李光俊，黃慶奕，劉 洪，吳 為，曾元松

（1. 航空工業(yè)成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司，成都 610092；2. 中國航空制造技術(shù)研究院，北京 100024）

現(xiàn)代飛機的設計與制造過程高度并行，已經(jīng)過渡到全三維產(chǎn)品數(shù)字化設計制造一體化模式，產(chǎn)品模型信息包含大量材料、標準、加工、檢測等工藝信息，其獲取方式、途徑、載體、表達方式均發(fā)生了本質(zhì)改變，以產(chǎn)品三維模型為依據(jù)進行零件數(shù)字化工藝設計已成為當前飛機研制的主流。各種工藝設計軟件開始大量應用在數(shù)字化工藝設計的各方面，輔助技術(shù)人員進行產(chǎn)品三維模型工藝分析、工藝方案制定、制造文件編制。以鈑金成形為例，某項目研制中，成飛公司以產(chǎn)品三維模型為依據(jù)全面開展鈑金零件數(shù)字化工藝設計，完成了數(shù)千項鈑金零件的工藝性審查、成形方法確定、成形模具確定、制造大綱編制工作，大大提高了工藝設計的準確性、可靠性及零件間協(xié)調(diào)性、一致性。

但是，由于長期沒有開展航空工藝知識的規(guī)范化、結(jié)構(gòu)化、參數(shù)化研究，工藝知識還是以經(jīng)驗為主保留在個人大腦中。在新機研制階段，需要技術(shù)人員逐一打開數(shù)千項產(chǎn)品三維模型，逐一查看零件幾何形狀、材料信息、結(jié)構(gòu)特征、關(guān)鍵尺寸，憑借技術(shù)人員的個人經(jīng)驗判斷鈑金零件的可成形性，確定成形方法、成形參數(shù)、工序內(nèi)容，從而完成制造大綱的編制工作。整個工藝設計工作效率低、周期長，無法滿足現(xiàn)代民用飛機快速研制的需求。因此，有必要針對航空鈑金零件，通過建立結(jié)構(gòu)化、參數(shù)化的鈑金工藝知識庫，開發(fā)鈑金模型快速工藝分析系統(tǒng)，自動從產(chǎn)品模型中提取幾何形狀和材料、標準、加工、檢測等工藝信息，通過知識推理，快速、批量完成工藝設計工作。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

20世紀90年代，美國波音公司在777大型項目中首次實施知識工程技術(shù)，采用三維數(shù)字化定義和無圖紙生產(chǎn)技術(shù)，成為航空制造業(yè)的標志性代表[1]。此后，集成工藝知識的工具軟件在國外飛機研制過程中得到廣泛應用，如Q-checker、“Design for Manufacture”、ASFALIS等。Q-checker軟件集成了模型幾何尺寸檢查和裝配干涉檢查規(guī)則，可幫助技術(shù)人員查看模型是否滿足企業(yè)質(zhì)量標準，提高每一個模型的正確性[2]；“Design for Manufacture”集成了部分鈑金工藝、機加工藝、裝配工藝對模型的工藝性分析規(guī)則，主要用于PCB電路可制造性設計和檢查[3]；ASFALIS集成了模型幾何體修復和處理知識規(guī)則，可使用ASFALIS的ModelViewer模塊檢查模型的幾何體、尺寸、公差以及臨界值[4]。

在國外航空企業(yè)的影響下，國內(nèi)航空高校、科研院所開始研究鈑金知識工程技術(shù)并得到典型應用。北京航空航天大學進行了基于知識的飛機鈑金件工藝性審查系統(tǒng)研究[5];西北工業(yè)大學進行了飛機鈑金制造知識重用方法研究[6]；中國航空制造技術(shù)研究院進行了快速工藝準備系統(tǒng)中工藝知識庫的研究[7]；航空工業(yè)洪都研究分析了鈑金工藝知識的獲取與表示模型[8]。但這些研究主要針對特定的二維圖樣或鈑金模型進行工藝分析處理，沒有全面考慮產(chǎn)品信息自動提取、傳遞、重復使用問題，無法滿足新機研制階段對工藝設計工作自動、批量、快速的實際需求。

圖1 鈑金快速工藝設計系統(tǒng)信息流程Fig.1 Information flow for rapid sheet process planning system

技術(shù)方案

針對現(xiàn)代民用飛機快速工藝設計的需求，以知識工程技術(shù)為核心，以數(shù)值推理為手段，通過建立工藝專家知識庫，基于知識驅(qū)動識別和提取鈑金模型產(chǎn)品信息、工藝信息、幾何特征，與工藝知識、工序知識進行對比分析，快速完成鈑金零件的工藝性分析、成形工藝設計、工序設計，自動生成工藝分析報告、制造大綱、數(shù)控代碼。圖1為基于知識工程的鈑金快速工藝設計系統(tǒng)信息流程圖。

為了提高工藝分析報告、制造大綱、數(shù)控代碼的準確性、全面性，針對不同項目在模型定義、工藝標準、質(zhì)量控制方面存在差異性，并考慮鈑金工藝方法、工藝參數(shù)的多樣性，按項目分類建立工藝專家知識。鈑金工藝設計系統(tǒng)的運行邏輯為：（1）依據(jù)產(chǎn)品圖號推理出項目型號；（2）依據(jù)項目型號和特征路徑推理出數(shù)據(jù)在模型中的存放位置，并提出模型數(shù)據(jù)；（3）依據(jù)模型數(shù)據(jù)推理出零件類型；（4）依據(jù)零件類型、模型數(shù)據(jù)、項目選用工藝范圍推理出成形方式；（5）依據(jù)成形方式、模型數(shù)據(jù)、工序知識推理出工藝分析報告；（6）依據(jù)成形方式、模型數(shù)據(jù)、工序知識推理出制造大綱；（7）依據(jù)數(shù)控代碼規(guī)則和模型數(shù)據(jù)形成數(shù)控代碼文件。

技術(shù)途徑

1 工藝專家知識庫構(gòu)建

工藝專家知識庫是鈑金快速工藝設計系統(tǒng)的核心，決定了工藝設計結(jié)果的正確性與可靠性。工藝專家知識庫包括工藝知識和決策機制。

通過收集典型鈑金建模、NC代碼、分析報告、制造大綱等規(guī)范性要求和技術(shù)人員的工程經(jīng)驗（如幾何特征、成形工藝、制造工序），進行規(guī)范化、參數(shù)化表達，形成鈑金零件工藝知識。僅有工藝知識還無法實現(xiàn)推理判斷，需要建立每條工藝知識的推理決策機制，主要有知識變量、邏輯表達式、判定標準、邏輯結(jié)果，工藝知識的決策過程，如圖2所示。

考慮工藝知識和決策機制涉及信息量極大，采用軟件界面、人工輸入效率低，在工藝專家知識庫建立的初期，用電子表格建立數(shù)據(jù)記錄，最后統(tǒng)一導入專家知識庫。

2 模型數(shù)據(jù)提取

利用專家知識庫的決策機制，通過信息路徑關(guān)鍵字、信息內(nèi)容關(guān)鍵字兩級決策，依次從產(chǎn)品模型參數(shù)、幾何體中提取材料牌號、材料規(guī)格、零件尺寸、制造要求、熱表處理、特種檢驗等工藝信息和零件厚度、彎曲半徑、孔徑等特征信息，并對提取的工藝信息、特征信息進行規(guī)范化處理，為后續(xù)快速工藝分析、制造大綱編制提供必要的輸入條件。模型數(shù)據(jù)提取情況如圖3所示。

但對于毛料尺寸，需要特殊處理。依據(jù)路徑關(guān)鍵字“尺寸”、尺寸特征關(guān)鍵字“×”從模型中提取出零件長度、寬度尺寸；以成形工藝方法為輸入條件，通過工藝知識庫的決策機制確定長度余量和寬度余量，從而計算出零件的毛料尺寸，如圖4所示。

3 快速工藝分析

在專家知識庫的驅(qū)動下，分別以零件圖號、材料規(guī)格、特征數(shù)據(jù)決策出產(chǎn)品項目、零件類型、成形方法，并對制造要求、熱表處理、特種檢驗等工藝信息和零件厚度、彎曲半徑、孔徑等特征信息進行逐一分析決策，確定鈑金零件的可成形性能，最后將分析結(jié)果自動填入工藝分析報告模板，供用戶編輯查看。表1是分析鈑金零件彎曲半徑是否滿足要求的工藝分析過程數(shù)據(jù)。

4 制造大綱設計

通過建立完整的鈑金零件工序內(nèi)容和選用準則，利用專家知識庫的決策機制，以模型工藝信息、特征信息為輸入條件，從工序內(nèi)容中提取出滿足要求的工序內(nèi)容，對工序重新編號，并將分析結(jié)果自動填入制造大綱模板，供用戶編輯查看。表2是蒙皮拉伸成形工序內(nèi)容的設計過程數(shù)據(jù)。

5 數(shù)控代碼設計

根據(jù)機床運動軌跡定義格式，以特征信息為輸入條件，自動建立蒙皮拉伸、型材拉彎、導管彎曲的機床數(shù)控代碼，數(shù)控代碼設計過程主要由軟件實現(xiàn)。

6 批量處理

考慮新機研制階段工藝工作量大，具備自動、批量工藝設計功能極為重要。通過反復循環(huán)打開模型、提取數(shù)據(jù)、工藝分析、工序設計、生成代碼，批量完成鈑金零件的工藝設計工作。系統(tǒng)批量工藝設計情況如圖5所示。為了防止特殊情況（如CATIA啟動失敗、打開模型異常）影響系統(tǒng)正常的批量處理，系統(tǒng)定時檢測當前零件的數(shù)據(jù)處理進度信息，達到預定時間后仍未完成工藝設計工作，則強制終止當前數(shù)據(jù)處理進程，轉(zhuǎn)而進行下一個零件的工藝設計工作。

圖2 工藝知識的決策機制Fig.2 Decision-making mechanism of process knowledge

圖3 模型數(shù)據(jù)提取Fig.3 Extracting model data

圖4 提取、計算毛料尺寸Fig.4 Extracting and calculating wool size

表1 鈑金零件彎曲半徑的工藝分析過程數(shù)據(jù)

表2 蒙皮拉伸成形工序的設計過程數(shù)據(jù)

典型應用

通過專家知識庫的構(gòu)建和軟件開發(fā)，已經(jīng)建立了基于知識工程的鈑金快速工藝設計系統(tǒng)。目前，鈑金快速工藝設計系統(tǒng)已經(jīng)應用在某民用飛機研制過程中，應用該系統(tǒng)分析典型蒙皮零件情況。如圖6所示，通過應用該系統(tǒng)，快速完成了鈑金零件的工藝性分析、工序設計，自動生成工藝分析報告、制造大綱、數(shù)控代碼，大幅度提高新機研制的工藝設計效率，降低技術(shù)人員的勞動強度。

圖5 批量工藝設計Fig.5 Batch technological design

圖6 蒙皮零件的快速工藝設計Fig.6 Rapid technological design of skin

結(jié)論

鈑金快速工藝設計系統(tǒng)的最大優(yōu)勢在于以三維模型為依據(jù)實現(xiàn)了鈑金快速工藝設計，大幅度提高工藝設計效率，降低了勞動強度。但在實際使用中，由于不同產(chǎn)品設計/項目規(guī)定建模方式存在一定的差異，系統(tǒng)對模型數(shù)據(jù)識別還存在一定的誤差。因此，為了減少識別誤差，提高數(shù)據(jù)識別準確率，需要在行業(yè)內(nèi)規(guī)范產(chǎn)品建模方式，統(tǒng)一模型數(shù)據(jù)格式；同時，根據(jù)項目的實際情況，補充完善專家知識庫，可按項目分別建立工藝知識，以適應不用項目研制的需要。

參 考 文 獻

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