基于知識(shí)工程的鈑金快速工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)*

李光俊，黃慶奕，劉 洪，吳 為，曾元松

（1. 航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都 610092；2. 中國航空制造技術(shù)研究院，北京 100024）

現(xiàn)代飛機(jī)的設(shè)計(jì)與制造過程高度并行，已經(jīng)過渡到全三維產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化模式，產(chǎn)品模型信息包含大量材料、標(biāo)準(zhǔn)、加工、檢測(cè)等工藝信息，其獲取方式、途徑、載體、表達(dá)方式均發(fā)生了本質(zhì)改變，以產(chǎn)品三維模型為依據(jù)進(jìn)行零件數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)已成為當(dāng)前飛機(jī)研制的主流。各種工藝設(shè)計(jì)軟件開始大量應(yīng)用在數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)的各方面，輔助技術(shù)人員進(jìn)行產(chǎn)品三維模型工藝分析、工藝方案制定、制造文件編制。以鈑金成形為例，某項(xiàng)目研制中，成飛公司以產(chǎn)品三維模型為依據(jù)全面開展鈑金零件數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)，完成了數(shù)千項(xiàng)鈑金零件的工藝性審查、成形方法確定、成形模具確定、制造大綱編制工作，大大提高了工藝設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性、可靠性及零件間協(xié)調(diào)性、一致性。

但是，由于長(zhǎng)期沒有開展航空工藝知識(shí)的規(guī)范化、結(jié)構(gòu)化、參數(shù)化研究，工藝知識(shí)還是以經(jīng)驗(yàn)為主保留在個(gè)人大腦中。在新機(jī)研制階段，需要技術(shù)人員逐一打開數(shù)千項(xiàng)產(chǎn)品三維模型，逐一查看零件幾何形狀、材料信息、結(jié)構(gòu)特征、關(guān)鍵尺寸，憑借技術(shù)人員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)判斷鈑金零件的可成形性，確定成形方法、成形參數(shù)、工序內(nèi)容，從而完成制造大綱的編制工作。整個(gè)工藝設(shè)計(jì)工作效率低、周期長(zhǎng)，無法滿足現(xiàn)代民用飛機(jī)快速研制的需求。因此，有必要針對(duì)航空鈑金零件，通過建立結(jié)構(gòu)化、參數(shù)化的鈑金工藝知識(shí)庫，開發(fā)鈑金模型快速工藝分析系統(tǒng)，自動(dòng)從產(chǎn)品模型中提取幾何形狀和材料、標(biāo)準(zhǔn)、加工、檢測(cè)等工藝信息，通過知識(shí)推理，快速、批量完成工藝設(shè)計(jì)工作。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)90年代，美國波音公司在777大型項(xiàng)目中首次實(shí)施知識(shí)工程技術(shù)，采用三維數(shù)字化定義和無圖紙生產(chǎn)技術(shù)，成為航空制造業(yè)的標(biāo)志性代表[1]。此后，集成工藝知識(shí)的工具軟件在國外飛機(jī)研制過程中得到廣泛應(yīng)用，如Q-checker、“Design for Manufacture”、ASFALIS等。Q-checker軟件集成了模型幾何尺寸檢查和裝配干涉檢查規(guī)則，可幫助技術(shù)人員查看模型是否滿足企業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，提高每一個(gè)模型的正確性[2]；“Design for Manufacture”集成了部分鈑金工藝、機(jī)加工藝、裝配工藝對(duì)模型的工藝性分析規(guī)則，主要用于PCB電路可制造性設(shè)計(jì)和檢查[3]；ASFALIS集成了模型幾何體修復(fù)和處理知識(shí)規(guī)則，可使用ASFALIS的ModelViewer模塊檢查模型的幾何體、尺寸、公差以及臨界值[4]。

在國外航空企業(yè)的影響下，國內(nèi)航空高校、科研院所開始研究鈑金知識(shí)工程技術(shù)并得到典型應(yīng)用。北京航空航天大學(xué)進(jìn)行了基于知識(shí)的飛機(jī)鈑金件工藝性審查系統(tǒng)研究[5];西北工業(yè)大學(xué)進(jìn)行了飛機(jī)鈑金制造知識(shí)重用方法研究[6]；中國航空制造技術(shù)研究院進(jìn)行了快速工藝準(zhǔn)備系統(tǒng)中工藝知識(shí)庫的研究[7]；航空工業(yè)洪都研究分析了鈑金工藝知識(shí)的獲取與表示模型[8]。但這些研究主要針對(duì)特定的二維圖樣或鈑金模型進(jìn)行工藝分析處理，沒有全面考慮產(chǎn)品信息自動(dòng)提取、傳遞、重復(fù)使用問題，無法滿足新機(jī)研制階段對(duì)工藝設(shè)計(jì)工作自動(dòng)、批量、快速的實(shí)際需求。

圖1 鈑金快速工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)信息流程Fig.1 Information flow for rapid sheet process planning system

技術(shù)方案

針對(duì)現(xiàn)代民用飛機(jī)快速工藝設(shè)計(jì)的需求，以知識(shí)工程技術(shù)為核心，以數(shù)值推理為手段，通過建立工藝專家知識(shí)庫，基于知識(shí)驅(qū)動(dòng)識(shí)別和提取鈑金模型產(chǎn)品信息、工藝信息、幾何特征，與工藝知識(shí)、工序知識(shí)進(jìn)行對(duì)比分析，快速完成鈑金零件的工藝性分析、成形工藝設(shè)計(jì)、工序設(shè)計(jì)，自動(dòng)生成工藝分析報(bào)告、制造大綱、數(shù)控代碼。圖1為基于知識(shí)工程的鈑金快速工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)信息流程圖。

為了提高工藝分析報(bào)告、制造大綱、數(shù)控代碼的準(zhǔn)確性、全面性，針對(duì)不同項(xiàng)目在模型定義、工藝標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量控制方面存在差異性，并考慮鈑金工藝方法、工藝參數(shù)的多樣性，按項(xiàng)目分類建立工藝專家知識(shí)。鈑金工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)的運(yùn)行邏輯為：（1）依據(jù)產(chǎn)品圖號(hào)推理出項(xiàng)目型號(hào)；（2）依據(jù)項(xiàng)目型號(hào)和特征路徑推理出數(shù)據(jù)在模型中的存放位置，并提出模型數(shù)據(jù)；（3）依據(jù)模型數(shù)據(jù)推理出零件類型；（4）依據(jù)零件類型、模型數(shù)據(jù)、項(xiàng)目選用工藝范圍推理出成形方式；（5）依據(jù)成形方式、模型數(shù)據(jù)、工序知識(shí)推理出工藝分析報(bào)告；（6）依據(jù)成形方式、模型數(shù)據(jù)、工序知識(shí)推理出制造大綱；（7）依據(jù)數(shù)控代碼規(guī)則和模型數(shù)據(jù)形成數(shù)控代碼文件。

技術(shù)途徑

1 工藝專家知識(shí)庫構(gòu)建

工藝專家知識(shí)庫是鈑金快速工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心，決定了工藝設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性與可靠性。工藝專家知識(shí)庫包括工藝知識(shí)和決策機(jī)制。

通過收集典型鈑金建模、NC代碼、分析報(bào)告、制造大綱等規(guī)范性要求和技術(shù)人員的工程經(jīng)驗(yàn)（如幾何特征、成形工藝、制造工序），進(jìn)行規(guī)范化、參數(shù)化表達(dá)，形成鈑金零件工藝知識(shí)。僅有工藝知識(shí)還無法實(shí)現(xiàn)推理判斷，需要建立每條工藝知識(shí)的推理決策機(jī)制，主要有知識(shí)變量、邏輯表達(dá)式、判定標(biāo)準(zhǔn)、邏輯結(jié)果，工藝知識(shí)的決策過程，如圖2所示。

考慮工藝知識(shí)和決策機(jī)制涉及信息量極大，采用軟件界面、人工輸入效率低，在工藝專家知識(shí)庫建立的初期，用電子表格建立數(shù)據(jù)記錄，最后統(tǒng)一導(dǎo)入專家知識(shí)庫。

2 模型數(shù)據(jù)提取

利用專家知識(shí)庫的決策機(jī)制，通過信息路徑關(guān)鍵字、信息內(nèi)容關(guān)鍵字兩級(jí)決策，依次從產(chǎn)品模型參數(shù)、幾何體中提取材料牌號(hào)、材料規(guī)格、零件尺寸、制造要求、熱表處理、特種檢驗(yàn)等工藝信息和零件厚度、彎曲半徑、孔徑等特征信息，并對(duì)提取的工藝信息、特征信息進(jìn)行規(guī)范化處理，為后續(xù)快速工藝分析、制造大綱編制提供必要的輸入條件。模型數(shù)據(jù)提取情況如圖3所示。

但對(duì)于毛料尺寸，需要特殊處理。依據(jù)路徑關(guān)鍵字“尺寸”、尺寸特征關(guān)鍵字“×”從模型中提取出零件長(zhǎng)度、寬度尺寸；以成形工藝方法為輸入條件，通過工藝知識(shí)庫的決策機(jī)制確定長(zhǎng)度余量和寬度余量，從而計(jì)算出零件的毛料尺寸，如圖4所示。

3 快速工藝分析

在專家知識(shí)庫的驅(qū)動(dòng)下，分別以零件圖號(hào)、材料規(guī)格、特征數(shù)據(jù)決策出產(chǎn)品項(xiàng)目、零件類型、成形方法，并對(duì)制造要求、熱表處理、特種檢驗(yàn)等工藝信息和零件厚度、彎曲半徑、孔徑等特征信息進(jìn)行逐一分析決策，確定鈑金零件的可成形性能，最后將分析結(jié)果自動(dòng)填入工藝分析報(bào)告模板，供用戶編輯查看。表1是分析鈑金零件彎曲半徑是否滿足要求的工藝分析過程數(shù)據(jù)。

4 制造大綱設(shè)計(jì)

通過建立完整的鈑金零件工序內(nèi)容和選用準(zhǔn)則，利用專家知識(shí)庫的決策機(jī)制，以模型工藝信息、特征信息為輸入條件，從工序內(nèi)容中提取出滿足要求的工序內(nèi)容，對(duì)工序重新編號(hào)，并將分析結(jié)果自動(dòng)填入制造大綱模板，供用戶編輯查看。表2是蒙皮拉伸成形工序內(nèi)容的設(shè)計(jì)過程數(shù)據(jù)。

5 數(shù)控代碼設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡定義格式，以特征信息為輸入條件，自動(dòng)建立蒙皮拉伸、型材拉彎、導(dǎo)管彎曲的機(jī)床數(shù)控代碼，數(shù)控代碼設(shè)計(jì)過程主要由軟件實(shí)現(xiàn)。

6 批量處理

考慮新機(jī)研制階段工藝工作量大，具備自動(dòng)、批量工藝設(shè)計(jì)功能極為重要。通過反復(fù)循環(huán)打開模型、提取數(shù)據(jù)、工藝分析、工序設(shè)計(jì)、生成代碼，批量完成鈑金零件的工藝設(shè)計(jì)工作。系統(tǒng)批量工藝設(shè)計(jì)情況如圖5所示。為了防止特殊情況（如CATIA啟動(dòng)失敗、打開模型異常）影響系統(tǒng)正常的批量處理，系統(tǒng)定時(shí)檢測(cè)當(dāng)前零件的數(shù)據(jù)處理進(jìn)度信息，達(dá)到預(yù)定時(shí)間后仍未完成工藝設(shè)計(jì)工作，則強(qiáng)制終止當(dāng)前數(shù)據(jù)處理進(jìn)程，轉(zhuǎn)而進(jìn)行下一個(gè)零件的工藝設(shè)計(jì)工作。

圖2 工藝知識(shí)的決策機(jī)制Fig.2 Decision-making mechanism of process knowledge

圖3 模型數(shù)據(jù)提取Fig.3 Extracting model data

圖4 提取、計(jì)算毛料尺寸Fig.4 Extracting and calculating wool size

表1 鈑金零件彎曲半徑的工藝分析過程數(shù)據(jù)

表2 蒙皮拉伸成形工序的設(shè)計(jì)過程數(shù)據(jù)

典型應(yīng)用

通過專家知識(shí)庫的構(gòu)建和軟件開發(fā)，已經(jīng)建立了基于知識(shí)工程的鈑金快速工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)。目前，鈑金快速工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在某民用飛機(jī)研制過程中，應(yīng)用該系統(tǒng)分析典型蒙皮零件情況。如圖6所示，通過應(yīng)用該系統(tǒng)，快速完成了鈑金零件的工藝性分析、工序設(shè)計(jì)，自動(dòng)生成工藝分析報(bào)告、制造大綱、數(shù)控代碼，大幅度提高新機(jī)研制的工藝設(shè)計(jì)效率，降低技術(shù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖5 批量工藝設(shè)計(jì)Fig.5 Batch technological design

圖6 蒙皮零件的快速工藝設(shè)計(jì)Fig.6 Rapid technological design of skin

結(jié)論

鈑金快速工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)的最大優(yōu)勢(shì)在于以三維模型為依據(jù)實(shí)現(xiàn)了鈑金快速工藝設(shè)計(jì)，大幅度提高工藝設(shè)計(jì)效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。但在實(shí)際使用中，由于不同產(chǎn)品設(shè)計(jì)/項(xiàng)目規(guī)定建模方式存在一定的差異，系統(tǒng)對(duì)模型數(shù)據(jù)識(shí)別還存在一定的誤差。因此，為了減少識(shí)別誤差，提高數(shù)據(jù)識(shí)別準(zhǔn)確率，需要在行業(yè)內(nèi)規(guī)范產(chǎn)品建模方式，統(tǒng)一模型數(shù)據(jù)格式；同時(shí)，根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況，補(bǔ)充完善專家知識(shí)庫，可按項(xiàng)目分別建立工藝知識(shí)，以適應(yīng)不用項(xiàng)目研制的需要。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]寧振波.數(shù)字化產(chǎn)品的過去、現(xiàn)在和未來[J].飛機(jī)工程, 2003(4):1-4.

NING Zhenbo. Digital products in the past, present and future[J]. Aircraft Engineering,2003(4): 1-4.

[2]江平. DFM軟件的應(yīng)用性研究[J].電子技術(shù), 2008(11): 331-333.

JIANG Ping. Research and application of DFM software[J]. Electronic Technology,2008(11): 331-333.

[3]葉人魁. ASFALIS K2功能簡(jiǎn)介[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化, 2011(7): 43-48.

YE Renkui. ASFALIS K2 features[J]. CAD/CAM and Manufacturing Information, 2011(7):43-48.

[4]劉彩玲. CATIA三維模型的質(zhì)量控制[J]. CAD/CAM制造業(yè)信息化, 2011(6): 50-52.

LIU Cailing. Quality control of CATIA three-dimensional model[J]. CAD/CAM Manufacturing Information, 2011(6): 50-52.

[5]敖勇剛,萬敏,李新軍.基于KBE的飛機(jī)鈑金件工藝性審查系統(tǒng)[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 32(9): 1096-1099.

AO Yonggang, WAN Min, LI Xinjun. Based on KBE aircraft sheet process examination system[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2006, 32(9): 1096-1099.

[6]王俊彪,陸興海,劉闖.基于知識(shí)重用的飛機(jī)鈑金工藝決策與智能設(shè)計(jì)[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù), 2007(11): 1377-1380.

WANG Junbiao, LU Xinghai, LIU Chuang.Knowledge reuse of sheet process decision and intelligent design[J]. Mechanical Science and Technology, 2007(11): 1377-1380.

[7]王曉麗,孟月梅,王永栓.快速工藝準(zhǔn)備系統(tǒng)中工藝知識(shí)庫的研究與實(shí)現(xiàn)[J].航空制造技術(shù), 2010(7): 89-95.

WANG Xiaoli, MENG Yuemei, WANG Yongshuan. Research and implementation about rapid process preparation systems based technology knowledge[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2010(7): 89-95.

[8]贠周會(huì),徐龍,宋利康,等.基于本體的航空產(chǎn)品鈑金件工藝知識(shí)獲取與表示研究[J].航空制造技術(shù), 2014(1/2):111-114.

YUN Zhouhui, XU Long, SONG Likang, et al.Research and representation about aerospace sheet process based technology knowledge[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2014(1/2): 111-114.