基于MBD信息和工艺成组技术在工艺设计中的研究

杨 懿 赵一伋 陶九超

(金航数码科技有限责任公司，北京 100028)

1 引言

航空产品设计数据的管理方式采用配置构型的技术状态方式管理，以满足不同飞机定制方的不同场景需求，会在产品的顶层建立构型层，并通过配置的方式替换MBD 数模，以实现飞机设计的模块化替代。此种替代将很好地满足市场个性化的需求，同时对于生产带来的则是“多品种小批量”的生产模式。

在多品种小批量的生产模式下，企业为保证成本、进度、质量符合生产任务的要求，通常会将多个型号的产品结构打散，根据工艺方案、产品类型和工艺特性对生产状态下的多个型号产品进行分组，并将分组后的产品交由车间进行制造生产。为了提高生产效率和产品质量，企业通常将相同专业或工艺特性的产品分配到同一个车间进行制造。这样可实现生产规模的优化，并产生批产效应。而且，这种分配方式还有助于合理分配企业整合资源各车间的工艺资源，提升物流和利润的效益。

通过分析各航空制造单位的现状，从制造角度看，制造单位应根据产品类别、制造特性和方案进行分类整合，以保障产品的工艺和维护性能一致性。可发现企业的车间制造已经完成了工艺制造的第一层级分组，然而这种分组仍然无法满足制造方法的分类要求。故而需要利用成组技术对车间内的产品进行更细致的分类和分簇，在得到已经分类分簇的产品后，其产品的制造方法还是受到各种设计约束影响，无法得到最终的工艺制造方法，是因为设计会要求产品具有特殊的工艺属性，如：是否需要无损检测、热处理要求、材料要求、表面处理要求等都会影响产品的加工方法和加工顺序。恰好此类信息利用MBD 技术存放在设计发布的数模中，因此通过对MBD信息的解析和提取，加上产品的分类分簇，可以初步推断出大多数产品的制造/装配工艺方法。

根据设计模型与制造方法之间的关系如图1所示，得到产品的制造/装配工艺方法之后，可在企业的各个车间级形成符合本单位加工方法的制造知识库。新的产品数模发布后，利用成组技术对产品进行分类并添加对应的工艺属性特性，与知识库的标签进行匹配，将知识库中高相似度的产品调用出来，基于此快速、标准的开展工艺详细设计。

图1 产品工艺详细设计过程示意图

图2 飞机设计结构示意图

2 工艺制造路径成组分类

大型复杂的飞机部件通常难以整体制造和维护，因此为了满足飞机使用、维护和生产工艺的需求，整架飞机的机体可以被分解为多个组件。

针对飞机常见分类如下：机体、动力系统、起飞着陆装置、操纵系统、液压系统、燃油滑油系统、防火防冰系统、座舱环境控制系统、氧气系统、弹射救生系统、机载武器系统，以及航空电子系统组成，每个系统又由多种设备或部件组成。此种分类是按照系统的功能或物流进行区分，可以显而易见地看出零件的用途和安装结构，但对于工艺设计本身来说并不能具备很好的指导意义。以工艺制造的视角，其设计人员更加偏向于解析模型层，便于知悉其材料属性、制造工艺类别、尺寸大小、功能属性，以此来判断零件的工艺设计过程。

从狭义的视角来看待工艺设计过程，工艺人员根据设计提供的数模，识别三维零件的各个形状特征、设计要求并结合工艺方案完成工艺详细设计。在工艺设计过程中，工艺人员首先从：零件的名称、类型、几何尺寸作为主要的参考依据，概略地判断其制造方法，后根据具体设计要求、工艺要求调整和组合具体的制造方法以实现产品的设计要求。

在此过程中，熟练的工艺人员并非完全创新一套新的工艺制造方法，而是通过判断其产品类型，在成熟且工艺稳定的产品中找到一款类似的产品，再经过一些调整和优化使其符合新产品的设计要求。新产品需要具有一定的继承性[1]，正是利用成组技术这点完成工艺详细设计，且这么做的优势非常明显，从工艺设计视角看，成组分类具有提高效率、优化资源、知识传承、质量控制和创新推动的必要性。

以图3 展示的产品的制造工序流示意图为例，产品的制造方法主要受到产品类型、材料和几何尺寸的决定性影响。其次，是根据设计的一些特殊的制造要求要反映在制造方法文件中，如：热处理要求、表面处理要求，检测要求，特殊要求等。

图3 产品成组分类示意图

根据上文分析可知，同一成组产品的制造方法是具有相似性，因此如何组成分类成为重点。根据成组技术的相似性原理，将具有相似工艺制造方法的产品归为同一组，并利用直观法和分析法对产品进行成组分类。在成组分类的过程中需注意：确保分类结果应具有实用性，能够满足实际需求，对于特殊类型的产品建议不列入分析；确保分类结果应保持一致性，相同的技术要求或属性应该被归为同一组；分类结果应准确反映工艺的特征和属性；成组分类的过程并非一蹴而就，需要漫长的积累，其分类的过程中需要具有可扩展性，可持续适应新的情境和要求。根据企业的现状，以及成组分类的方法和要求，现对企业进行成组分类如下：

第一层级的专业分类，由于要保证制造出来的产品具有相同工艺性能，并且可以产生规模经济，在成本和工艺性的要求下，制造企业往往会自发地进行资源重组，使之同专业、同类型的产品在一个制造单元（车间）进行制造，因此其制造/装配的第一层级的分类可以车间作为单位完成第一层级的分类。

第二层级的产品分类，可参考车间下属的产线作为参考进行划分，通过车间生产的具体产品类型进行下一层级的划分。此层次作为产品的分类层，可基本看出产品的类型、结构、尺寸。

由于第二层级产品分类只能大概的看出产品类型，因此需要在此基础上开展第三层的分簇，使之可以更细致表达产品分类。此层将在产品分类的基础上，按照材料、几何尺寸、特性等进行分簇归类。

按照以上规则完成产品成组分类，如表1所示，某企业机械加工某车间的产品分类。

表1 某车间工艺制造路径成组分类示意表

完成产品的成组分类后，产品制造的通用方法基本上可以确定，因此可以建立第一套原型产品制造工艺方法文件。在第三层级下的指令文件层，由于设计产品可能会有一些特殊要求，例如需要表面处理或热处理等，因此可以在分簇（三级）节点下建立多种常用配置的指令文件，例如：某产品指令喷漆版、某产品指令无损检测版、某产品指令回火处理版等。

通过以上步骤，可以完成工艺制造路径的成组分类。这样的分类方法可以提高工艺制造的效率和准确性，同时也可以为后续产品制造提供参考和指导。

3 MBD信息的工艺化应用

工艺制造路径成组分类完成后，如何对设计模型中包含的设计要素进行识别和提取成为核心难点功能。目前，设计单位基本已经摆脱二维出图实现三维设计、三维发图[2]，但下游工艺端对于MBD信息的信息化使用一直存在断层。工艺部门并未找到一个合适的方法来使用三维模型数据，往往采用人工读图，以气泡法人工标记设计要求，后再应用和落实到指令文件当中。

近年来，航空工业一直致力于推动信息化和数字化的发展，各设计单位已经成功实现了基于MBD 的数模发图。相较于传统的纸张或CAD 工程图，MBD 技术具有以下优势：可以直观地查看三维模型，模型本身作为主要信息的载体，承载了80%的信息要素；MBD 技术对设计要素信息进行了结构化处理，为下游工艺系统的使用提供了可能。

因此，如何对设计模型和设计要素进行识别和提取成为核心难点功能。如图4所示，MBD 数据信息组成可以分为三个部分[3]：几何模型，采用几何元素描述设计三维模型特征；几何注释信息，采用在三维环境中对设计特征进行PMI 标注；非几何信息，采用的制式模板对一些三维不易表达的信息进行记录。

图4 MBD 数据模型示意图

MBD 数据信息中包含的几何模型和几何标注信息，此类信息与具体的模型特征关联，需要具备特征识别能力，但目前特征识别的识别率和准确性都较低，暂无有效的手段实现信息提取以达到工程化应用的效果。而非几何信息，其承载了大量的设计要素，且数据不与三维模型直接关联，数据信息具备结构化提取的可能。因此，本位着重介绍对于MBD 模型中的非几何信息部分工艺端应用。

4 基于MBD 的知识化辅助工艺设计

4.1 MBD信息提取

MBD 数据集提供了完整产品制造工程信息，工艺制造端可根据MBD 数模开展工艺设计活动，MBD 数模包含了零组件设计几何模型、三维公差注释、零/组件坐标系与工程制造信息，MBD 非几何信息示如表2所示。

表2 MBD 非几何注释信息示意表

MBD 三维数模标注包括：尺寸、公差、基准体系、注释和符号。除了这些信息，还包含了在建模结构树上明确的工艺规范和精度要求等约束条件。有些附加信息无法用三维标注来表达，在检测系统中以属性的方式呈现。MBD 数据集中的属性包括工程要求、材料要求和其他相关数据要求。其中，工程要求包括：通用要求、技术要求、零件说明、热处理、表面处理、复材堆叠等。材料要求涵盖了毛坯尺寸、主材/辅材说明。其他数据要求包括：零部件表、分析数据、工艺过程要求和最终要求等内容。

目前航空工业的主流使用CATIA 软件进行设计，部分单位使用UG/NX 软件。以达索CATIA 软件为例，其MBD 的信息解析主要使用基于CATIA 的二次开发解析工具，CATIA 的两种开发手段是Automation 技术和组件应用架构（ Component Application Architecture，CAA）技术[4]。Automation 技术以COM为基础，提供开放的代码，允许对程序进行操作，但该技术的可供交互的数据接口有限。企业可根据需要自行选择解析技术，通过使用MBD 解析软件运行CATIA 模型数模，根据MBD信息模板解析出对应的MBD信息[5]，后录入系统，以备后续使用。

4.2 MBD信息池整合形成工艺特征

获取到对应产品的MBD信息后，需要将MBD信息与专业的工程要求进行关联。此处可以引出“工艺特征”的概念，工艺特征预想达到的效果与“标签”类似，为产品贴上多项工程制造要求的属性标签，以达到匹配工艺制造路径的需要。

由于设计语言与工艺语言的映射[6]存在多对一或一对多的情况，因此，需建立一个规则集合以规避其设计工艺表述不一致的情况，后根据具体的工程需求和MBD信息的属性，确定最终的工程特征标签。例如，如果一个工程特征标签可以对应多种不同的MBD信息，可以根据工程的具体要求和MBD信息的细节，使用规则集合来确定最终的工程特征标签。具体的操作为：建立一个分析层来转化和过滤MBD信息与工程特征标签之间的关系，形成一个映射规则的表，将MBD信息中的材料标注转化为工艺特征标签。其分析层具体的实现方式如下：例如将Q195 和Q215A 虽然材料不一致，但在工艺设计人员视角都按照“碳素材料”的工艺制造方法处理。这样可实现MBD信息向工艺特征标签的映射，无论是Q195 还是Q215A，都会按照碳素材料进行处理。

通过建立这样的分析层，可以有效地转化和过滤MBD信息，使得它能够更准确地反映实际的工程需求。这将提升工艺端对MBD信息的信息化和知识化应用，从而以提升工程设计的效率和准确性。

建立工艺特征与MBD信息关系完成后，即可通过MBD 数模根据建立的规则匹配出对应产品制造所需的工艺特征。例如：获取到弹簧件的MBD 数模，通过MBD信息得到工艺要素有：产品的类型为弹簧；产品的材质为碳素；热处理要求高温；需要测力工序。

将产品打上工艺特征的标签可以被视为将设计语言初步转换为工艺语言的过程。这种转换能够帮助工艺人员更轻松地理解和应用产品的工艺特征。通过为产品添加标签，工艺特征得以明确的呈现，从而提供了一种便捷的方式来传达设计意图和工艺要求，见图5。工艺人员可以根据这些标签快速了解产品的特点和要求，从而有效地进行相应的工艺应用。

图5 MBD信息提取后形成工艺特征标示意图

4.3 工艺知识库建立与辅助决策

产品获得对应的工艺制造特性的标签后，可将工艺制造路径形成的分类分簇相结合，形成工艺制造的知识库。其知识库的基本结构采用工艺制造路径中的分组分类，如图6所示，第一层级采用企业的制造单元（车间）作为分类，二级和三级分类作为产品的分类层和分簇层，三级节点下为具体的制造方法（指令文件），在指令文件中关联定义与之匹配的工艺特征标签。通过对比产品特征标签与制造方法（指令文件）的特征标签的一致性，即可反映产品与制造方法匹配程度。

图6 基于MBD信息的辅助决策示意图

由于工艺特征的对于制造方法影响程度会存在一定的差异，例如，产品的类型、材料对于工艺方法的影响程度是远大于检测要求，因此在进行工艺调整算法比对的时候可以增加权重项。可参考如下公式：

式中：Y表示工艺特征匹配符合度；i表示得到工艺特征匹配的数量；Pi表示第i项匹配的工艺特征权重数值。

后根据得到的Y值（匹配符合度）按照高低顺序进行排列，作为辅助决策的结果供人工选择使用。

完成工艺特征匹配程度配置后，基于图6 的辅助决策机制则构建完成。当设计人员接收到产品详细设计任务的时候，根据产品图号触发基于MBD信息解析和辅助决策，将近似匹配结果从知识库中选择合适的工艺制造方法，并将匹配的结果展给工艺人员。后期，工艺人员可基于此标准的设计方法进行少量修订，即可完成标准、准确工艺制造文件。

在工艺详细过程中添加此决策机制，一方面可以提升工艺人员编制的效率，且避免因人员认知不同而导致工艺不稳定。另一方面，为企业提供工艺制造知识的积累平台，后期可围绕知识库展开的工艺技术升级，也将为企业的长远发展提供强有力的支持。

5 结束语

现有阶段工艺设计人员无法很好的使用和承接MBD信息，存在明显的信息断层，需要人工对比信息通过气泡法、对照法进行工艺承接，这就导致在工艺设计存在两个层面的弊端，对于个人而言：工艺设计人员存在大量重复性劳动，且人工识别设计要素效率慢，大量科技人才处于低效率工作状态；对于制造企业而言：缺乏一个知识存储、积累的平台，大量的工艺知识、制造装配方法存放在工艺专家脑中，造成工艺稳定性不好控制。将成组技术与MBD 技术结合，服务于工艺详细设计，可夯实企业工艺设计基础，提高工艺设计的效率。企业的工艺设计重心投放在知识库的建设当中，将高薪人才从低效能的重复性工作中解放出来，投身在工艺技术发展当中。

本文通过对工艺知识的分类研究，探讨了工艺知识在指令文件层级的应用。然而，随着企业数据结构化和知识化的不断积累，以及信息技术领域的发展，相信工艺知识辅助决策可以应用在工艺详细设计工序级、方案层或其他领域。未来的研究可以进一步探索如何将大数据、人工智能和工艺特征识别等技术应用于工艺知识的应用和决策支持，从而提高工艺设计的效率和质量。为相关领域的学者和从业人员提供一定的参考和启示。