三维数字化模式下航天产品工艺设计浅析

赵彦广，王秀芝

（天津航天长征火箭制造有限公司，天津 300462）

0 引言

随着近年来航天制造业的迅猛发展，运载火箭研制凸显出质量高、品种多、任务重、周期紧的行业特点，急需借助数字化制造技术建立起先进的数字化生产制造模式，提升航天制造综合水平。目前，通过基于模型定义（MBD）技术的应用，运载火箭研制已实现了型号产品的三维数字化设计和三维模型下厂，但产品生产制造环节仍然没有形成完整的基于三维模型的工艺设计和管理模式，暂未打通数字化制造链路，现已无法适应高强度研发和高密度发射的航天任务新形势。

1 三维数字化工艺

数字化工艺系统起源于计算机辅助工艺过程设计（CAPP），它是数字化制造领域发展最为薄弱的部分之一。工艺设计与管理搭建了设计与制造间的桥梁，产品设计信息通过工艺设计过程才能生成可供制造环节使用的信息，因此工艺设计与管理在实现数字化制造过程中角色十分重要。近年来，随着基于MBD 技术的CAD／CAM 系统广泛应用，传统上基于二维的CAPP 系统已不能满足数字化制造的发展需求。三维数字化工艺系统是基于MBD 的三维数字化制造体系中的核心部分，从根本上改变了以往二维图纸作为信息传递介质的产品工艺设计与管理过程，工艺人员依据体系和规范，可以直接根据设计三维模型开展三维数字化的工艺方案和工艺过程设计，实现单一数据源管理。

2 数字化制造技术发展现状

2.1 国际应用现状

数字化制造是将现代信息技术与制造科学技术深度结合的交叉技术，它不只是生产工具的更新换代，更是对现有生产方式的改变。汽车制造业是数字化制造技术应用较为广泛和深入的行业。通用汽车公司为了提高知识的可重用性，通过数字化工厂建设实现了已存在工艺设计、规划和生产线设计等方面的知识共享和重复利用，提高了工艺设计的“一次成功率”；福特汽车公司在数字化制造环境下开展虚拟装配分析，优化了装配流程和工序设置，大幅缩减了新车投产周期，并实现了成本控制。

航空航天产业作为典型的离散型工业，也在加紧开展数字化制造技术的推广应用。以波音、洛克希德·马丁等为代表的国际航天制造企业在数字化技术应用方面取得了飞速发展，在产品研制过程中通过并行协同技术应用和全过程数字化制造系统的建立，实现了产品的全生命周期集成，通过信息建模、信息处理和仿真分析等提升技术优势和研制能力，着力发展基于MBD 的数字化制造技术，使数字化互换协调、数字化仿真、三维数字化测量等先进技术得到了广泛应用，构建数字化生产制造体系，推动航天产业的快速发展。

2.2 国内应用现状及存在问题

国内航天型号研制一直采用设计与制造分离的研制模式，随着三维设计技术的广泛应用，航天型号工艺管理环节逐步形成了以AVIDM、Teamcenter、PPS 等信息化系统为依托的产品技术状态会签、传递、控制、分发和落实的工艺管理模式，并在个别专业范围内形成了数字化仿真能力，实现了设计信息和工艺信息电子化，但管理模式实质上仍然停留在基于二维CAPP 系统的工艺设计与管理层面，并且未实现各系统间的深度融合、数据共享，未从根本上改变传统的工艺管理方式。航天产品工艺设计仍主要靠工艺人员经验编制工艺指导文件来实现，现有工艺设计系统未对工艺设计规范性进行约束，也未建立必要的知识库对工艺文件中的关键信息进行标准化和规范化管理。产品加工和装配工艺文件仍采用自然语言＋二维图示的方式进行表达，不能足够直观地表达装配过程和工艺要求，操作人员需要花费大量时间翻阅图纸／模型、工艺文件、标准规范等资料去理解和熟悉装配过程。由于缺少虚拟装配仿真手段和可视化的装配过程指导，实际生产过程中更多依赖产品实物试装和操作工人个体经验开展工作，易造成理解错误、错装漏装等质量不稳定问题。

另外，当前各航天企业均在引入PDM、ERP、MES等信息化系统进行数字化制造平台建设，但由于各系统间集成度低，实际工艺、生产、质量等各系统信息仍相互独立，未形成工艺、生产、质量数据链路的协同环境。随着航天制造业的日益发展，建立基于三维数字化的工艺设计与开发、工艺仿真与优化、知识管理与应用为一体的数字化工艺设计与管理平台需求迫切，也为企业一体化的产品数字化制造平台建设、真正实现航天产品数字化制造提供有力支撑。

3 三维数字化模式下工艺设计与管理思考

三维数字化工艺设计（如图1 所示）是工艺人员在三维数字化环境下，以三维产品模型为基础，建立数字化制造工艺设计与管理方法，通过工艺决策生成工艺信息和三维工艺模型，形成以工艺数字样机为核心的数字化工艺设计体系。它的目标是以三维模型为基础，建立数字化工艺设计方法，构建三维数字化设计环境，形成三维数字化工艺用以指导现场生产，提升产品数字化工艺设计水平和型号研制效率。三维数字化工艺便于通过仿真技术验证工艺合理性，通过提供多个视角的三维工艺信息表达实现工艺过程可视化。三维数字化使工艺设计从基于传统经验向基于科学计算发生了巨大转变，不仅可以大大提升工艺设计的准确性，也转变了现有工艺设计与管理依赖高素质工艺人员的局面。

图1 三维工艺设计方法

3.1 三维工艺信息表达

航天产品工艺设计仍然基于二维的CAPP 系统，工艺规程需要采用文字、附图等形式表达产品配套、制造资源、工序设计、操作要求、检验点设置等信息，甚至还要起到质量控制记录的作用，为了更加全面、细化地描述工艺相关要求，工艺文件编制越来越复杂烦琐，亟须深入研究基于三维模型的工艺信息表达方式，寻求通过三维工艺模型和视图建立、动态装配演示等更直观地传递工艺状态和要求，实现工艺过程可视化。

三维工艺信息表达基于三维工艺模型建立，解决了二维CAPP 工艺设计手段存在的文件打印归档管理、版本控制等问题。三维工艺模型建立是三维设计模型的使用和再设计过程，主要包括工艺模型建立、工艺信息标识、制造资源配置和工艺要求描述等几个方面：工艺模型建立是基于三维设计模型建立零件毛坯、工艺状态模型、工序模型等，用于描述特定节点的基础几何信息；工艺信息标识主要是添加关键尺寸、定位基准、技术条件等非几何信息；制造资源配置包括工装、刀具、标准件、辅料等的配套信息；工艺要求描述包括操作流程、操作注意事项、检验节点和要求等信息。根据实际信息化硬件建设水平，可进一步对工艺模型进行适当的轻量化处理，只保留生产中需要的可视化信息，提高计算机响应速度。通过上述三维工艺模型的建立，完整地表达出产品制造所需的工艺信息，使三维工艺模型成为指导生产制造过程的唯一依据和标准，不仅集成了二维CAPP 系统的工艺要求内容，同时借助三维设计模型的几何结构实现了工艺设计可视化。

3.2 基于三维数字化的工艺决策

基于三维模型的自动工艺决策是三维数字化工艺设计的关键技术，自动工艺决策主要涉及加工方式选择、加工工序设置、工艺参数和工艺装备匹配等项目的选择决策。传统的工艺决策方式很大程度上依赖工艺人员的能力和经验，缺乏对三维设计模型中几何信息的处理，基于三维模型的工艺决策技术可以形成通用的工艺自动决策功能，基于三维模型开展工艺自动设计和调整，从而实现帮助工艺人员提升工艺设计效率的目的。

工艺自动决策技术是三维数字化模式下工艺设计需着力研究的内容，研究通过三维模型特征和几何信息的提取，依据产品提取信息生成制造工艺方法，实现工艺方法与制造资源的匹配、制造工序的设计与优化，减少工艺方案出现冲突时造成的工艺设计反复迭代，同时提升了工艺设计工作质量。同时，以人工智能和知识工程相关理论技术为背景，建立依托典型结构特征的工艺信息间逻辑推演关系，实现依据产品特征信息生成制造工艺方法的知识推理，对基于三维数字化的工艺决策将有极大的推动作用。

3.3 三维工艺仿真

三维数字化工艺设计带来的另一个优势是可以利用仿真手段验证工艺设计方案的正确性，数字化仿真模拟技术是提升工艺设计能力的有力手段。随着科学技术不断发展，工艺仿真软件几乎覆盖了航天制造的各个专业，如通过CAE 软件仿真分析箱底充液拉深成形规律或焊接温度－应力－变形场以迭代优化工艺参数、通过Vericut 开展数控加工路径的正确性验证和过切检查仿真（如图2 所示）等，对工艺设计过程中寻求“最优工艺参数组合”提供了极大帮助。

图2 Vericut 数控加工仿真

航天产品系统集成度高，结构复杂，装配精度高，操作空间有限、难度大，对装配工艺设计提出了较高的要求，装配工艺仿真技术应用需求迫切。采用装配工艺仿真技术可以对装配过程的夹具设计、装配顺序等进行规划，采用动态装配过程仿真为工艺设计人员提供三维虚拟制造环境以验证装配过程合理性和装配方法正确性，提前发现问题、优化工艺设计。同时，采用人机工程仿真（如图3 所示）评估人体在特定环境下的行为表现，有助于分析装配工艺设计的人体可操作性和可达性，提前预知安全隐患，减少对实物原型和真实仿真的依赖。

图3 人机工程仿真示例

3.4 三维工艺数据管理

基于三维数字化工艺设计的工艺数据管理与二维CAPP 模式相比，在工艺知识和资源数据的储存与管理、共享与应用等方面有很大的区别。三维数字化环境下的工艺数据管理需要更好地以推动制造自动化为目标，首先将工艺数据进行分类细化，将现有产品类信息、工艺类数据、资源类数据等进行结构化收集，建立数据管理标准体系，形成工艺数据基础库，为后续的共享、分析和利用做好准备。在工艺数据基础库全面准确的基础上，规范工艺设计过程应用到的各类资源，包括加工装配设备、工艺装备、材料属性、加工方法等的描述与管理，通过对资源进行模板化定义，实现工艺设计和制造信息的统一管理，提升资源信息引用的高效性、规范性。

在上述工作基础上，开展典型工艺范例的建立与管理，参照产品类型和特点设计相应的典型加工或装配工艺范例，使工艺人员在工艺设计过程中可作为模版重复使用，提升工艺设计工作的标准化和规范化程度。同时，开展基于规则索引的工艺推理方法，建立规则索引推理机制，将产品结构特征和工艺方法与资源配置进行有机对应结合，通过系统智能学习提升工艺决策能力，支撑系统为工艺人员推荐工艺数据库中最合理的工艺方法、最优的工序排序和最合理的制造资源配置，提高工艺数据的提取、存放、管理和应用水平。

4 结语

三维数字化产品设计在航天制造领域已得到较为广泛的应用，为适应航天产品研制模式转变，工艺设计和工艺管理向数字化、信息化发展已成为必然趋势，可视化的三维工艺设计信息表达、自动化的工艺决策方式、便捷可靠的工艺仿真分析和单一源、标准化的工艺数据管理，将为打通航天产品全三维数字化设计、制造链路提供更加智能、高效、可靠的解决途径。