北京航空航天大學 喬立紅教授
1 數(shù)字化制造的挑戰(zhàn)
今天的制造技術與系統(tǒng)已不僅僅是單一的數(shù)字化的設計，已經(jīng)從設計、制造到整個產(chǎn)品全生命周期，實際上設計制造一直到產(chǎn)品報廢的整個過程，數(shù)據(jù)和信息系統(tǒng)是支撐的必要手段和基礎。圖1為今天的制造系統(tǒng)與技術。
圖1 今天的制造系統(tǒng)與技術
今后的制造技術會向數(shù)字化制造、網(wǎng)絡制造以及基于知識的制造方向發(fā)展，對于企業(yè)來說，將更加關注如何快速實現(xiàn)批量生產(chǎn)，以及如何降低制造的成本，尤其是傳統(tǒng)單件小批的航空航天企業(yè)以及傳統(tǒng)的大批量生產(chǎn)企業(yè)像汽車、家電等。在數(shù)字化技術的發(fā)展從二維CAD基于工程圖的設計和制造到三維數(shù)字樣機的應用，到協(xié)同和知識重用的趨勢下，迫切的需要解決三維產(chǎn)品模型的應用問題。目前，大部分公司已利用三維CAD進行設計，基于三維的產(chǎn)品模型如何有效實現(xiàn)整個設計制造過程的三維化、智能化、協(xié)同化和服務化，是當前也是今后數(shù)字化制造的發(fā)展重點與方向。數(shù)字化技術是基礎，制造數(shù)據(jù)是核心。制造數(shù)據(jù)是非常復雜的，而且要以三維為載體，在設計制造的各個環(huán)節(jié)中數(shù)據(jù)從源頭一直延伸下去，圍繞產(chǎn)品的全生命周期傳遞，不僅傳遞，還要進行同步操作集成和協(xié)同的問題，即數(shù)字化制造面臨著數(shù)據(jù)復雜、三維表達困難、數(shù)據(jù)無法有效傳遞以及如何實現(xiàn)信息集成幾各方面的挑戰(zhàn)。圖2為數(shù)字化制造技術的發(fā)展路線。
圖2 數(shù)字化制造技術的發(fā)展
2 產(chǎn)品設計制造信息及其特點
2.1 產(chǎn)品定義技術的發(fā)展
大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)以來，產(chǎn)品定義經(jīng)歷了從二維到三維模型發(fā)展的4個階段，如圖3所示。在這個過程中，產(chǎn)品定義技術給企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)帶來了很多機會也帶來很多挑戰(zhàn)。早期的產(chǎn)品數(shù)字化定義通過創(chuàng)建二維工程圖，實現(xiàn)用計算機進行產(chǎn)品設計。二維工程圖是貫穿產(chǎn)品市場調(diào)研、方案確定、設計、制造、檢測、安裝、使用和維修過程中的技術信息載體。實體建模等3D建模技術誕生后，方便了產(chǎn)品設計表達手段，加速了數(shù)字化產(chǎn)品定義的發(fā)展，可有效解決二維工程圖應用匯總難以解決的諸如復雜的投影線生成問題、尺寸漏標問題、漏畫圖線問題以及機構幾何關系和運動關系的分析問題等，此時的三維產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)能提供產(chǎn)品幾何信息，仍不能直接提供下游工藝和現(xiàn)場生產(chǎn)中需要的工藝信息，如加工表面精度信息、材料及熱處理信息、以及加工規(guī)范等，制造過程中仍需要二維圖紙來表達零件的精確制造準則。參數(shù)化造型技術出現(xiàn)使得三維CAD具有了基于特征、全尺寸約束、全數(shù)據(jù)相關及尺寸驅動設計修改等新功能，使三維模型能夠通過添加三維方式的注釋提示、注釋與形狀的數(shù)字連接的功能提供尺寸、公差、表面粗糙度等部分幾何工藝信息，但尚難以直觀且無二義地表達諸如某表面的粗糙度、表面間的結合方式、間隙的設置、要求符合的規(guī)格與標準等非幾何信息，因此仍需要采用二維工程圖以清晰地表達產(chǎn)品的制造要求。隨著CAD技術在90年代末加入三維標注的功能，AMSE開展了系列數(shù)字化定義標準的研究，以及波音公司在2004年啟動的787項目中全面推廣新的基于模型的數(shù)字化定義技術（Model Based Definition，MBD）體系，企業(yè)目前開始更多地研究和推進全三維制造，這是今后CAD應用的方向。
圖3 產(chǎn)品定義技術的發(fā)展
2.2 產(chǎn)品定義中應遵循的重要標準規(guī)范
全三維設計制造應用的難點主要在與制造數(shù)據(jù)是否能夠完整表達傳遞，解決這個問題的關鍵之一在于產(chǎn)品在定義中應遵循一定的標準規(guī)范，目前在這方面的國際標準有GPS和MBD。
2.2.1 GPS
GPS是產(chǎn)品幾何技術規(guī)范（Geometrical Product Specifications），有一系列標準，ISO1101:2004；GB/T 1182-2008等。GPS包含宏觀和微觀幾何規(guī)范，尺寸和形位公差、表面特征等幾何精度規(guī)范；相關的檢驗原則、測量器具要求和校準規(guī)范；基本表達和圖樣標注的解釋；不確定度的評定和控制，貫穿于產(chǎn)品從設計到制造的全過程。
新一代GPS在標注方面進行了改進，GPS標準體系蘊含工業(yè)化大生產(chǎn)的基本特征，反映了技術發(fā)展的內(nèi)在要求，為產(chǎn)品技術評估提供了“通用語言”；由于實際加工出的零件幾何形狀，并非理想形狀，新一代GPS提出了針對零件更豐富的尺寸概念。
2.2.2 MBD
MBD是基于模型的數(shù)字化定義，已成為國際標準 ISO-16792 即產(chǎn)品技術文件－數(shù)字化產(chǎn)品定義規(guī)范。它一個用集成的三維實體模型來完整表達產(chǎn)品定義信息的方法體，詳細規(guī)定了三維實體模型中的產(chǎn)品尺寸、公差的標注規(guī)則和工藝信息的表達方法。
3 制造過程信息建模
數(shù)字化制造的核心是制造信息的生成、表達與傳遞。由于三維建模技術在航空航天產(chǎn)品設計中的廣泛發(fā)展與應用，應用三維模型已成為工藝設計必然要求，但三維模型應用與數(shù)字化工藝設計相結合具有新的特點和要求，使得三維產(chǎn)品模型利用、數(shù)字化工藝設計決策方法、三維數(shù)字化工藝文檔的生成、工藝數(shù)據(jù)庫和工藝知識庫的建立等問題都有待深入研究。由此來看，制造過程信息生成技術（即工藝設計技術）已成為提高制造企業(yè)生產(chǎn)智能化和自動化綜合水平的瓶頸，亟待改進與提高。
制造過程信息對制造資源組織、作業(yè)計劃制定、制造過程的控制以及供應鏈的安排等都將產(chǎn)生影響。它是與過程相關的信息，具有時間屬性，包括：產(chǎn)品、工件幾何及質量要求；資源要求（設備、工裝等）；加工控制參數(shù)設定（如切削用量等）；制造管理信息（工時定額，工人等級，工作屬性等）；其它物料需求（原材料，消耗輔料，能源，消耗性工具等）。從信息屬性的角度看，產(chǎn)品的設計信息是一種靜態(tài)信息，它只是產(chǎn)品最終狀態(tài)的描述。而工藝信息是動態(tài)的過程信息，它不僅有產(chǎn)品幾何形狀和屬性的描述，更重要的是它描述了從毛坯到最終產(chǎn)品的變化過程。
同一個產(chǎn)品/零件的制造過程中，加工活動的不同順序或者制造資源的不同選擇都會產(chǎn)生不同的工藝路線，這些不同的工藝路線形成了產(chǎn)品/零件的多工藝路線。多工藝路線的形成可以歸納為工序替換、工序順序無關及資源替換三種因素：
1）工序替換是指一個或一組工序可以被具有相同加工能力的另一個或一組工序替換，這些工序共同構成了工藝過程中的可選擇替代的工序方案；
2）工序順序無關是指相互之間沒有先后順序約束的一組工序，生產(chǎn)調(diào)度中可以根據(jù)需要調(diào)換這些工序的先后順序；
3）制造資源替換是指同一個工序中，可以相互替換的制造資源。
工藝過程信息模型的構建應當具有一致性、正確性、完整性以及通用性的特點，可采用由本體表達、本體建模、邏輯建模及物理建模四個步驟組成的系統(tǒng)化建模方法，圖4為工藝過程關系信息的本體定義與表達示例，圖5為在工藝過程信息模型基礎上的一個實現(xiàn)裝配仿真建模與協(xié)同決策的應用場景實例。
圖4 工序關聯(lián)關系
圖5 裝配仿真建模與協(xié)同決策應用實例
4 三維數(shù)字化制造
在三維數(shù)字化制造方面，國內(nèi)外許多企業(yè)和研究單位已經(jīng)開展了這方面的研究與應用。一種三維數(shù)字化制造的新的應用模式是，在并行協(xié)同設計中，應用MBD，以信息樹和標注等表現(xiàn)形式對產(chǎn)品的制造信息進行表達，推動下游基于三維模型進行制造活動；應用三維數(shù)字化工藝設計工具，進行工藝設計，包括直接獲取產(chǎn)品設計模型和制造特征信息進行工藝路線設計，三維工序尺寸及公差設計，三維工序模型生成，數(shù)控編程以及三維可視化工藝的生成等；應用PDM/PLM系統(tǒng)實現(xiàn)設計制造數(shù)據(jù)的集成管理。下圖6、圖7分別為以三維模型為基礎的三維數(shù)字化制造和CAD/CAPP/CAM/MPM…系統(tǒng)的信息集成。
圖6 以三維模型為基礎的三維數(shù)字化制造
圖7 CAD/CAPP/CAM/MPM…系統(tǒng)的信息集成
本文根據(jù)北京航空航天大學喬立紅教授在“2012中國制造業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新數(shù)字化國際峰會”上的發(fā)言錄音整理，已經(jīng)本人確認！
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本文標題：北京航空航天大學喬立紅教授：CAD/CAPP/CAM/MPM技術的應用現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)
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