全机工艺模型管理技术研究

张文俊，钟国兴，李仁花，陈志敏，雷玉如，熊国翠，邹草云

（航空工业洪都，江西南昌，330024）

0 引言

飞机工艺模型是产品设计模型的数字量向制造过程的延拓，是满足新型号飞机产品数字化制造要求的关键。设计模型可以用一个三维实体模型定义（简称“一次建模”），准确地描述出产品的最终形状和尺寸，而其工艺模型往往是由此衍化生成的一系列模型（简称“二次建模”）。目前，飞机产品信息载体已由三维模型和二维图纸相结合发展到以三维模型为主，并开展了基于模型定义技术的应用。新型号数字化制造要求从制造全过程的不同需求来全面地定义产品工艺模型，是进行工艺设计、工艺装备设计和设备控制的基本依据。然而，对面向制造的“二次建模”及工艺模型管理的研究则十分有限，不仅使得数字化定义模型的应用效能未充分发挥，而且对数字化制造的推进形成重大技术瓶颈。随着新型号产品研制过程的进展，对工艺模型承载的内容及其定义与管理模式提出了新的要求。

制造工艺链是一个整体，各个工艺模型之间相互关联和影响，数据管理具有模型结构复杂、数据来源多样、部门之间交互使用等特点。从技术发展历程看，要求其定义和管理从手工建模、文档式管理逐步转变为快速定义和系统组织管理。

当前国内对产品数字化定义、制造模型等技术的研究和应用迅速发展，但对全机工艺模型还缺乏系统研究。本文研究是由型号研制工程需求所牵引，利用当前新的数字化技术并综合国内主机厂的成熟做法，提出解决思路。其中，蒙皮、整体壁板、框肋等类型钣金件工艺模型的研究已得到初步应用，在某项目研制过程中初步建立了各类典型件的工艺模型；全机工艺模型管理可借鉴产品设计数据的管理思想再结合工艺模型数据及定义过程的特点，研究全机工艺模型数据管理方法；对工艺模型建模及其质量控制则采用基于CATIA二次开发的技术，结合典型的机加、钣金、复材和装配件工艺模型建模内容开展研究。本文研究紧密结合型号工程对象，不仅有利于研究成果的工程应用，而且有利于企业制造技术的深入发展。

1 全机工艺模型及其运行控制方式

本文从全机工艺模型内容入手，在型号研制基础上，逐步展开从全机工艺模型应用、管理和建模技术的研究；针对型号产品典型件，分析典型制造工艺下工艺模型内容、应用过程，建立全机工艺模型管理方法。

1.1 全机工艺模型数据组织

飞机数字化设计制造技术的关键是全三维模型数字量载体下制造时空范围内产品信息内容表达及其定义。产品三维模型是产品数据的核心，面向制造的全三维产品模型的核心是基于三维的数字化设计与制造工程信息的表达与传递。产品三维模型是产品数据的核心。面向产品设计制造全过程，三维模型分为三维设计模型和三维制造模型，工艺模型又分为工艺模型、工装模型。三维设计模型、工艺模型和工装模型共同构成三维综合化模型，反映飞机设计制造中产品、工艺和资源三类要素信息（见图1）。

1）设计模型包含产品最终形状和产品制造信息，是产品信息表达的唯一载体。由于结构特征及制造工艺方法的不同，机加、钣金、复材、装配件模型内容需要结合专业特点进行规范，相应的设计技术也不尽相同。

2）工艺模型以设计模型为依据，根据零部件工艺过程各工序的需求，由毛坯等多个工序件模型组成。工艺模型实现了上与产品设计部门的数据关联，下对生产部门、工装设计部门、检验部门传递信息，是从根本上促进生产模式转变的关键。

3）工装模型表达机加夹具、成形模具、复合成型模具和装配型架的几何与非几何信息，用于工装产品的生产和检验等。

图1 产品模型、工装模型、工艺模型数据传递关系

全机工艺模型是对各个制造工艺链各个状态模型进行组织和描述，包含面向下料、加工、连接、检测等各类工序补充定义几何和非几何信息，构成完整的制造模型数据集，用于产品的控形工装设计、数控编程和检测（见图2、图3）。

1.2 全机工艺模型数据源构建方案

图2 飞机产品工艺模型信息组织

全机工艺模型数据源的构建目的在于从根本上解决飞机制造过程中的工艺模型数据传递和管理问题。基于制造模型数据源的制造数据流如图4所示。设计数据直接传递给数据源之后，制造过程的所有零部件设计数据均从制造数据源中获取；工艺设计和模具设计均从数据源中获取与其设计过程相关的状态模型，并将结果反馈给制造模型数据源，使得制造模型数据源成为真正意义上的零件制造过程数据的“唯一源头”。

图3 面向制造的产品三维设计模型与工艺模型

图4 基于工艺模型数据源的制造数据流

数字化条件下飞机制造技术的发展，使得工艺模型数据管理出现了迫切需要解决的问题。各部门大量的三维模型和数据、图片、文档等需要有序规范地组织和应用，工艺模型为数据的组织提供了一种有效的方法。工艺模型数据源是面向制造全过程，将物理上分布于多个数据库中的工艺模型数据，经过合理地组织形成一个逻辑、物理上单一的数据库，并采用制造模型的组织与管理方法在数据之间建立严格的约束，以保证工艺模型数据的唯一性、完整性和有效性，为飞机产品提供工艺模型数据。

1.3 全机工艺模型数据集成应用

面向制造过程，定义出产品制造需要的工艺模型，构建以工艺设计、工装设计、加工、成形、装配和检测的全数字量传递的制造系统，实现产品设计、工艺设计、数控程编、模拟仿真的一体化和集成化，减少传递过程中对延拓信息的增减而带来对数据集的频繁更改，保证数据的一致性与准确性（见图5）。

以工艺模型传递为特征的飞机数字化制造技术转变主要表现在：

图5 飞机工艺模型数据集成应用过程

1）设计方法：基于CAD开发机加零件、钣金零件、复材零件、装配件、工装模具的数字化定义工具，结合飞机结构特点制定工艺模型、工装模型的数字化建模规范，支持制造模型规范化定义。

2）制造依据：钣金零件、复材零件、装配件，其形状、安装定位的工装模具、型架等，其设计依据从设计模型向工艺模型转变，变革以经验为主的试错工艺方式，以保证设计的工装与产品之间的协调性。

3）加工依据：应用装配过程仿真等虚拟制造技术，在生产现场变革以图纸为依据的制造方式，建立以数字量为制造依据的制造和检测方式，实现加工和装配过程的可视化、高效化和精密化。

4）制造管理：变革传统的生产流程，新建适应数字化工艺模型和工装模型的制造业务模式与单源制造数据管理方法，实现数字化制造的信息流、过程流畅通。

2 全机工艺模型数据管理方法

为了对全机工艺模型数据进行科学有效的管理，通过构建人员管理模型、数据管理模型和流程管理模型来管理，构建符合制造特点、满足全机工艺模型定义与应用要求的管理模型。

2.1 人员管理模型

飞机制造是一个多部门协作的过程，构建其人员管理模型，有利于科学、合理地表达工艺模型管理的执行者。人员管理模型也称角色-权限管理模型。飞机制造过程的实质是人员对数据处理的过程，在这个过程中人员与数据以角色为纽带连接起来，角色是人员在制造活动中的表征。

定义制造的人员角色及其主要职责如表1所示。采用“主管—组长—设计员”的三级角色模型，与企业制造部门相一致，可以有效地实现全机工艺模型模型的管理。

表1 制造部门、角色与职责

针对零部件制造中部门组织与人员角色的特点，工艺模型的管理采用基于规则的权限控制方法。结合制造中数据的权限管理现状，定义全机工艺模型管理中文件对象的操作权限如表2所示。

在全机工艺模型管理中，将所有与零部件制造相关的数据文件进行集中式管理，便于存取和共享。不仅符合新型号全机工艺模型的特点，而且满足了数据安全性要求。

表2 工艺模型管理的权限

2.2 节点数据模型

全机工艺模型中的数据产生于不同的制造环节，如下料、成形、装配等。每个模型下包含三维模型、二维模型、设计说明等数据。数据来源不同决定了数据产生的先后顺序有别，具有很强的时序性，数据类型的不同决定了数据存储结构的差异。

将工艺模型数据以“状态”为节点组织起来，即工艺模型结构树。便于对制造状态所包含的各种数据进行管理，可以有效地解决零件制造过程中不同阶段对数据的使用和管理问题。如图6所示，以成形工艺模型为例构建节点数据模型，并详细描述了节点数据模型的内容。

图6 工艺模型组织结构

对于不同类型的飞机零部件，其节点数据模型不尽相同。以面向制造过程、管理方便和工程实用为目标，节点数据模型组织原则如下：

1）建立以零部件为根节点的结构树，然后在其中创建状态子节点。

2）所有的数据都与状态版本相关。

3）状态版本中的数据对象及其内容在创建后按照相应流程依次填充。

4）不同的状态子节点之间避免数据冗余。

2.3 设计流程管理模型

工艺模型为工艺和工装设计提供单一的工序件数据，其应用改变了传统制造的“串行”工作流程，促进了制造部门的协同工作。在分析制造流程的基础上，以成形件工艺模型的设计为例，结合角色-权限管理模型，建立“设计-校对-审定”三级设计流程管理模型。如表3所示。

表3 成形工艺模型设计流程管理模型

2.4 基于PDM系统的集成应用框架

PDM系统是集成并管理与产品有关的人员、数据和流程的软件系统。其自身强大的功能为其本身与其它应用软件的集成提供了可能。不同的应用系统从PDM系统提取各自所需的数据，再将结果返回PDM系统中，从而实现基于PDM系统的集成应用。在本文集成方案中，通过对企业现有系统进行人员、数据构型和流程的定制开发，使之满足全机工艺模型管理需求，保证制造全过程中工艺模型的一致性管理。

面向不同应用的工艺模型，其状态信息具有不同的数据定义格式，系统间通过数据访问接口实现工艺模型数据的传递与转换。基于PDM系统的应用集成框架如图7所示。其中，由于产品设计数据管理也是PDM系统，可以实现与工艺模型管理的紧密集成，确保数字化设计与制造模型数据的一致性。

3 结语

本文研究了全机工艺模型建模与管理技术，研究成果直接应用于新型号的工艺模型建模与管理，使得在制造技术中不仅通过异地协同平台使产品设计和制造在过程上结合日益紧密，而且通过数字化制造模型建立起制造域内的数据源，使产品数据在产品设计、制造工艺设计到制造工艺过程的一致性得以保证，根据工艺模型所设计的成形模具、工艺参数或加工指令，可以制造出质量稳定、合格的零件产品，实现型号产品制造的快速化、精确化和节约化。