北京航空航天大學(xué) 喬立紅教授

1 數(shù)字制造

    1.1 信息消費

    信息消費，是目前無論在網(wǎng)絡(luò)上，還是從政府，到學(xué)校或者企業(yè)，都非常熱門的話題。日益發(fā)展的社會經(jīng)濟(jì)，使得人們對于產(chǎn)品的追求更加多樣化和個性化。一個產(chǎn)品從材質(zhì)到外觀到功能等等，這些表達(dá)都是用信息來承載的。因此，產(chǎn)品的多樣化，其本質(zhì)就是信息的多樣化。

    在信息消費的前提下，從產(chǎn)品研發(fā)的角度，企業(yè)要解決的問題是什么？多樣化的產(chǎn)品信息如何方便地使用和表達(dá)？如何快速地把這些信息轉(zhuǎn)化為實物？在轉(zhuǎn)化為實物的過程中，如何產(chǎn)生中間過程的控制信息？在這一系列問題中，信息的表達(dá)是關(guān)鍵。

    1.2 數(shù)字化制造

    數(shù)字化制造，最革命性的標(biāo)志是在1952年，美國麻省理工學(xué)院誕生了第一臺數(shù)控機(jī)床。由于數(shù)控機(jī)床的誕生，使得人們生產(chǎn)產(chǎn)品的生產(chǎn)方式得到了極大的改變，把原來人工生產(chǎn)的方式變?yōu)橛蓹C(jī)器來生產(chǎn)，使生產(chǎn)的信息可以通過數(shù)字信息得以表達(dá)。

    其后，數(shù)字化制造技術(shù)得到了非常大的發(fā)展。Digital Manufacturing，不僅僅限于狹義的生產(chǎn)加工的概念，實際上也涉及到了借信息化的手段，使得產(chǎn)品的設(shè)計、制造以及管理等整個過程，能夠得到優(yōu)化和知識化。數(shù)字化制造，以及數(shù)字化工廠，就是更多的采用信息技術(shù)和數(shù)字化的技術(shù)，去直接控制制造過程，使整個生產(chǎn)過程，都可以通過計算機(jī)實現(xiàn)。

    近幾年來非常火熱的3D打印技術(shù)，實際上也是數(shù)字化制造的一種，它是徹底地改變了傳統(tǒng)的制造方式。3D打印是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。它無需機(jī)械加工或任何模具，就能直接從計算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件。近年，3D打印在我國的研究取得了很大的進(jìn)展，以北航王華明教授為首的研發(fā)團(tuán)隊采用激光快速成型技術(shù)，突破了飛機(jī)鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件激光快速成形工藝及應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)件疲勞、斷裂韌性等主要力學(xué)性能達(dá)到鈦合金模鍛件水平，成功了實現(xiàn)激光快速成形TA15鈦合金飛機(jī)角盒，TC4鈦合金飛機(jī)座椅支座及腹鰭接頭等4種飛機(jī)鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件在3種飛機(jī)上的裝機(jī)應(yīng)用。

圖1 數(shù)字化制造和數(shù)字化工廠

2 三維數(shù)字化制造信息建模

    2.1 數(shù)字制造及信息消費時代的產(chǎn)品信息特征

    在數(shù)字制造的信息消費時代，產(chǎn)品的信息，可以總結(jié)為四個特征：

    1）多樣化

    包括產(chǎn)品多樣性、制造工藝多樣性和過程多樣性。

    2）復(fù)雜化

    主要指產(chǎn)品復(fù)雜、制造過程復(fù)雜。

    3）模型化

    3D產(chǎn)品、資源及工廠

    4）語義化

    主要指知識化、智能化的產(chǎn)品、材料、工藝和生產(chǎn)信息；支持協(xié)同決策；易于信息集成。

    這為模型的表達(dá)和信息的處理帶來了更多新的挑戰(zhàn)。MBD以及MBE技術(shù)的出現(xiàn)就是不斷地尋求新的技術(shù)和方法的結(jié)果，不僅是設(shè)計、制造上基于模型，甚至于整個全生命周期，整個企業(yè)都是基于三維模型的。

圖2 MBD及MBE技術(shù)下的三維應(yīng)用

    2.2 三維工藝模型的定義

    為了大幅降低開發(fā)新型軍用車輛的成本和時間，改變現(xiàn)有的設(shè)計和制造流程，美國國防高級計劃研究局（DARPA）啟動了“自適應(yīng)車輛制造”(AVM)項目，采用了基于模型的設(shè)計、系統(tǒng)工程、“分級抽象”（hierarchical abstraction）的系統(tǒng)設(shè)計方法、尋找更有效的類似半導(dǎo)體行業(yè)的“構(gòu)建糾錯”(correct by construction)流程，開發(fā)創(chuàng)新分離設(shè)計制造技術(shù)等新制造方法。

    我們正在進(jìn)行的研究包括定義三維工藝模型MPM(Manufacturing Process Model)，制造產(chǎn)品的狀態(tài)模型MP3D，產(chǎn)品制造信息MP，MP3D與MPI之間的關(guān)系Rm。MPM由產(chǎn)品的狀態(tài)模型、制造信息以及它們的關(guān)系所構(gòu)成，它主要體現(xiàn)制造是一個過程，有時間特性，可以表達(dá)成流，可以表達(dá)成快照，在制造過程中有不同的狀態(tài)，不同的瞬間，需要用不同的信息來描述。同時，工藝流有場景，即需要考慮有關(guān)基準(zhǔn)、尺、加工設(shè)備及工裝的問題等等。另外，除了對工序模型進(jìn)行描述，也要對制造中工藝信息進(jìn)行快照，不同的瞬間怎樣描述，特別是復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，不可能只通過一道工序加工出來，不同的工序加工都需要建立三維模型。那么，公差如何設(shè)計，三維模型如何來創(chuàng)建，我們研究了一些自動的演繹生成模型的方法，來讓計算機(jī)自動創(chuàng)建，而不是用軟件一個個造型。有了模型和尺寸以后，如何進(jìn)行快速上標(biāo)注呢？這里提供三種方法：1）繼承零件設(shè)計模型尺寸標(biāo)注格式；2）基于特征的預(yù)定標(biāo)注格式模板；3）按指定格式由標(biāo)注工具自動計算標(biāo)注格式。

圖3 數(shù)字化多視角工藝信息表達(dá)框架

3 數(shù)據(jù)驅(qū)動的裝配過程仿真

    在產(chǎn)品設(shè)計中，對于設(shè)計結(jié)果的驗證是很重要的，制造過程的設(shè)計也需要驗證，刀軌仿真，裝配，而且也進(jìn)行干涉檢查，精度分析等等這樣一些仿真。傳統(tǒng)的方式是直到生產(chǎn)過程中發(fā)生問題才返回修改設(shè)計，設(shè)計仿真驗證是用仿真系統(tǒng)來支持工藝設(shè)計的驗證，但對于大部分企業(yè)來說，難度比較高。如何將其變成一個企業(yè)可以很容易用的一個工具呢？我們做了這樣一個研究，就是利用已有的數(shù)據(jù)，利用工藝的設(shè)計結(jié)構(gòu)，快速的建立仿真模型，在裝配仿真里完成驗證。

圖4 傳統(tǒng)設(shè)計流程、設(shè)計仿真驗證與仿真協(xié)同決策

    與傳統(tǒng)設(shè)計流程相比，仿真不僅起到結(jié)果驗證的功能，更可以提前介入設(shè)計過程，對工藝設(shè)計，資源規(guī)劃和生產(chǎn)調(diào)度中的問題進(jìn)行分析和決策，進(jìn)而實現(xiàn)工藝設(shè)計，資源規(guī)劃和生產(chǎn)調(diào)度的協(xié)同決策。

    仿真協(xié)同決策中運用的裝配仿真本體模型構(gòu)建方法學(xué)，采用“模型結(jié)構(gòu)-屬性特性-語義約束”三層建模方法，模型結(jié)構(gòu)以圖數(shù)據(jù)（Graph Data）為基礎(chǔ)建立數(shù)據(jù)模型，具有結(jié)構(gòu)靈活，易于集成的特點；屬性特性描述屬性所具有的特性，豐富了關(guān)系含義；語義約束對數(shù)據(jù)構(gòu)成特征的描述，主要用于檢查數(shù)據(jù)的一致性。

圖5 幾何增強(qiáng)的裝配仿真本體

4 總結(jié)

    數(shù)字制造是現(xiàn)代制造技術(shù)滿足日益多樣化的產(chǎn)品需求的發(fā)展必然，產(chǎn)品設(shè)計制造數(shù)據(jù)的表達(dá)與應(yīng)用是數(shù)字制造中的核心問題。構(gòu)建基于三維模型構(gòu)架、考慮時間特性可動態(tài)地表達(dá)工藝信息的三維工藝模型更符合工藝信息的產(chǎn)生規(guī)律與應(yīng)用需求，是基于模型的工藝設(shè)計、檢驗及制造管理的基礎(chǔ)。

    基于模型制造的新一代數(shù)字化工藝設(shè)計、仿真建模、制造過程管理和控制的技術(shù)和系統(tǒng)已在研究和實踐中，更多的研究、開發(fā)、驗證和工程化工作仍有待發(fā)展，遵循標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制造信息建模需先行。

    根據(jù)北京航空航天大學(xué)喬立紅教授在2013第九屆中國制造業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新數(shù)字化國際峰會的發(fā)言整理而成，未經(jīng)本人確認(rèn)！

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本文標(biāo)題：基于模型的制造研究進(jìn)展

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