng)先進(jìn)性等方面仍具有局限性。

隨著數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造和信息化技術(shù)的深入應(yīng)用，CAPP系統(tǒng)呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢(shì)：

1）綜合化：主要是指CAPP系統(tǒng)業(yè)務(wù)范圍的不斷拓展和深入應(yīng)用過(guò)程中系統(tǒng)功能的完善， 是系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)展的必然方向。

2）集成化： 基于網(wǎng)絡(luò)， 與其它信息系統(tǒng)深度集成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)提取與交互。例如CAPP系統(tǒng)不僅限于文件編制，還要能夠?qū)崟r(shí)掌握文件審簽、指令執(zhí)行等情況，這些功能均由其它系統(tǒng)控制。

3）三維化：通過(guò)將產(chǎn)品制造過(guò)程形象化的展示，體現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)思路與方法， 最大化的發(fā)揮產(chǎn)品MBD設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，承接三維模型，輸出更易于理解的工藝指令，增強(qiáng)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)操作的指導(dǎo)能力。 同時(shí)，通過(guò)實(shí)時(shí)分析、測(cè)量等實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)從“定性”到“定量”的提升。

4）智能化： 智能化是CAPP系統(tǒng)的終極目標(biāo)之一，簡(jiǎn)單說(shuō)就是實(shí)現(xiàn)工藝方法的智能決策。 智能化的基礎(chǔ)是基于知識(shí)分析、決策的知識(shí)復(fù)用，它需要內(nèi)容豐富的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)支撐， 需要有科學(xué)的數(shù)據(jù)管理方法，需要準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析、篩選技術(shù)及正確適用的推理、決策方法等，且需根據(jù)業(yè)務(wù)范圍不同進(jìn)行針對(duì)性分析、開(kāi)發(fā)與完善。 智能化對(duì)充分利用產(chǎn)品和企業(yè)的全面數(shù)據(jù)進(jìn)行工藝規(guī)劃、 改進(jìn)工藝方案的可行性和設(shè)計(jì)效率等都有重要意義，是一項(xiàng)涉及多學(xué)科的、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的技術(shù)。

2 CAPP綜合化需求分析與實(shí)踐

從橫向看，CAPP系統(tǒng)應(yīng)拓展應(yīng)用范圍，逐步覆蓋產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)的完整業(yè)務(wù)工作。 目前國(guó)內(nèi)航空主機(jī)制造廠工藝設(shè)計(jì)仍以二級(jí)管理模式為主， 一般按方案設(shè)計(jì)階段和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行區(qū)分， 而中航CAPP系統(tǒng)仍主要以指令編制與維護(hù)為核心， 僅包含了詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的主體內(nèi)容，還需進(jìn)一步細(xì)化、豐富詳細(xì)設(shè)計(jì)的工作，并增加方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容。

從縱向看， 各專業(yè)對(duì)CAPP系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的需求和進(jìn)度存在較大差異，對(duì)系統(tǒng)的應(yīng)用深度也不盡相同，因此需結(jié)合專業(yè)發(fā)展和業(yè)務(wù)需求進(jìn)行針對(duì)性的工作。另外，在知識(shí)管理方面，知識(shí)復(fù)用是系統(tǒng)集成化的目的，同時(shí)又是系統(tǒng)智能化的關(guān)鍵所在，而知識(shí)復(fù)用的基礎(chǔ)是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)， 對(duì)于工藝設(shè)計(jì)來(lái)講CAPP系統(tǒng)在此方面有數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)，因此，結(jié)合CAPP開(kāi)展工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)也是一項(xiàng)意義深遠(yuǎn)的工作。

針對(duì)上述兩方面需求， 在綜合分析工藝設(shè)計(jì)工作的業(yè)務(wù)流程與具體活動(dòng)的基礎(chǔ)上對(duì)中航CAPP系統(tǒng)進(jìn)行拓展開(kāi)發(fā)。 具體操作時(shí)，先按專業(yè)分析工藝設(shè)計(jì)工作內(nèi)容（如圖1），重點(diǎn)明確各項(xiàng)工作的輸入、輸出，再將各專業(yè)的輸出成果分類整理， 分析需要在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容及具體實(shí)現(xiàn)方法。 策劃過(guò)程中，盡可能減小工藝設(shè)計(jì)的勞動(dòng)量， 提高信息的一致性和正確性，如對(duì)于零組件信息、編制依據(jù)、文件編號(hào)等輸入信息盡可能采取引用方式獲取。

圖1 裝配工藝設(shè)計(jì)工作示意

按此思路， 最終將工藝設(shè)計(jì)活動(dòng)的結(jié)果分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)并分別制定解決方案，在系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)時(shí)按照現(xiàn)行管理模式進(jìn)行區(qū)分， 同時(shí)結(jié)合工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與實(shí)施， 開(kāi)展了CAPP系統(tǒng)綜合化應(yīng)用需求分析與開(kāi)發(fā)。

2.1 結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)解決方案

工藝設(shè)計(jì)輸出經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期累積， 多數(shù)已形成確定的表單， 此類文件包含的信息可在信息系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)，在CAPP系統(tǒng)中編制、管理也比較容易。

以零組件交付要求為例， 首先根據(jù)現(xiàn)有表單進(jìn)行分析并優(yōu)化設(shè)計(jì)，明確文件需要包含的信息，并按已有信息和新增信息進(jìn)行區(qū)分，如表1。 開(kāi)發(fā)時(shí)，零件圖號(hào)、 名稱、 版次等已有信息均從CAPP系統(tǒng)自動(dòng)給出，文件編號(hào)、頁(yè)次等由系統(tǒng)按照規(guī)則自動(dòng)給出，制造單位、 制造單位信息由工藝人員根據(jù)分工和需求選取，制造依據(jù)、起止架次根據(jù)設(shè)計(jì)信息和產(chǎn)品生產(chǎn)計(jì)劃等選取， 工藝人員主要填寫(xiě)交付要求說(shuō)明并附圖表示，其中附圖采用三維展示。

上述信息完整后， 提交相關(guān)系統(tǒng)審批并反饋審簽信息， 最后在CAPP系統(tǒng)中即可查看零件交付要求表單的完整信息。

以表單形式展現(xiàn)的工藝文件，因其內(nèi)容、格式較為固定，便于進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)導(dǎo)航，通過(guò)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)操作方法的指示和提醒， 提高工藝設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，以及系統(tǒng)的智能化程度。

表1 零件交付要求內(nèi)容示意

2.2 非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)解決方案

方案設(shè)計(jì)階段有部分工藝文件章節(jié)、條目多變，插圖、列表也具有不確定性，難以進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，此類文件多為文檔形式，如零件制造方案。 經(jīng)過(guò)對(duì)文件編制特點(diǎn)分析，設(shè)計(jì)了“文件模板”和“文件維護(hù)”工具。 經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化部門(mén)認(rèn)可的工藝文件模板由指定人員上傳到CAPP系統(tǒng)中，規(guī)范文件格式，如圖2。文件編制、維護(hù)界面為文檔形式，采用B/S架構(gòu)在網(wǎng)頁(yè)上添加、編輯、提交，保證數(shù)據(jù)唯一性，文件編制完成后提交相關(guān)系統(tǒng)審批。

圖2 工藝文件模板添加

2.3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)建立

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)框架設(shè)計(jì)時(shí)， 首先收集需要納入管理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)不同數(shù)據(jù)類型進(jìn)行分析、梳理、總結(jié)、歸納，并考慮基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的應(yīng)用流程與場(chǎng)景及其與其它信息系統(tǒng)的集成關(guān)系， 最終規(guī)劃設(shè)計(jì)出組織科學(xué)、層次分明、易于使用的條目框架，如工藝知識(shí)庫(kù)、資源庫(kù)、參數(shù)庫(kù)等，如圖3。

圖3 工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)框架示意圖

在測(cè)試開(kāi)發(fā)過(guò)程中， 對(duì)CAPP系統(tǒng)已存在的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息采取引用方法進(jìn)行整合優(yōu)化， 為新增信息設(shè)計(jì)了采集輸入方法及數(shù)據(jù)審簽管理流程， 典型工藝術(shù)語(yǔ)庫(kù)如圖4。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)便易用的數(shù)據(jù)引用方法，工藝設(shè)計(jì)過(guò)程可根據(jù)需要，快速使用，以提高效率和質(zhì)量。

3 CAPP三維化需求分析與實(shí)踐

目前，中航CAPP系統(tǒng)并未真正實(shí)現(xiàn)三維化，因此工藝設(shè)計(jì)不僅不能充分發(fā)揮產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，還造成工藝設(shè)計(jì)自身工作量的增加。 以裝配指令A(yù)O編制為例，需要在文字描述的同時(shí)附圖說(shuō)明，而且圖片需要截取和編輯，工作效率低，尤其是連接信息的標(biāo)注等十分繁瑣，是工藝設(shè)計(jì)工作的瓶頸之一。

為此， 通過(guò)與相關(guān)工具軟件的集成對(duì)中航CAPP系統(tǒng)進(jìn)行了三維化改造，并形成了典型工作方法。 以AO編制為例，每一步工序?qū)?yīng)一個(gè)視圖，整本AO對(duì)應(yīng)一個(gè)完整的動(dòng)畫(huà)，視圖、動(dòng)畫(huà)均可在三維可視化區(qū)域展現(xiàn)，且能夠調(diào)整大小、視角及進(jìn)行尺寸測(cè)量等，如圖5。

圖4 工藝術(shù)語(yǔ)示意

圖5 三維化工藝指令設(shè)計(jì)界面

在測(cè)試開(kāi)發(fā)過(guò)程中， 三維化主要針對(duì)工藝指令開(kāi)展， 經(jīng)過(guò)改造的CAPP系統(tǒng)能夠最大化的延續(xù)并發(fā)揮產(chǎn)品三維化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)， 直觀的展現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)思路，輸出更易于理解的工藝指令，增強(qiáng)了工藝對(duì)實(shí)際生產(chǎn)操作的指導(dǎo)能力。 同時(shí)，系統(tǒng)能夠部分集成工藝仿真結(jié)果， 改變了工藝仿真僅停留在工藝人員層面而不能傳遞到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著產(chǎn)品研制方式的改變及相關(guān)信息化技術(shù)手段的提升，CAPP系統(tǒng)功能的拓展、展現(xiàn)形式的變化是必然趨勢(shì)。 因此，需及早規(guī)劃、科學(xué)分析、逐步完善CAPP系統(tǒng)功能。本次通過(guò)在中航CAPP系統(tǒng)上進(jìn)行的綜合化、三維化測(cè)試開(kāi)發(fā)，使系統(tǒng)功能得到了拓展，系統(tǒng)展示能力、易用性也有提升。 但因周期、型號(hào)應(yīng)用等因素影響，上述開(kāi)發(fā)仍處于系統(tǒng)原型，與工程化應(yīng)用還有距離，還需從以下幾個(gè)方面開(kāi)展工作。

首先，盡快開(kāi)展拓展應(yīng)用與開(kāi)發(fā)，使CAPP系統(tǒng)涵蓋工藝設(shè)計(jì)的主體內(nèi)容。 工藝設(shè)計(jì)工作存在內(nèi)容多樣、專業(yè)差異大等特點(diǎn)，測(cè)試開(kāi)發(fā)僅針對(duì)典型工作開(kāi)展還不夠，需盡快開(kāi)展相關(guān)工作，進(jìn)一步分析業(yè)務(wù)需求，解決數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)集成等問(wèn)題，完善開(kāi)發(fā)內(nèi)容，開(kāi)展工藝技術(shù)人員三維指令制作方面的能力培養(yǎng)，在型號(hào)研制中逐步應(yīng)用并不斷完善。

其次，加強(qiáng)規(guī)劃，系統(tǒng)性開(kāi)展各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)。 工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立對(duì)于數(shù)據(jù)重用的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要，其對(duì)知識(shí)傳承、人員培養(yǎng)也有特殊作用，且能有效促進(jìn)知識(shí)創(chuàng)新，推動(dòng)工藝技術(shù)跨越式發(fā)展。 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立需加強(qiáng)規(guī)劃設(shè)計(jì)， 對(duì)現(xiàn)行系統(tǒng)中已有的工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)需分析整理， 保證數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容全面、管理科學(xué)、簡(jiǎn)便易用，充分發(fā)揮知識(shí)、資源的作用，減少重復(fù)勞動(dòng)，提高工作效率和質(zhì)量。

最后，分析、優(yōu)化數(shù)據(jù)管理方法。 三維化導(dǎo)致系統(tǒng)數(shù)據(jù)大量增加， 三維化操作采用的上傳方式易產(chǎn)生數(shù)據(jù)不一致以及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容管理等， 均對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理方式優(yōu)化分析提出了新的要求。

[1]邵新宇，蔡立鋼. 現(xiàn)代CAPP技術(shù)與應(yīng)用. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.10.

[2]范玉青. 現(xiàn)代飛機(jī)制造技術(shù). 北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2001.

[3]趙汝嘉，孫波. 計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)（CAPP）.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.8