智能生產(chǎn)中的實作模型構(gòu)建方法研究

王焱 ，隋立江 ，，于勇

1.中國航空制造技術(shù)研究院，北京 100024

2.數(shù)字化制造技術(shù)航空科技重點實驗室，北京 100024

3.北京航空航天大學機械工程與自動化學院，北京 100191

模型是表征產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及屬性數(shù)據(jù)的基本形式，在數(shù)字化智能化制造環(huán)境下，生產(chǎn)活動已經(jīng)把模型作為基本的數(shù)據(jù)源，模型成為現(xiàn)代制造系統(tǒng)運行的基本驅(qū)動要素，產(chǎn)品制造過程中各類相關(guān)模型的傳遞、演變和構(gòu)建成為數(shù)據(jù)分析和處理的主要內(nèi)容。

自2013年4月,德國推出“工業(yè)4.0”的概念以來，智能制造成為現(xiàn)代先進制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級方向。智能制造的核心是賽博-物理系統(tǒng)(Cyber-Physical System，CPS)，以互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)分析為核心，建立起以數(shù)字世界和物理世界無縫融合為基礎(chǔ)的自適應、自調(diào)整的柔性化生產(chǎn)方式，支撐制造業(yè)實現(xiàn)個性化定制生產(chǎn)，即客戶參與產(chǎn)品的制造過程，能夠與企業(yè)進行聯(lián)合創(chuàng)造和協(xié)同設(shè)計[1]。其中，數(shù)字世界和物理世界無縫融合的核心就是與生產(chǎn)活動相關(guān)模型的構(gòu)建及其使用。產(chǎn)品研制經(jīng)歷了從二維圖板繪制圖樣，到計算機繪制二維圖樣，到三維數(shù)字化樣機設(shè)計，再到全三維樣機設(shè)計的演變過程。以波音787為代表的新型客機研制過程中，全面采用基于模型的定義(Model-Based Definition，MBD)技術(shù)，將三維產(chǎn)品制造信息與三維設(shè)計信息共同定義到產(chǎn)品的三維模型中，摒棄二維工程圖樣，將MBD模型作為制造的唯一依據(jù)。隨著MBD方法日趨成熟，數(shù)字量成為驅(qū)動生產(chǎn)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的主體，產(chǎn)品模型可以用于制造、驗證和使用的全部過程，智能生產(chǎn)過程存在兩條數(shù)據(jù)鏈路：（1）從產(chǎn)品模型到設(shè)備驅(qū)動信號的正向傳遞，即“產(chǎn)品模型—工藝模型—工藝規(guī)程—加工程序—控制代碼—控制信號”；（2）從現(xiàn)場傳感器信號到運行控制系統(tǒng)、工藝規(guī)劃系統(tǒng)的信息反饋，即“傳感信號—工況狀態(tài)—質(zhì)量狀態(tài)—誤差模型—重構(gòu)模型”，形成從產(chǎn)品模型出發(fā)到重構(gòu)模型建立的循環(huán)，直至加工的實物產(chǎn)品符合產(chǎn)品設(shè)計要求，這兩個數(shù)據(jù)鏈路形成了生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)字主線，通過數(shù)據(jù)狀態(tài)的連續(xù)演變形成完整的數(shù)據(jù)閉環(huán)[2,3]，數(shù)字模型是全過程數(shù)據(jù)的載體，從產(chǎn)品模型到產(chǎn)品實物的過程可以表達為模型的演變過程，如圖1所示。

到目前為止，生產(chǎn)過程的兩個數(shù)據(jù)鏈路尚不能完全基于模型構(gòu)成完整的數(shù)據(jù)閉環(huán)，使得生產(chǎn)過程中難以有效實現(xiàn)現(xiàn)場加工狀態(tài)實時監(jiān)控、向數(shù)字空間映射實時狀態(tài)。為支持生產(chǎn)運行狀態(tài)識別、對運行過程決策處理、加工工藝優(yōu)化等方面的智能化分析和處理，我們在這里針對數(shù)控加工過程，討論“實作模型”概念，以及實作模型建模與數(shù)控加工在線分析的實現(xiàn)方法。

圖1 生產(chǎn)過程中模型到產(chǎn)品實物的演變過程Fig.1 Evolution process of models to product

1 實作模型的概念及其結(jié)構(gòu)

1.1 實作模型的概念

隨著MBD技術(shù)應用的逐步推廣和普及，模型定義已經(jīng)從產(chǎn)品建模擴展到面向產(chǎn)品全生命周期全過程全要素的集成共享和協(xié)同環(huán)境，MBD概念進一步發(fā)展為基于模型的企業(yè)(Model-Based Enterprise，MBE)、基于模型的系統(tǒng)工程(Model-Base System Engineering，MBSE)概念。在此背景下，洛克希德-馬丁公司提出了“數(shù)字線”（Digital Thread）概念，在F-35 生產(chǎn)中將MBD 數(shù)據(jù)直接傳遞給數(shù)控機床完成零件加工、復合材料鋪放等制造過程，并將這種以模型為中心的工作模式稱之為“數(shù)字線”，它覆蓋產(chǎn)品全過程與全價值鏈，從基礎(chǔ)材料、設(shè)計、工藝、制造以及使用維護等全過程；2003年，Michael Grieves教授在密歇根大學的產(chǎn)品全生命周期管理(Product Lifecycle Management，PLM)課程上提出了“與物理產(chǎn)品等價的虛擬數(shù)字化表達”的概念：一個或一組特定裝置的數(shù)字復制品，能夠抽象表達真實裝置并可以此為基礎(chǔ)進行真實條件或模擬條件下的測試。2011年，Michael Grieves教授在《幾乎完美：通過PLM驅(qū)動創(chuàng)新和精益產(chǎn)品》一書中引用了其合作者John Vickers描述該概念模型的名詞——數(shù)字孿生(Digital Twin)，指充分利用物理模型、傳感器、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多尺度的仿真過程，它作為虛擬空間中對實體產(chǎn)品的鏡像，反映了相對應物理實體產(chǎn)品的全生命周期過程[4,5]。

美國國防部將數(shù)字孿生應用于航空航天飛行器的健康維護與保障，其目的是在數(shù)字空間建立真實飛機的模型，并通過傳感器實現(xiàn)與飛機真實狀態(tài)完全同步。隨后數(shù)字孿生的概念被擴展到制造領(lǐng)域，指充分利用物理模型、傳感器、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應實作產(chǎn)品的全生命周期過程。其中實作產(chǎn)品（as-built product）的內(nèi)容可包括產(chǎn)品構(gòu)型、材料微觀結(jié)構(gòu)、瑕疵、制造異常等[5]。

數(shù)控加工過程是依據(jù)工藝規(guī)程進行的，工藝規(guī)程由一系列工序、工步組成，涵蓋從毛坯到成品的整個過程，對應于工序的數(shù)據(jù)連續(xù)傳遞和演變過程則構(gòu)成了數(shù)控加工的核心，工序的自檢、互檢或檢驗是其中的質(zhì)量控制環(huán)節(jié)，工序執(zhí)行過程則是分析決策的直接應用環(huán)節(jié)。從基于模型制造的角度，對應于每個數(shù)控工序的數(shù)據(jù)可以稱為一個工序模型，一系列的工序模型組成了數(shù)控加工的工藝模型，數(shù)控加工過程就可以看作是一個從毛坯模型到產(chǎn)品模型的連續(xù)演變過程(正向傳遞數(shù)據(jù)鏈的一部分)，檢驗過程、執(zhí)行過程的分析決策可以看作是加工狀態(tài)的反饋和調(diào)整，同樣，數(shù)控加工環(huán)境下，檢驗過程也可以有檢測模型的支持。在這里，我們把數(shù)字孿生的概念引入其中，建立工件的加工狀態(tài)模型，可以稱其為數(shù)控加工中的實作模型(as-build model)，通過實作模型，建立數(shù)控加工過程反饋數(shù)據(jù)鏈中實物世界與數(shù)字空間的關(guān)聯(lián)定義。數(shù)控加工過程涉及的工藝模型、檢驗模型、實作模型的定義，從系統(tǒng)思維的角度來看實際上是制造業(yè)企業(yè)制造過程建?；顒拥囊徊糠?，在更大層面上是企業(yè)建模的一部分。通過建模和仿真技術(shù)實現(xiàn)模型驅(qū)動的制造，通過模型來全面識別制造活動，并進行仿真來支持數(shù)據(jù)分析、監(jiān)控和決策過程，這是支撐智能制造實現(xiàn)的基本要素之一。

概括起來，數(shù)控加工中的實作模型是以物理世界(數(shù)控加工工序現(xiàn)場)實作產(chǎn)品狀態(tài)、生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵參數(shù)和數(shù)據(jù)為核心，基于工藝模型和檢測模型所形成的一系列物理世界實作產(chǎn)品在數(shù)字世界中的映像。

引入實作模型概念后，圖1的模型演變過程將變?yōu)閳D2所示的形式，它表達了設(shè)計模型、工藝/檢驗模型、實作模型之間的關(guān)系，產(chǎn)品制造過程的數(shù)據(jù)鏈路實現(xiàn)了全閉環(huán)傳遞。

工藝/檢驗模型、實作模型的共有的數(shù)字化定義信息均來自于設(shè)計模型，實作模型在工藝/檢驗模型的基礎(chǔ)上，包含所采集的物理世界實作產(chǎn)品的最終狀態(tài)、生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵參數(shù)和數(shù)據(jù)，形成一系列物理世界實作產(chǎn)品的數(shù)字映像，換言之，實作模型是基于工藝模型、檢驗模型融合生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，形成設(shè)計模型的實例化模型。建立實作模型的目的旨在結(jié)合零件數(shù)控加工全過程所獲取的海量數(shù)據(jù)，建立設(shè)計模型與零件加工過程、加工結(jié)果的映射關(guān)系，從而實現(xiàn)對零件加工過程進行在線的實時分析和離線的工藝優(yōu)化，解決零部件研制和生產(chǎn)的質(zhì)量穩(wěn)定性、快速交付等問題，最終提升產(chǎn)品快速研制能力。

1.2 實作模型的結(jié)構(gòu)

在數(shù)控加工過程中，工藝模型為工作現(xiàn)場提供了運行所需要的數(shù)據(jù)(包含了加工流程、工序數(shù)據(jù)、程序指令、加工要求、檢驗要求等)，這是數(shù)字化、智能化生產(chǎn)中設(shè)計數(shù)據(jù)向生產(chǎn)現(xiàn)場傳遞的核心載體。實作模型也可以看作是一種產(chǎn)品制造完成后的階段或竣工驗收的模型，其結(jié)構(gòu)展示了最終真實的物理產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的中間或最終狀態(tài)，同時要包括所有在制造、裝配和試驗階段所發(fā)生的各類事件和所采納的更改。在實作模型中，需要表達出產(chǎn)品實際物理結(jié)構(gòu)、缺陷、制造質(zhì)量、實際結(jié)構(gòu)等信息。

圖2 設(shè)計模型、工藝/檢驗模型、實作模型及物理實物之間的關(guān)系Fig.2 Relationship of design model，procedure model，as-build model and product

實作模型信息來源及與其他模型、數(shù)據(jù)的關(guān)系如圖3所示。其中，產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計階段形成的設(shè)計模型、工藝模型、檢驗模型我們稱其為源模型，實作模型是依據(jù)制造現(xiàn)場數(shù)據(jù)(檢驗數(shù)據(jù)、采集數(shù)據(jù)、制造數(shù)據(jù))對源模型進行修正(或稱為實例化)而得到的，即實作產(chǎn)品的數(shù)字映象。

圖3 實作模型數(shù)據(jù)來源及與其他模型、數(shù)據(jù)的關(guān)系Fig.3 Data source of as-build model，and the relationship of models

零部件實作模型的模型結(jié)構(gòu)組成如圖4 所示，其屬性信息包含了與產(chǎn)品形成過程中的相關(guān)模型、實際數(shù)據(jù)、信息之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

圖4 實作模型的結(jié)構(gòu)組成Fig.4 Contents of as-build model

實作模型可以認為是工藝模型傳遞至現(xiàn)場，經(jīng)現(xiàn)場設(shè)備完成加工后，形成的符合技術(shù)要求的理論模型實例，可以用來代表物理實體的真實狀態(tài)(如幾何要素的真實位置和形狀)。這樣，在數(shù)字世界中，可以用實作模型進行后續(xù)的分析評估，代替用理論模型所做的分析評估，從而獲得現(xiàn)場狀態(tài)的變化趨勢。

2 實作模型構(gòu)建原理與建模方法

2.1 實作模型構(gòu)建原理

數(shù)控加工過程涵蓋了從毛坯到成品的整個過程，對應于工序的數(shù)據(jù)連續(xù)傳遞和演變過程則構(gòu)成了數(shù)控加工工藝過程。其中，設(shè)計模型是數(shù)控加工的目標狀態(tài)，毛坯是數(shù)控加工的初始狀態(tài)，每個工序的最終結(jié)果首先呈現(xiàn)的是幾何要素的演變及其真實形態(tài)，也是實作模型表達的結(jié)構(gòu)信息，其他的屬性信息(如加工資源、制造質(zhì)量等)則是在結(jié)構(gòu)信息基礎(chǔ)上增加而成的。因此，實作模型的構(gòu)建分為結(jié)構(gòu)信息、屬性信息、關(guān)系信息三個層次，結(jié)構(gòu)信息是基礎(chǔ)，屬性信息依賴于結(jié)構(gòu)而存在。

結(jié)構(gòu)信息的來源是工藝模型，是保證數(shù)據(jù)唯一性來源的主體數(shù)據(jù)集，主要包括零件的幾何結(jié)構(gòu)、基準面、坐標系、形位公差等幾何數(shù)據(jù)；屬性數(shù)據(jù)是針對制造過程的描述性數(shù)據(jù)，包括毛坯信息、制造過程信息、加工資源信息、質(zhì)量信息等；關(guān)系信息是描述不同類型數(shù)據(jù)集之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的索引，如檢測數(shù)據(jù)中的物理幾何信息與結(jié)構(gòu)信息中幾何要素的關(guān)聯(lián)關(guān)系、原材料信息與毛坯信息的關(guān)聯(lián)關(guān)系、加工裝備信息與加工資源的關(guān)聯(lián)關(guān)系等，它是屬性數(shù)據(jù)中的一個特殊類型數(shù)據(jù)。

實作模型構(gòu)建中首先面臨的是幾何要素的重構(gòu)，即根據(jù)加工零件的實際狀態(tài)(檢驗數(shù)據(jù))對相應的幾何要素進行修正，這一過程實際上可以認為是對設(shè)計的理論模型中幾何要素的實例化過程；同樣，屬性信息也是根據(jù)檢驗數(shù)據(jù)、傳感數(shù)據(jù)進行實例化的過程；關(guān)系信息則是依據(jù)確定的實作模型邏輯結(jié)構(gòu)，給出關(guān)聯(lián)關(guān)系索引，是屬性數(shù)據(jù)中的一個特定類型。

為了構(gòu)建實作模型，我們應用面向?qū)ο蟮囊恍┗舅枷牒头椒?。復雜系統(tǒng)由相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)組成，子系統(tǒng)又是由他們各自的子系統(tǒng)構(gòu)成，對一個復雜系統(tǒng)建模，可以將他看作“是一個層次”及“一個層次的一部分”；面向?qū)ο蠓椒ǘx了構(gòu)建復雜軟件系統(tǒng)的表示法和過程，軟件工程的成熟發(fā)展導致了面向?qū)ο蠓治?、設(shè)計和編程方法的發(fā)展，面向?qū)ο蟮木幊虖娬{(diào)數(shù)據(jù)抽象、封裝及繼承，其基本的構(gòu)件是類和對象[6]。

按照面向?qū)ο蟮乃枷敕椒?，在實作模型?gòu)建階段我們把設(shè)計模型看作是“元類”，把工藝模型、檢驗模型看作是元類下面的“類”，實作模型就可以看作是“對象”，這樣，元類—類—對象直接就可以有關(guān)聯(lián)、繼承、聚合、使用關(guān)系，實作模型的建模過程可以看作是一個從“泛化”到“特化”的過程，過程狀態(tài)(工序)的實作模型就是工藝模型對應的“實例”，終態(tài)的實作模型就是設(shè)計模型對應的“實例”。這樣，產(chǎn)品制造各階段的模型層次關(guān)系如圖5 所示，數(shù)據(jù)層面的“檢測數(shù)據(jù)”“采集數(shù)據(jù)”“制造數(shù)據(jù)”是在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)支持下獲得的，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)涉及硬件和軟件，是數(shù)字化智能化車間專門開發(fā)或配置的功能系統(tǒng)，實作模型建立過程中僅將其作為一個獨立工具來使用。

圖5 產(chǎn)品制造過程中相關(guān)模型間的層次關(guān)系Fig.5 Models hierarchical relationship in manufacturing

這樣，實作模型的構(gòu)建就可以按照面向?qū)ο蠓椒捌湓磉M行，遵循以下基本原則：（1）結(jié)構(gòu)繼承性：結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)涉及幾何、公差、附注數(shù)據(jù)及其關(guān)聯(lián)關(guān)系，實作模型的結(jié)構(gòu)首先是繼承工藝模型結(jié)構(gòu)，并保持相關(guān)關(guān)系不變。（2）拓撲不變性：幾何元素的連接關(guān)系，實作模型中建立新的幾何元素時應保持其與父類相對應要素的拓撲關(guān)系不變。（3）屬性附加性：屬性數(shù)據(jù)獨立存儲，與被實例化的主體要素用關(guān)系指針連接。（4）數(shù)據(jù)唯一性：同類屬性數(shù)據(jù)只能有一個數(shù)據(jù)集，不可存在副本或復制的數(shù)據(jù)。

可以看出，實作模型是在繼承其“泛化”模型(工藝模型)固有特征屬性的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)(檢測數(shù)據(jù)、制造現(xiàn)場數(shù)據(jù))反饋，形成“特化”模型(實例化的對象)的過程，首先是對來源于制造現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進行處理，提煉特征要素數(shù)據(jù)，然后依次對變化的幾何數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)進行建模，形成實作模型。這一過程我們參考采用UML/SysML語言基本方法[7,8]的活動圖形式，實作模型構(gòu)建的基本邏輯過程如圖6 所示，實作模型構(gòu)建工具的設(shè)計開發(fā)依據(jù)本活動圖，建立軟件系統(tǒng)的基本運行邏輯和功能分解。

圖6中，第一個泳道內(nèi)是交互操作的界面活動，第二個泳道是數(shù)據(jù)分析的活動，第三個泳道是數(shù)據(jù)加載和建模的活動，特征模型(數(shù)量是1，…，n)是實作模型構(gòu)建的基本元素，對應于一個工序加工區(qū)域所屬要素的繼承屬性、相關(guān)聯(lián)的實時數(shù)據(jù)。一個工序加工區(qū)域所屬要素可以按工序劃分的工步進行對應分解，最小區(qū)域應該是一個操作(一個數(shù)控程序?qū)纬傻膮^(qū)域)涉及的范圍。

圖6 實作模型構(gòu)建的活動Fig.6 Activity diagram of as-build model building

2.2 實作模型構(gòu)建的一般方法

采用MBD技術(shù)建立的產(chǎn)品模型、工藝模型中，零部件模型采用精確的幾何描述，并攜帶了大量的工程屬性信息(如材料、毛坯規(guī)格、公差要求等)，隨著零部件制造過程的進行，產(chǎn)品模型、工藝模型所屬的這些幾何數(shù)據(jù)、公差數(shù)據(jù)、材料及其加工狀態(tài)等都變成了確定的數(shù)據(jù)和信息，對應每個實物零件都有一組確定的個性化屬性數(shù)據(jù)，實作模型就是建立了產(chǎn)品模型、工藝模型與這些個性化屬性數(shù)據(jù)的唯一映射。

在產(chǎn)品設(shè)計模型中，基本信息主要包括幾何信息、拓撲信息、工程語義信息、裝配約束信息和裝配結(jié)構(gòu)層次信息。零部件制造完成工序指令后，實作模型將是這些信息的實例化表達，其中，幾何信息、拓撲信息是實作模型的基本構(gòu)架。實例化表達過程主要依據(jù)以下原則：(1)幾何信息主要用來表征實作模型的基本結(jié)構(gòu)，主要繼承工藝模型的幾何結(jié)構(gòu)，根據(jù)實際數(shù)據(jù)進行實例化處理。(2)拓撲信息主要表述實作模型的點、線、面之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。實作模型可能會根據(jù)具體尺寸、公差等數(shù)據(jù)重構(gòu)基本幾何體素，但其之間的拓撲關(guān)系不應改變。(3)工程語義信息是表征零部件制造要求的信息，主要包括零部件所具有的基本屬性信息、公差信息以及幾何精度信息等，這些信息將成為與工件實物一一對應的個性化信息。(4)裝配約束信息是實現(xiàn)零部件間的配合信息，主要針對可裝配零部件之間幾何體素的配合，實作模型中，這些約束關(guān)系根據(jù)工件實際點、線、面等特征的幾何位置和尺寸而確定，但拓撲關(guān)系應保持不變。(5)實作模型中，裝配結(jié)構(gòu)層次信息應保持不變，直接從產(chǎn)品模型、工藝模型中繼承。(6)制造數(shù)據(jù)獨立存在，并與相應的幾何信息、拓撲信息具有一一對應關(guān)系。

針對飛機產(chǎn)品的三維模型表達，其模型在結(jié)構(gòu)上可以分為產(chǎn)品層、部件層、組件層、零件層、幾何元素層5個層次，其中，產(chǎn)品層、部件層、組件層、零件層分別對應著產(chǎn)品裝配體、部件裝配體、組件裝配體、零件，幾何元素層包含了坐標、點、線、面等幾何元素，其模型結(jié)構(gòu)如圖7(a)所示。對于數(shù)控加工過程，大部分是零件級的加工，少量涉及組件層的組件裝配體(如梁組件、壁板組件等)，所以，針對數(shù)控加工的實作模型主要關(guān)聯(lián)的對象是零件，適當考慮組件裝配體，即數(shù)控加工過程的實作模型是面向零件層、組件層的實例化表達。實作模型是實際產(chǎn)品的映射(孿生體)，實作模型結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品模型結(jié)構(gòu)一一對應，制造狀態(tài)數(shù)據(jù)作為實作模型的屬性數(shù)據(jù)并列在幾何元素層，幾何元素是數(shù)控加工操作的最小單位，實作模型層次結(jié)構(gòu)如圖7(b)所示，變化的顏色表示實例化。

圖7 設(shè)計模型、實作模型的層次結(jié)構(gòu)及其相關(guān)關(guān)系Fig.7 Hierarchical relationship of design model and as-build model

目前，飛機產(chǎn)品設(shè)計階段采用CATIA工具，產(chǎn)品模型定義遵循MBD 規(guī)范，在產(chǎn)品設(shè)計階段完成后形成一個MBD數(shù)據(jù)集，這個數(shù)據(jù)集包括產(chǎn)品的三維幾何、尺寸、公差和工藝等信息。MBD 技術(shù)的核心要求是把集成的二維圖樣上的尺寸、公差和工藝信息的三維實體模型作為設(shè)計制造過程中的唯一依據(jù)，在CATIA 軟件里，這些非幾何信息都定義在規(guī)范樹之中[9,10]，實作模型也遵循這樣的表達形式。

產(chǎn)品精度要求是數(shù)控加工過程的基本約束條件，也是實作模型中與幾何元素相關(guān)的實際檢驗數(shù)據(jù)。精度屬性用于描述幾何形狀和尺寸的許可變動量或誤差，是產(chǎn)品工藝設(shè)計、工裝設(shè)計、加工、檢驗的重要依據(jù)。精度屬性主要包括公差和表面粗糙度，公差內(nèi)容包括尺寸公差和形位公差，產(chǎn)品完成加工后，這些數(shù)據(jù)將通過檢驗測量獲得實際值，成為實作模型的屬性數(shù)據(jù)之一。

工件的幾何尺寸及其公差、形位公差、表面粗糙度通過測量器具、坐標測量機、測量儀器等手段獲得，并需要處理成結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)。制造現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與處理系統(tǒng)是支持實作模型建模的基礎(chǔ)工具。

為便于實作模型建模軟件工具開發(fā)，實作模型屬性數(shù)據(jù)應進行明確定義及結(jié)構(gòu)化表達，本文僅給出如圖8 所示的實作模型屬性數(shù)據(jù)主要內(nèi)容及其與相關(guān)模型的關(guān)系作為示例，不再詳細敘述。

3 數(shù)控加工在線分析中的實作模型應用模式

智能制造是智能技術(shù)與制造技術(shù)的融合，對產(chǎn)品全生命周期中設(shè)計、加工、裝配等環(huán)節(jié)的制造活動進行知識表達與學習、信息感知與分析、智能決策與執(zhí)行，是以“動態(tài)感知、實時分析、自主決策、精準執(zhí)行”為特征的循環(huán)遞進過程，數(shù)字量貫穿全過程[11-13]，在模型數(shù)據(jù)的支持下實現(xiàn)智能化生產(chǎn)。

由于制造過程的復雜性，在線分析技術(shù)可采用靜態(tài)分析與動態(tài)分析相結(jié)合的方法進行研究。因此，需要建立相應靜態(tài)結(jié)構(gòu)模型與動態(tài)結(jié)構(gòu)模型。靜態(tài)結(jié)構(gòu)模型能夠表達制造活動的組織及結(jié)構(gòu)，以從設(shè)計模型向現(xiàn)場傳遞的數(shù)字量為主體，包括工藝模型和檢驗模型；動態(tài)結(jié)構(gòu)模型則用于描述制造活動的過程、行為與結(jié)果，以制造現(xiàn)場數(shù)據(jù)向?qū)嵶髂Ｐ蛡鬟f的數(shù)字量為主體，形成實作模型。

首先，對加工過程中的采集、測量等數(shù)據(jù)進行分析、處理、融合和挖掘，得到與制造元素相關(guān)的可識別、可描述、可處理的信息。利用這些信息，結(jié)合工藝模型、檢驗模型、制造系統(tǒng)資源等信息，建立實作模型，支持在線加工狀態(tài)分析。同時以此為基礎(chǔ)，提取制造規(guī)則、形成制造知識的積累，建立規(guī)則庫；其次，通過實作模型與理論模型(設(shè)計模型或工藝模型)對比分析，評價制造過程的加工狀態(tài)、對加工狀態(tài)進行預測，并結(jié)合工藝知識庫，給出工藝優(yōu)化方案，確保零件加工質(zhì)量。

數(shù)控加工在線分析是基于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供制造過程數(shù)據(jù)，基于設(shè)計模型、工藝模型和檢驗模型的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，對制造過程數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)化處理，并提取規(guī)則化數(shù)據(jù)(按設(shè)計的規(guī)則，并根據(jù)實際數(shù)據(jù)對規(guī)則進行修正、積累，形成典型特征處理的規(guī)則庫)。利用實作模型與理論模型進行對比，評價加工狀態(tài)，確定誤差補償需求。這一過程我們?nèi)匀粎⒖疾捎肬ML/SysML語言基本方法的活動圖形式，把數(shù)控加工在線分析的基本邏輯過程表達為圖9，這也是實作模型的基本應用模式。

圖8 實作模型屬性數(shù)據(jù)及其與相關(guān)模型的關(guān)系Fig.8 As-build model's data-structure and models relationship

數(shù)控加工在線分析主要解決對獲得的制造現(xiàn)場各類數(shù)據(jù)進行識別、分析、歸納和總結(jié)，結(jié)合工藝知識庫，對工件加工狀態(tài)進行評價和預測，以指導下一步制造活動的執(zhí)行，這里僅給出在線分析的基本活動，展示出實作模型的應用模式，對于具體的在線分析過程及其技術(shù)不再深入討論。

4 結(jié)論

實作模型是支持生產(chǎn)過程構(gòu)成閉環(huán)控制、實現(xiàn)智能運行的核心要素。實作模型是表征加工完成后的階段或竣工驗收的工件狀態(tài)的一種模型，其結(jié)構(gòu)展示了最終真實的物理產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的中間或最終狀態(tài)，同時要包括所有在制造、裝配和試驗階段所發(fā)生的各類事件和所采納的更改。實作模型屬性信息包含了與產(chǎn)品形成過程中的相關(guān)模型、實際數(shù)據(jù)、信息之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，建立起了加工過程反饋數(shù)據(jù)鏈中實物世界與數(shù)字空間的關(guān)聯(lián)定義。

本文提出了實作模型結(jié)構(gòu)、建模邏輯及其實現(xiàn)方法。實作模型的構(gòu)建可以采用面向?qū)ο蟮乃枷敕椒?，把設(shè)計模型看作是“元類”，把工藝模型、檢驗模型看作是元類下面的“類”，實作模型看作是“對象”，元類—類—對象直接就可以有關(guān)聯(lián)、繼承、聚合、使用關(guān)系，實作模型的建模過程可以看作是一個從“泛化”到“特化”的過程，過程狀態(tài)(工序)的實作模型就是工藝模型對應的“實例”，終態(tài)的實作模型就是設(shè)計模型對應的“實例”。

實作模型表達了數(shù)控加工中物理世界實作產(chǎn)品在數(shù)字世界中的映象，為模型驅(qū)動的制造建立全閉環(huán)數(shù)字鏈路提供了條件，支持智能生產(chǎn)過程中實時分析和自主決策功能的實現(xiàn)。本文討論的實作模型構(gòu)建原理、模型結(jié)構(gòu)、建模邏輯及其實現(xiàn)方法，為相關(guān)工具系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)提供了基礎(chǔ)框架。

圖9 數(shù)控加工在線分析的活動圖Fig.9 Activity diagram of online-analysis in manufacturing