隨著信息化技術的不斷發(fā)展，發(fā)達國家的飛機制造企業(yè)通過三維數(shù)字化技術的應用有效提升了工藝設計水平，解決了在航空產(chǎn)品數(shù)字化工藝設計、制造方面的標準統(tǒng)一和系統(tǒng)整合等問題，保證了業(yè)務應用系統(tǒng)基礎數(shù)據(jù)的一致性和規(guī)范性。國內(nèi)飛機制造企業(yè)經(jīng)過長期的三維工藝設計與仿真、CAX/CAPP/MES系統(tǒng)集成等技術的研究，突破了基于模型的定義（MBD）、三維工藝設計可視化、三維裝配過程仿真驗證及優(yōu)化、三維工作指令的創(chuàng)建、發(fā)放及瀏覽、多系統(tǒng)集成和業(yè)務流程優(yōu)化等關鍵技術瓶頸，構建了體系完整的、能支撐裝配、機加、鈑金、冶金等各類工藝設計業(yè)務需求的三維化、系統(tǒng)化、集成化的企業(yè)級數(shù)字化工藝設計平臺，實現(xiàn)了傳統(tǒng)二維工藝設計制造體系向三維數(shù)字化工藝設計制造體系的成功轉型。
二維工藝設計
工藝設計是連接設計和生產(chǎn)的橋梁，傳統(tǒng)二維環(huán)境下，工藝設計工作是依托于設計發(fā)放的二維工程圖，在CAPP系統(tǒng)中開展工藝設計、配套表及工藝卡片編制及流程簽審等工作，再以紙質(zhì)工藝卡片形式下發(fā)至生產(chǎn)單位，加上生產(chǎn)現(xiàn)場配套的操作說明、安全規(guī)程等紙質(zhì)文件，最終指導生產(chǎn)人員加工制造的工藝體系。其核心還未跳出二維平面工藝設計的束縛，缺乏形象化的、三維空間化進行工藝設計的功能。
在整個產(chǎn)品設計制造的信息傳遞過程中，由于設計人員、工藝人員、生產(chǎn)人員不斷進行著二維、三維的重構，造成了巨大的時間浪費和諸多的理解歧義；設計人員以三維方式完成產(chǎn)品設計，將其轉化為二維圖紙，作為合法文件發(fā)放給制造部門；工藝人員拿到二維圖紙后，首先必須理解原始設計意圖，將二維設計圖紙在思維中還原為三維模型，再編制出指導生產(chǎn)作業(yè)的二維工藝指令，生產(chǎn)人員拿到二維工程指令之后，需再次將二維圖紙及工藝指令還原為三維模型及三維工藝過程，以理解產(chǎn)品和工藝人員的設計意圖，這個從設計到工藝再到生產(chǎn)的過程數(shù)據(jù)傳遞量大、周期長（如圖1所示），極易出現(xiàn)由于設計、工藝及生產(chǎn)人員對于二維、三維信息理解不同而導致意圖表達不清，甚至理解完全錯誤的危險。
圖1 產(chǎn)品描述信息傳遞與轉化過程
三維工藝設計
三維工藝設計面向飛機工藝研制全過程，包括工藝方案策劃與三維工藝詳細設計各個階段中相關的業(yè)務工作。
1.工藝方案策劃
飛機總體設計階段，制造企業(yè)已開始進行工藝總方案設計，并通過采用基于成熟度的協(xié)同工藝審查的方法，依據(jù)設計成果，同步展開后續(xù)工藝策劃工作，包括裝配協(xié)調(diào)、零件制造技術、工藝分離面、部件裝配圖表等一系列工藝指導性文件的定義與編制。
工藝方案策劃階段，制造企業(yè)的工藝人員在虛擬的三維空間內(nèi)進行工藝分離面劃分，對產(chǎn)品的EBOM結構進行重構，并補充產(chǎn)品工藝路線（流水）以及工組件，搭建產(chǎn)品PBOM，作為后續(xù)裝配工藝、零件工藝等詳細工藝設計的數(shù)據(jù)基礎。
2.零件（機加/鈑金）工藝設計（冷加工工藝設計）
零件工藝分為機加工藝與鈑金工藝。機加工藝是指使用傳統(tǒng)人工操作的車、銑、刨、磨工藝設備以及數(shù)控設備進行零件制造；鈑金工藝種類繁多，在航空制造企業(yè)中主要用到的鈑金工藝有閘壓、滾壓、液壓成形等。三維零件工藝注重的是對輕量化模型和MBD數(shù)據(jù)集的利用，并結合零件工藝仿真分析功能，提高零件工藝設計效率和水平，三維零件工藝（指令）電子數(shù)據(jù)包編輯環(huán)境如圖2所示。
圖2 三維零件工藝(指令)電子數(shù)據(jù)包設計
（1）零件工藝設計工序定義及工序模型的構建。
零件工藝設計一方面是由毛坯開始，一步步加工最終形成符合設計要求的零件狀態(tài)，而在實際過程中工藝人員需要參考設計模型，逆向設計出反應其中間加工過程的工序模型，另一方面將工藝設計與仿真優(yōu)化相結合，優(yōu)化工藝過程，獲得最優(yōu)工藝設計方案，作為工序定義的指導。
（2）三維零件工藝電子數(shù)據(jù)包創(chuàng)建、編輯和查看。
三維零件工藝指令不是傳統(tǒng)的電子表格或紙質(zhì)文檔，而是將結構化工藝過程信息與三維模型、視圖、動畫等緊密結合，形成三維零件工藝（指令）的電子數(shù)據(jù)包。并通過提供一個直觀的、可視化界面，工藝及制造相關人員可直接查看零件工藝的電子數(shù)據(jù)包的內(nèi)容。
3.冶金工藝設計（熱加工工藝設計）
冶金專業(yè)下屬多個專業(yè)，包括鍛造、鑄造、熱處理、表面處理、焊接等。冶金工藝按照工藝類別的不同，對三維化的需求也各有區(qū)別。如焊接工藝需要在三維數(shù)模上對焊縫位置、焊接順序進行標示；表面處理工藝需要利用三維數(shù)模在立體空間中進行鍍層、噴漆、化銑、表面轉換、導管隔熱的加工范圍等信息的標示；鑄造工藝需要根據(jù)產(chǎn)品模型留好鑄造余量，并利用三維模型展現(xiàn)相應澆筑系統(tǒng)的設計。
總體來說，冶金工藝設計三維化需求不及零件、裝配工藝需求強烈，但仍可分析各類冶金工藝的具體需求，引入產(chǎn)品三維模型，仿照三維零件、裝配工藝設計方式，在三維模型上進行相關信息標識，以三維視圖方式描述工序狀態(tài)，幫助工藝人員更直觀地展示相關工藝過程信息。
4.裝配工藝設計
基于MBD的裝配工藝是指以輕量化三維模型為基礎，利用MBD數(shù)據(jù)集信息和數(shù)字化、結構化的方法來定義并展示整個工藝過程，實現(xiàn)高效、合理的裝配工藝設計。三維裝配工藝（指令）電子數(shù)據(jù)包編輯環(huán)境如圖3所示。
圖3 三維裝配工藝(指令)電子數(shù)據(jù)包設計
（1）裝配工藝設計工序定義及工序模型構建。
裝配工藝設計的首要工作是對產(chǎn)品裝配過程、裝配順序、定位方案等進行規(guī)劃，在此基礎上進行裝配工序的定義，并構建與工序過程匹配的三維工序模型，工序模型還應包含對應的產(chǎn)品模型、工裝模型以及與工序內(nèi)容匹配的三維視圖、工序作業(yè)指導信息（標注信息、輔助說明信息、工藝尺寸信息等）。并使整個工序內(nèi)容和三維模型有機關聯(lián)起來。
（2）三維裝配工藝電子數(shù)據(jù)包創(chuàng)建、編輯和查看。
通過工序模型的定義，以三維模型替代傳統(tǒng)的二維圖紙或原理圖，工藝指令中操作步驟都以三維視圖及三維動畫為主，結構化的文字信息為輔的方式來描述工藝過程，三維條件下的工藝指令是將結構化工藝過程信息（標準格式）與模型、視圖、動畫等三維信息（輕量化格式）相結合，形成可指導裝配人員工作的三維裝配工藝（指令）電子數(shù)據(jù)包。
5.工藝數(shù)據(jù)管理
在三維數(shù)字化工藝設計環(huán)境下，工藝知識的存儲、共享和應用方式發(fā)生了巨大的變化。這需要建立支持三維數(shù)字化工藝設計的相關知識、資源庫及模板，實現(xiàn)對工藝數(shù)據(jù)的標準化管理與應用，提高工藝設計的效率和質(zhì)量。
（1）工藝知識管理。
工藝知識管理就是通過管理企業(yè)內(nèi)與工藝知識相關的文檔類資源，充分利用工藝專家的經(jīng)驗與知識積累，實現(xiàn)對工藝設計過程中業(yè)務的智能化在線幫助。主要包括工藝術語庫、工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫、數(shù)控程序數(shù)據(jù)庫、切削參數(shù)庫、鈑金成型參數(shù)庫等的管理；以及對文檔類工藝知識庫，包括工藝手冊、工藝標準與程序、技術總結、學習資料等的分類管理。
（2）工藝資源管理。
依據(jù)三維數(shù)字化工藝的需求，構建工藝資源庫，規(guī)范工藝設計過程中各類資源，包括裝配、加工的設備、工藝裝備、材料屬性等的描述與管理，并通過對這些資源進行標準模板定義，實現(xiàn)設計制造信息的統(tǒng)一管理和資源信息引用的規(guī)范性、高效性。
（3）典型工藝管理。
典型工藝管理就是根據(jù)同類零部件結構和尺寸的變化，設計出一種或幾種經(jīng)過優(yōu)化的加工或裝配工藝范例，包括機械加工類典型工藝、鍛造類零件典型工藝、鑄造類典型工藝、鈑金類典型工藝等，供工藝人員在設計時重復使用，進而幫助企業(yè)按照自身需求通過工藝工作的標準化、規(guī)范化工作實現(xiàn)典型工藝的提煉、存儲、管理和使用。
6.生產(chǎn)現(xiàn)場可視化
在三維工藝模式下三維數(shù)據(jù)（模型等）替代了二維工程圖紙和紙質(zhì)工藝指令。三維工藝電子數(shù)據(jù)包（指令）成為生產(chǎn)現(xiàn)場工作的技術依據(jù)，通過工藝設計平臺與生產(chǎn)管理系統(tǒng)的集成，將三維工藝指令等工藝數(shù)據(jù)信息發(fā)放到車間生產(chǎn)現(xiàn)場，并以三維的、動態(tài)的、交互式的定制界面展示、描述工藝過程，將生產(chǎn)工藝、人員、設備、工裝及工具等資源信息有效集成，通過直觀的界面顯示產(chǎn)品的設計結構關系、工藝結構關系和幾何模型，顯示工藝仿真過程和工裝使用定位方法，顯示與仿真過程相應的操作說明等，使工人按指令進行操作，準確快速地查閱工藝過程中需要的信息，提高工作的準確性和效率。
三維工藝設計平臺
金航通過對上述三維工藝設計平臺功能的研究，并結合相關企業(yè)的實際需求，構建了包括頂層工藝方案設計、三維裝配工藝設計、三維零件工藝設計、三維冶金工藝設計、工藝知識庫、工藝資源庫、典型工藝庫等功能模塊在內(nèi)的三維工藝設計平臺，實現(xiàn)了與上下游相關業(yè)務系統(tǒng)，數(shù)據(jù)與流程的緊密集成與管理，其功能組成如圖4所示。
圖4 三維工藝設計系統(tǒng)
（1）三維工藝設計。
針對三維工藝設計正成為企業(yè)的需求的熱點，構建了以輕量化三維模型為核心的，以三維視圖及動畫為手段的詳細工藝設計的核心功能。
（2）知識的管理與應用。
滿足三維工藝設計的需求，總結企業(yè)的工藝設計知識，實現(xiàn)相關工藝知識及資源的管理，提高工藝設計系統(tǒng)的知識水平。
（3）網(wǎng)絡化的集成研制。
通過網(wǎng)絡技術，將工藝系統(tǒng)與CAX、PDM系統(tǒng)等集成，實現(xiàn)工藝設計延伸到生產(chǎn)管理的全過程，從而發(fā)揮工藝設計系統(tǒng)在產(chǎn)品全生命周期中的信息中樞和功能調(diào)節(jié)作用。
（4）可重構的工藝設計。
工藝設計系統(tǒng)能夠持續(xù)滿足企業(yè)的個性化和變化的需求，進行模塊化管理，并依據(jù)不同的需求，具備二次開發(fā)、可重構和定制相關功能的能力。
結論
MBD技術的應用使三維模型成為制造過程中的唯一依據(jù)，本文提出了三維工藝設計平臺工作思路和實現(xiàn)方法，并構建出平臺的原型系統(tǒng)，實現(xiàn)三維數(shù)字化定義、三維工藝設計與仿真、基于輕量化模型的工藝過程可視化技術以及CAX/PDM/MES多系統(tǒng)集成技術的應用，有效地縮短產(chǎn)品研制周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，真正實現(xiàn)無二維圖紙、無紙質(zhì)工作指令的三維數(shù)字化集成制造，有效改善生產(chǎn)現(xiàn)場工作環(huán)境，使現(xiàn)場工人容易理解，減少了操作錯誤，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。三維數(shù)字化工藝設計技術的深入應用必將推動我國飛機制造業(yè)的快速發(fā)展。
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本文標題：航空制造領域中三維工藝技術的應用
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