北京航空航天大學 喬立紅教授
1 數字制造
1.1 信息消費
信息消費，是目前無論在網絡上，還是從政府，到學校或者企業，都非常熱門的話題。日益發展的社會經濟，使得人們對于產品的追求更加多樣化和個性化。一個產品從材質到外觀到功能等等，這些表達都是用信息來承載的。因此，產品的多樣化，其本質就是信息的多樣化。
在信息消費的前提下，從產品研發的角度，企業要解決的問題是什么？多樣化的產品信息如何方便地使用和表達？如何快速地把這些信息轉化為實物？在轉化為實物的過程中，如何產生中間過程的控制信息？在這一系列問題中，信息的表達是關鍵。
1.2 數字化制造
數字化制造，最革命性的標志是在1952年，美國麻省理工學院誕生了第一臺數控機床。由于數控機床的誕生，使得人們生產產品的生產方式得到了極大的改變，把原來人工生產的方式變為由機器來生產，使生產的信息可以通過數字信息得以表達。
其后，數字化制造技術得到了非常大的發展。Digital Manufacturing，不僅僅限于狹義的生產加工的概念，實際上也涉及到了借信息化的手段，使得產品的設計、制造以及管理等整個過程，能夠得到優化和知識化。數字化制造，以及數字化工廠，就是更多的采用信息技術和數字化的技術，去直接控制制造過程，使整個生產過程，都可以通過計算機實現。
近幾年來非常火熱的3D打印技術，實際上也是數字化制造的一種，它是徹底地改變了傳統的制造方式。3D打印是一種以數字模型文件為基礎，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造物體的技術。它無需機械加工或任何模具，就能直接從計算機圖形數據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展，以北航王華明教授為首的研發團隊采用激光快速成型技術，突破了飛機鈦合金次承力結構件激光快速成形工藝及應用關鍵技術，構件疲勞、斷裂韌性等主要力學性能達到鈦合金模鍛件水平，成功了實現激光快速成形TA15鈦合金飛機角盒，TC4鈦合金飛機座椅支座及腹鰭接頭等4種飛機鈦合金次承力結構件在3種飛機上的裝機應用。
圖1 數字化制造和數字化工廠
2 三維數字化制造信息建模
2.1 數字制造及信息消費時代的產品信息特征
在數字制造的信息消費時代，產品的信息，可以總結為四個特征：
1）多樣化
包括產品多樣性、制造工藝多樣性和過程多樣性。
2）復雜化
主要指產品復雜、制造過程復雜。
3）模型化
3D產品、資源及工廠
4）語義化
主要指知識化、智能化的產品、材料、工藝和生產信息；支持協同決策；易于信息集成。
這為模型的表達和信息的處理帶來了更多新的挑戰。MBD以及MBE技術的出現就是不斷地尋求新的技術和方法的結果，不僅是設計、制造上基于模型，甚至于整個全生命周期，整個企業都是基于三維模型的。
圖2 MBD及MBE技術下的三維應用
2.2 三維工藝模型的定義
為了大幅降低開發新型軍用車輛的成本和時間，改變現有的設計和制造流程，美國國防高級計劃研究局（DARPA）啟動了“自適應車輛制造”(AVM)項目，采用了基于模型的設計、系統工程、“分級抽象”（hierarchical abstraction）的系統設計方法、尋找更有效的類似半導體行業的“構建糾錯”(correct by construction)流程，開發創新分離設計制造技術等新制造方法。
我們正在進行的研究包括定義三維工藝模型MPM(Manufacturing Process Model)，制造產品的狀態模型MP3D，產品制造信息MP，MP3D與MPI之間的關系Rm。MPM由產品的狀態模型、制造信息以及它們的關系所構成，它主要體現制造是一個過程，有時間特性，可以表達成流，可以表達成快照，在制造過程中有不同的狀態，不同的瞬間，需要用不同的信息來描述。同時，工藝流有場景，即需要考慮有關基準、尺、加工設備及工裝的問題等等。另外，除了對工序模型進行描述，也要對制造中工藝信息進行快照，不同的瞬間怎樣描述，特別是復雜結構件，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，公差如何設計，三維模型如何來創建，我們研究了一些自動的演繹生成模型的方法，來讓計算機自動創建，而不是用軟件一個個造型。有了模型和尺寸以后，如何進行快速上標注呢？這里提供三種方法：1）繼承零件設計模型尺寸標注格式；2）基于特征的預定標注格式模板；3）按指定格式由標注工具自動計算標注格式。
圖3 數字化多視角工藝信息表達框架
3 數據驅動的裝配過程仿真
在產品設計中，對于設計結果的驗證是很重要的，制造過程的設計也需要驗證，刀軌仿真，裝配，而且也進行干涉檢查，精度分析等等這樣一些仿真。傳統的方式是直到生產過程中發生問題才返回修改設計，設計仿真驗證是用仿真系統來支持工藝設計的驗證，但對于大部分企業來說，難度比較高。如何將其變成一個企業可以很容易用的一個工具呢？我們做了這樣一個研究，就是利用已有的數據，利用工藝的設計結構，快速的建立仿真模型，在裝配仿真里完成驗證。
圖4 傳統設計流程、設計仿真驗證與仿真協同決策
與傳統設計流程相比，仿真不僅起到結果驗證的功能，更可以提前介入設計過程，對工藝設計，資源規劃和生產調度中的問題進行分析和決策，進而實現工藝設計，資源規劃和生產調度的協同決策。
仿真協同決策中運用的裝配仿真本體模型構建方法學，采用“模型結構-屬性特性-語義約束”三層建模方法，模型結構以圖數據（Graph Data）為基礎建立數據模型，具有結構靈活，易于集成的特點；屬性特性描述屬性所具有的特性，豐富了關系含義；語義約束對數據構成特征的描述，主要用于檢查數據的一致性。
圖5 幾何增強的裝配仿真本體
4 總結
數字制造是現代制造技術滿足日益多樣化的產品需求的發展必然，產品設計制造數據的表達與應用是數字制造中的核心問題。構建基于三維模型構架、考慮時間特性可動態地表達工藝信息的三維工藝模型更符合工藝信息的產生規律與應用需求，是基于模型的工藝設計、檢驗及制造管理的基礎。
基于模型制造的新一代數字化工藝設計、仿真建模、制造過程管理和控制的技術和系統已在研究和實踐中，更多的研究、開發、驗證和工程化工作仍有待發展，遵循標準規范的制造信息建模需先行。
根據北京航空航天大學喬立紅教授在2013第九屆中國制造業產品創新數字化國際峰會的發言整理而成，未經本人確認！
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本文標題：基于模型的制造研究進展
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