综合化三维工艺设计系统研究与实践

刘春锋，汪建东，郑堂介，廖建华

（中航工业洪都 江西南昌330024）

0 引言

工艺设计是产品设计与生产制造之间的桥梁，它继承产品设计结果，形成适用、可实现的操作方法和工艺准备要求，从而指导生产。

目前，航空产品设计输出已经历了从以“2D工程图样”为核心，到以“3D模型＋2D工程图样”为核心，最终发展为以“MBD数据集”为核心的不同阶段，实现了数字化产品定义DPD （Digital Product Definition）。其中，基于模型的定义MBD（Model Based Definition）是DPD的一种特殊形式，能够有效保证单一产品数据源SSPD（Single Source of Product Data）。

在工艺设计与管理方面，数字化、信息化也正逐步拓展。 工艺人员从数据管理系统PDM中获取产品设计信息，在CAPP系统开展工艺设计核心工作，并提交相关系统。 另外，数控机加仿真、装配工艺仿真、钣金成形仿真等数字化仿真软件已在型号研制中广泛应用，能够输出直观的、量化的结果指导操作。

随着工艺设计输入输出方式的改变及工艺技术能力的提升， 工艺设计与管理方法也必须进行相应的转变。

1 CAPP应用现状与发展趋势

目前的中航CAPP系统提供了工艺指令设计环境， 并与相关系统集成， 设计过程能够选取设计依据、工艺指导文件、参装零件等，最后将设计结果提交审批、发布，基本满足型号日常生产需求，但仍是以指令编制与维护为核心业务的系统，在业务覆盖、系统先进性等方面仍具有局限性。

随着数字化产品设计制造和信息化技术的深入应用，CAPP系统呈现出以下发展趋势：

1）综合化：主要是指CAPP系统业务范围的不断拓展和深入应用过程中系统功能的完善， 是系统应用发展的必然方向。

2）集成化： 基于网络， 与其它信息系统深度集成，实现数据提取与交互。例如CAPP系统不仅限于文件编制，还要能够实时掌握文件审签、指令执行等情况，这些功能均由其它系统控制。

3）三维化：通过将产品制造过程形象化的展示，体现工艺设计思路与方法， 最大化的发挥产品MBD设计的优势，承接三维模型，输出更易于理解的工艺指令，增强对实际生产操作的指导能力。 同时，通过实时分析、测量等实现工艺设计从“定性”到“定量”的提升。

4）智能化： 智能化是CAPP系统的终极目标之一，简单说就是实现工艺方法的智能决策。 智能化的基础是基于知识分析、决策的知识复用，它需要内容丰富的基础数据库支撑， 需要有科学的数据管理方法，需要准确的数据分析、筛选技术及正确适用的推理、决策方法等，且需根据业务范围不同进行针对性分析、开发与完善。 智能化对充分利用产品和企业的全面数据进行工艺规划、 改进工艺方案的可行性和设计效率等都有重要意义，是一项涉及多学科的、实现复杂的技术。

2 CAPP综合化需求分析与实践

从横向看，CAPP系统应拓展应用范围，逐步覆盖产品工艺设计的完整业务工作。 目前国内航空主机制造厂工艺设计仍以二级管理模式为主， 一般按方案设计阶段和详细设计阶段进行区分， 而中航CAPP系统仍主要以指令编制与维护为核心， 仅包含了详细设计阶段的主体内容，还需进一步细化、丰富详细设计的工作，并增加方案设计的内容。

从纵向看， 各专业对CAPP系统开发的需求和进度存在较大差异，对系统的应用深度也不尽相同，因此需结合专业发展和业务需求进行针对性的工作。另外，在知识管理方面，知识复用是系统集成化的目的，同时又是系统智能化的关键所在，而知识复用的基础是基础数据库， 对于工艺设计来讲CAPP系统在此方面有数据优势，因此，结合CAPP开展工艺基础数据库建设也是一项意义深远的工作。

针对上述两方面需求， 在综合分析工艺设计工作的业务流程与具体活动的基础上对中航CAPP系统进行拓展开发。 具体操作时，先按专业分析工艺设计工作内容（如图1），重点明确各项工作的输入、输出，再将各专业的输出成果分类整理， 分析需要在系统中实现的内容及具体实现方法。 策划过程中，尽可能减小工艺设计的劳动量， 提高信息的一致性和正确性，如对于零组件信息、编制依据、文件编号等输入信息尽可能采取引用方式获取。

图1 装配工艺设计工作示意

按此思路， 最终将工艺设计活动的结果分为结构化数据和非结构化数据并分别制定解决方案，在系统框架设计时按照现行管理模式进行区分， 同时结合工艺基础数据库设计与实施， 开展了CAPP系统综合化应用需求分析与开发。

2.1 结构化数据解决方案

工艺设计输出经过长期累积， 多数已形成确定的表单， 此类文件包含的信息可在信息系统中结构化存储，在CAPP系统中编制、管理也比较容易。

以零组件交付要求为例， 首先根据现有表单进行分析并优化设计，明确文件需要包含的信息，并按已有信息和新增信息进行区分，如表1。 开发时，零件图号、 名称、 版次等已有信息均从CAPP系统自动给出，文件编号、页次等由系统按照规则自动给出，制造单位、 制造单位信息由工艺人员根据分工和需求选取，制造依据、起止架次根据设计信息和产品生产计划等选取， 工艺人员主要填写交付要求说明并附图表示，其中附图采用三维展示。

上述信息完整后， 提交相关系统审批并反馈审签信息， 最后在CAPP系统中即可查看零件交付要求表单的完整信息。

以表单形式展现的工艺文件，因其内容、格式较为固定，便于进行工艺设计导航，通过系统开发，可实现对操作方法的指示和提醒， 提高工艺设计效率和质量，以及系统的智能化程度。

表1 零件交付要求内容示意

2.2 非结构化数据解决方案

方案设计阶段有部分工艺文件章节、条目多变，插图、列表也具有不确定性，难以进行结构化处理，此类文件多为文档形式，如零件制造方案。 经过对文件编制特点分析，设计了“文件模板”和“文件维护”工具。 经过标准化部门认可的工艺文件模板由指定人员上传到CAPP系统中，规范文件格式，如图2。文件编制、维护界面为文档形式，采用B/S架构在网页上添加、编辑、提交，保证数据唯一性，文件编制完成后提交相关系统审批。

图2 工艺文件模板添加

2.3 基础数据库建立

基础数据库框架设计时， 首先收集需要纳入管理的基础数据，对不同数据类型进行分析、梳理、总结、归纳，并考虑基础数据的应用流程与场景及其与其它信息系统的集成关系， 最终规划设计出组织科学、层次分明、易于使用的条目框架，如工艺知识库、资源库、参数库等，如图3。

图3 工艺基础数据库框架示意图

在测试开发过程中， 对CAPP系统已存在的基础数据信息采取引用方法进行整合优化， 为新增信息设计了采集输入方法及数据审签管理流程， 典型工艺术语库如图4。 系统设计了简便易用的数据引用方法，工艺设计过程可根据需要，快速使用，以提高效率和质量。

3 CAPP三维化需求分析与实践

目前，中航CAPP系统并未真正实现三维化，因此工艺设计不仅不能充分发挥产品三维设计的优势，还造成工艺设计自身工作量的增加。 以装配指令AO编制为例，需要在文字描述的同时附图说明，而且图片需要截取和编辑，工作效率低，尤其是连接信息的标注等十分繁琐，是工艺设计工作的瓶颈之一。

为此， 通过与相关工具软件的集成对中航CAPP系统进行了三维化改造，并形成了典型工作方法。 以AO编制为例，每一步工序对应一个视图，整本AO对应一个完整的动画，视图、动画均可在三维可视化区域展现，且能够调整大小、视角及进行尺寸测量等，如图5。

图4 工艺术语示意

图5 三维化工艺指令设计界面

在测试开发过程中， 三维化主要针对工艺指令开展， 经过改造的CAPP系统能够最大化的延续并发挥产品三维化设计的优势， 直观的展现工艺设计思路，输出更易于理解的工艺指令，增强了工艺对实际生产操作的指导能力。 同时，系统能够部分集成工艺仿真结果， 改变了工艺仿真仅停留在工艺人员层面而不能传递到生产现场的问题。

4 结语

随着产品研制方式的改变及相关信息化技术手段的提升，CAPP系统功能的拓展、展现形式的变化是必然趋势。 因此，需及早规划、科学分析、逐步完善CAPP系统功能。本次通过在中航CAPP系统上进行的综合化、三维化测试开发，使系统功能得到了拓展，系统展示能力、易用性也有提升。 但因周期、型号应用等因素影响，上述开发仍处于系统原型，与工程化应用还有距离，还需从以下几个方面开展工作。

首先，尽快开展拓展应用与开发，使CAPP系统涵盖工艺设计的主体内容。 工艺设计工作存在内容多样、专业差异大等特点，测试开发仅针对典型工作开展还不够，需尽快开展相关工作，进一步分析业务需求，解决数据管理、系统集成等问题，完善开发内容，开展工艺技术人员三维指令制作方面的能力培养，在型号研制中逐步应用并不断完善。

其次，加强规划，系统性开展各类基础数据库建设。 工艺基础数据库的建立对于数据重用的实现至关重要，其对知识传承、人员培养也有特殊作用，且能有效促进知识创新，推动工艺技术跨越式发展。 基础数据库的建立需加强规划设计， 对现行系统中已有的工艺基础数据需分析整理， 保证数据库内容全面、管理科学、简便易用，充分发挥知识、资源的作用，减少重复劳动，提高工作效率和质量。

最后，分析、优化数据管理方法。 三维化导致系统数据大量增加， 三维化操作采用的上传方式易产生数据不一致以及基础数据库内容管理等， 均对系统的数据管理方式优化分析提出了新的要求。

[1]邵新宇，蔡立钢. 现代CAPP技术与应用. 北京:机械工业出版社,2004.10.

[2]范玉青. 现代飞机制造技术. 北京:北京航空航天大学出版社,2001.

[3]赵汝嘉，孙波. 计算机辅助工艺设计（CAPP）.北京:机械工业出版社,2003.8