基于MBD信息和工藝成組技術在工藝設計中的研究

楊 懿 趙一伋 陶九超

(金航數碼科技有限責任公司，北京 100028)

1 引言

航空產品設計數據的管理方式采用配置構型的技術狀態(tài)方式管理，以滿足不同飛機定制方的不同場景需求，會在產品的頂層建立構型層，并通過配置的方式替換MBD 數模，以實現飛機設計的模塊化替代。此種替代將很好地滿足市場個性化的需求，同時對于生產帶來的則是“多品種小批量”的生產模式。

在多品種小批量的生產模式下，企業(yè)為保證成本、進度、質量符合生產任務的要求，通常會將多個型號的產品結構打散，根據工藝方案、產品類型和工藝特性對生產狀態(tài)下的多個型號產品進行分組，并將分組后的產品交由車間進行制造生產。為了提高生產效率和產品質量，企業(yè)通常將相同專業(yè)或工藝特性的產品分配到同一個車間進行制造。這樣可實現生產規(guī)模的優(yōu)化，并產生批產效應。而且，這種分配方式還有助于合理分配企業(yè)整合資源各車間的工藝資源，提升物流和利潤的效益。

通過分析各航空制造單位的現狀，從制造角度看，制造單位應根據產品類別、制造特性和方案進行分類整合，以保障產品的工藝和維護性能一致性?？砂l(fā)現企業(yè)的車間制造已經完成了工藝制造的第一層級分組，然而這種分組仍然無法滿足制造方法的分類要求。故而需要利用成組技術對車間內的產品進行更細致的分類和分簇，在得到已經分類分簇的產品后，其產品的制造方法還是受到各種設計約束影響，無法得到最終的工藝制造方法，是因為設計會要求產品具有特殊的工藝屬性，如：是否需要無損檢測、熱處理要求、材料要求、表面處理要求等都會影響產品的加工方法和加工順序。恰好此類信息利用MBD 技術存放在設計發(fā)布的數模中，因此通過對MBD信息的解析和提取，加上產品的分類分簇，可以初步推斷出大多數產品的制造/裝配工藝方法。

根據設計模型與制造方法之間的關系如圖1所示，得到產品的制造/裝配工藝方法之后，可在企業(yè)的各個車間級形成符合本單位加工方法的制造知識庫。新的產品數模發(fā)布后，利用成組技術對產品進行分類并添加對應的工藝屬性特性，與知識庫的標簽進行匹配，將知識庫中高相似度的產品調用出來，基于此快速、標準的開展工藝詳細設計。

圖1 產品工藝詳細設計過程示意圖

圖2 飛機設計結構示意圖

2 工藝制造路徑成組分類

大型復雜的飛機部件通常難以整體制造和維護，因此為了滿足飛機使用、維護和生產工藝的需求，整架飛機的機體可以被分解為多個組件。

針對飛機常見分類如下：機體、動力系統(tǒng)、起飛著陸裝置、操縱系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、燃油滑油系統(tǒng)、防火防冰系統(tǒng)、座艙環(huán)境控制系統(tǒng)、氧氣系統(tǒng)、彈射救生系統(tǒng)、機載武器系統(tǒng)，以及航空電子系統(tǒng)組成，每個系統(tǒng)又由多種設備或部件組成。此種分類是按照系統(tǒng)的功能或物流進行區(qū)分，可以顯而易見地看出零件的用途和安裝結構，但對于工藝設計本身來說并不能具備很好的指導意義。以工藝制造的視角，其設計人員更加偏向于解析模型層，便于知悉其材料屬性、制造工藝類別、尺寸大小、功能屬性，以此來判斷零件的工藝設計過程。

從狹義的視角來看待工藝設計過程，工藝人員根據設計提供的數模，識別三維零件的各個形狀特征、設計要求并結合工藝方案完成工藝詳細設計。在工藝設計過程中，工藝人員首先從：零件的名稱、類型、幾何尺寸作為主要的參考依據，概略地判斷其制造方法，后根據具體設計要求、工藝要求調整和組合具體的制造方法以實現產品的設計要求。

在此過程中，熟練的工藝人員并非完全創(chuàng)新一套新的工藝制造方法，而是通過判斷其產品類型，在成熟且工藝穩(wěn)定的產品中找到一款類似的產品，再經過一些調整和優(yōu)化使其符合新產品的設計要求。新產品需要具有一定的繼承性[1]，正是利用成組技術這點完成工藝詳細設計，且這么做的優(yōu)勢非常明顯，從工藝設計視角看，成組分類具有提高效率、優(yōu)化資源、知識傳承、質量控制和創(chuàng)新推動的必要性。

以圖3 展示的產品的制造工序流示意圖為例，產品的制造方法主要受到產品類型、材料和幾何尺寸的決定性影響。其次，是根據設計的一些特殊的制造要求要反映在制造方法文件中，如：熱處理要求、表面處理要求，檢測要求，特殊要求等。

圖3 產品成組分類示意圖

根據上文分析可知，同一成組產品的制造方法是具有相似性，因此如何組成分類成為重點。根據成組技術的相似性原理，將具有相似工藝制造方法的產品歸為同一組，并利用直觀法和分析法對產品進行成組分類。在成組分類的過程中需注意：確保分類結果應具有實用性，能夠滿足實際需求，對于特殊類型的產品建議不列入分析；確保分類結果應保持一致性，相同的技術要求或屬性應該被歸為同一組；分類結果應準確反映工藝的特征和屬性；成組分類的過程并非一蹴而就，需要漫長的積累，其分類的過程中需要具有可擴展性，可持續(xù)適應新的情境和要求。根據企業(yè)的現狀，以及成組分類的方法和要求，現對企業(yè)進行成組分類如下：

第一層級的專業(yè)分類，由于要保證制造出來的產品具有相同工藝性能，并且可以產生規(guī)模經濟，在成本和工藝性的要求下，制造企業(yè)往往會自發(fā)地進行資源重組，使之同專業(yè)、同類型的產品在一個制造單元（車間）進行制造，因此其制造/裝配的第一層級的分類可以車間作為單位完成第一層級的分類。

第二層級的產品分類，可參考車間下屬的產線作為參考進行劃分，通過車間生產的具體產品類型進行下一層級的劃分。此層次作為產品的分類層，可基本看出產品的類型、結構、尺寸。

由于第二層級產品分類只能大概的看出產品類型，因此需要在此基礎上開展第三層的分簇，使之可以更細致表達產品分類。此層將在產品分類的基礎上，按照材料、幾何尺寸、特性等進行分簇歸類。

按照以上規(guī)則完成產品成組分類，如表1所示，某企業(yè)機械加工某車間的產品分類。

表1 某車間工藝制造路徑成組分類示意表

完成產品的成組分類后，產品制造的通用方法基本上可以確定，因此可以建立第一套原型產品制造工藝方法文件。在第三層級下的指令文件層，由于設計產品可能會有一些特殊要求，例如需要表面處理或熱處理等，因此可以在分簇（三級）節(jié)點下建立多種常用配置的指令文件，例如：某產品指令噴漆版、某產品指令無損檢測版、某產品指令回火處理版等。

通過以上步驟，可以完成工藝制造路徑的成組分類。這樣的分類方法可以提高工藝制造的效率和準確性，同時也可以為后續(xù)產品制造提供參考和指導。

3 MBD信息的工藝化應用

工藝制造路徑成組分類完成后，如何對設計模型中包含的設計要素進行識別和提取成為核心難點功能。目前，設計單位基本已經擺脫二維出圖實現三維設計、三維發(fā)圖[2]，但下游工藝端對于MBD信息的信息化使用一直存在斷層。工藝部門并未找到一個合適的方法來使用三維模型數據，往往采用人工讀圖，以氣泡法人工標記設計要求，后再應用和落實到指令文件當中。

近年來，航空工業(yè)一直致力于推動信息化和數字化的發(fā)展，各設計單位已經成功實現了基于MBD 的數模發(fā)圖。相較于傳統(tǒng)的紙張或CAD 工程圖，MBD 技術具有以下優(yōu)勢：可以直觀地查看三維模型，模型本身作為主要信息的載體，承載了80%的信息要素；MBD 技術對設計要素信息進行了結構化處理，為下游工藝系統(tǒng)的使用提供了可能。

因此，如何對設計模型和設計要素進行識別和提取成為核心難點功能。如圖4所示，MBD 數據信息組成可以分為三個部分[3]：幾何模型，采用幾何元素描述設計三維模型特征；幾何注釋信息，采用在三維環(huán)境中對設計特征進行PMI 標注；非幾何信息，采用的制式模板對一些三維不易表達的信息進行記錄。

圖4 MBD 數據模型示意圖

MBD 數據信息中包含的幾何模型和幾何標注信息，此類信息與具體的模型特征關聯(lián)，需要具備特征識別能力，但目前特征識別的識別率和準確性都較低，暫無有效的手段實現信息提取以達到工程化應用的效果。而非幾何信息，其承載了大量的設計要素，且數據不與三維模型直接關聯(lián)，數據信息具備結構化提取的可能。因此，本位著重介紹對于MBD 模型中的非幾何信息部分工藝端應用。

4 基于MBD 的知識化輔助工藝設計

4.1 MBD信息提取

MBD 數據集提供了完整產品制造工程信息，工藝制造端可根據MBD 數模開展工藝設計活動，MBD 數模包含了零組件設計幾何模型、三維公差注釋、零/組件坐標系與工程制造信息，MBD 非幾何信息示如表2所示。

表2 MBD 非幾何注釋信息示意表

MBD 三維數模標注包括：尺寸、公差、基準體系、注釋和符號。除了這些信息，還包含了在建模結構樹上明確的工藝規(guī)范和精度要求等約束條件。有些附加信息無法用三維標注來表達，在檢測系統(tǒng)中以屬性的方式呈現。MBD 數據集中的屬性包括工程要求、材料要求和其他相關數據要求。其中，工程要求包括：通用要求、技術要求、零件說明、熱處理、表面處理、復材堆疊等。材料要求涵蓋了毛坯尺寸、主材/輔材說明。其他數據要求包括：零部件表、分析數據、工藝過程要求和最終要求等內容。

目前航空工業(yè)的主流使用CATIA 軟件進行設計，部分單位使用UG/NX 軟件。以達索CATIA 軟件為例，其MBD 的信息解析主要使用基于CATIA 的二次開發(fā)解析工具，CATIA 的兩種開發(fā)手段是Automation 技術和組件應用架構（ Component Application Architecture，CAA）技術[4]。Automation 技術以COM為基礎，提供開放的代碼，允許對程序進行操作，但該技術的可供交互的數據接口有限。企業(yè)可根據需要自行選擇解析技術，通過使用MBD 解析軟件運行CATIA 模型數模，根據MBD信息模板解析出對應的MBD信息[5]，后錄入系統(tǒng)，以備后續(xù)使用。

4.2 MBD信息池整合形成工藝特征

獲取到對應產品的MBD信息后，需要將MBD信息與專業(yè)的工程要求進行關聯(lián)。此處可以引出“工藝特征”的概念，工藝特征預想達到的效果與“標簽”類似，為產品貼上多項工程制造要求的屬性標簽，以達到匹配工藝制造路徑的需要。

由于設計語言與工藝語言的映射[6]存在多對一或一對多的情況，因此，需建立一個規(guī)則集合以規(guī)避其設計工藝表述不一致的情況，后根據具體的工程需求和MBD信息的屬性，確定最終的工程特征標簽。例如，如果一個工程特征標簽可以對應多種不同的MBD信息，可以根據工程的具體要求和MBD信息的細節(jié)，使用規(guī)則集合來確定最終的工程特征標簽。具體的操作為：建立一個分析層來轉化和過濾MBD信息與工程特征標簽之間的關系，形成一個映射規(guī)則的表，將MBD信息中的材料標注轉化為工藝特征標簽。其分析層具體的實現方式如下：例如將Q195 和Q215A 雖然材料不一致，但在工藝設計人員視角都按照“碳素材料”的工藝制造方法處理。這樣可實現MBD信息向工藝特征標簽的映射，無論是Q195 還是Q215A，都會按照碳素材料進行處理。

通過建立這樣的分析層，可以有效地轉化和過濾MBD信息，使得它能夠更準確地反映實際的工程需求。這將提升工藝端對MBD信息的信息化和知識化應用，從而以提升工程設計的效率和準確性。

建立工藝特征與MBD信息關系完成后，即可通過MBD 數模根據建立的規(guī)則匹配出對應產品制造所需的工藝特征。例如：獲取到彈簧件的MBD 數模，通過MBD信息得到工藝要素有：產品的類型為彈簧；產品的材質為碳素；熱處理要求高溫；需要測力工序。

將產品打上工藝特征的標簽可以被視為將設計語言初步轉換為工藝語言的過程。這種轉換能夠幫助工藝人員更輕松地理解和應用產品的工藝特征。通過為產品添加標簽，工藝特征得以明確的呈現，從而提供了一種便捷的方式來傳達設計意圖和工藝要求，見圖5。工藝人員可以根據這些標簽快速了解產品的特點和要求，從而有效地進行相應的工藝應用。

圖5 MBD信息提取后形成工藝特征標示意圖

4.3 工藝知識庫建立與輔助決策

產品獲得對應的工藝制造特性的標簽后，可將工藝制造路徑形成的分類分簇相結合，形成工藝制造的知識庫。其知識庫的基本結構采用工藝制造路徑中的分組分類，如圖6所示，第一層級采用企業(yè)的制造單元（車間）作為分類，二級和三級分類作為產品的分類層和分簇層，三級節(jié)點下為具體的制造方法（指令文件），在指令文件中關聯(lián)定義與之匹配的工藝特征標簽。通過對比產品特征標簽與制造方法（指令文件）的特征標簽的一致性，即可反映產品與制造方法匹配程度。

圖6 基于MBD信息的輔助決策示意圖

由于工藝特征的對于制造方法影響程度會存在一定的差異，例如，產品的類型、材料對于工藝方法的影響程度是遠大于檢測要求，因此在進行工藝調整算法比對的時候可以增加權重項?？蓞⒖既缦鹿剑?/p>

式中：Y表示工藝特征匹配符合度；i表示得到工藝特征匹配的數量；Pi表示第i項匹配的工藝特征權重數值。

后根據得到的Y值（匹配符合度）按照高低順序進行排列，作為輔助決策的結果供人工選擇使用。

完成工藝特征匹配程度配置后，基于圖6 的輔助決策機制則構建完成。當設計人員接收到產品詳細設計任務的時候，根據產品圖號觸發(fā)基于MBD信息解析和輔助決策，將近似匹配結果從知識庫中選擇合適的工藝制造方法，并將匹配的結果展給工藝人員。后期，工藝人員可基于此標準的設計方法進行少量修訂，即可完成標準、準確工藝制造文件。

在工藝詳細過程中添加此決策機制，一方面可以提升工藝人員編制的效率，且避免因人員認知不同而導致工藝不穩(wěn)定。另一方面，為企業(yè)提供工藝制造知識的積累平臺，后期可圍繞知識庫展開的工藝技術升級，也將為企業(yè)的長遠發(fā)展提供強有力的支持。

5 結束語

現有階段工藝設計人員無法很好的使用和承接MBD信息，存在明顯的信息斷層，需要人工對比信息通過氣泡法、對照法進行工藝承接，這就導致在工藝設計存在兩個層面的弊端，對于個人而言：工藝設計人員存在大量重復性勞動，且人工識別設計要素效率慢，大量科技人才處于低效率工作狀態(tài)；對于制造企業(yè)而言：缺乏一個知識存儲、積累的平臺，大量的工藝知識、制造裝配方法存放在工藝專家腦中，造成工藝穩(wěn)定性不好控制。將成組技術與MBD 技術結合，服務于工藝詳細設計，可夯實企業(yè)工藝設計基礎，提高工藝設計的效率。企業(yè)的工藝設計重心投放在知識庫的建設當中，將高薪人才從低效能的重復性工作中解放出來，投身在工藝技術發(fā)展當中。

本文通過對工藝知識的分類研究，探討了工藝知識在指令文件層級的應用。然而，隨著企業(yè)數據結構化和知識化的不斷積累，以及信息技術領域的發(fā)展，相信工藝知識輔助決策可以應用在工藝詳細設計工序級、方案層或其他領域。未來的研究可以進一步探索如何將大數據、人工智能和工藝特征識別等技術應用于工藝知識的應用和決策支持，從而提高工藝設計的效率和質量。為相關領域的學者和從業(yè)人員提供一定的參考和啟示。