北京航空航天大学 乔立红教授
1 数字制造
1.1 信息消费
信息消费，是目前无论在网络上，还是从政府，到学校或者企业，都非常热门的话题。日益发展的社会经济，使得人们对于产品的追求更加多样化和个性化。一个产品从材质到外观到功能等等，这些表达都是用信息来承载的。因此，产品的多样化，其本质就是信息的多样化。
在信息消费的前提下，从产品研发的角度，企业要解决的问题是什么？多样化的产品信息如何方便地使用和表达？如何快速地把这些信息转化为实物？在转化为实物的过程中，如何产生中间过程的控制信息？在这一系列问题中，信息的表达是关键。
1.2 数字化制造
数字化制造，最革命性的标志是在1952年，美国麻省理工学院诞生了第一台数控机床。由于数控机床的诞生，使得人们生产产品的生产方式得到了极大的改变，把原来人工生产的方式变为由机器来生产，使生产的信息可以通过数字信息得以表达。
其后，数字化制造技术得到了非常大的发展。Digital Manufacturing，不仅仅限于狭义的生产加工的概念，实际上也涉及到了借信息化的手段，使得产品的设计、制造以及管理等整个过程，能够得到优化和知识化。数字化制造，以及数字化工厂，就是更多的采用信息技术和数字化的技术，去直接控制制造过程，使整个生产过程，都可以通过计算机实现。
近几年来非常火热的3D打印技术，实际上也是数字化制造的一种，它是彻底地改变了传统的制造方式。3D打印是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。它无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件。近年，3D打印在我国的研究取得了很大的进展，以北航王华明教授为首的研发团队采用激光快速成型技术，突破了飞机钛合金次承力结构件激光快速成形工艺及应用关键技术，构件疲劳、断裂韧性等主要力学性能达到钛合金模锻件水平，成功了实现激光快速成形TA15钛合金飞机角盒，TC4钛合金飞机座椅支座及腹鳍接头等4种飞机钛合金次承力结构件在3种飞机上的装机应用。
图1 数字化制造和数字化工厂
2 三维数字化制造信息建模
2.1 数字制造及信息消费时代的产品信息特征
在数字制造的信息消费时代，产品的信息，可以总结为四个特征：
1）多样化
包括产品多样性、制造工艺多样性和过程多样性。
2）复杂化
主要指产品复杂、制造过程复杂。
3）模型化
3D产品、资源及工厂
4）语义化
主要指知识化、智能化的产品、材料、工艺和生产信息；支持协同决策；易于信息集成。
这为模型的表达和信息的处理带来了更多新的挑战。MBD以及MBE技术的出现就是不断地寻求新的技术和方法的结果，不仅是设计、制造上基于模型，甚至于整个全生命周期，整个企业都是基于三维模型的。
图2 MBD及MBE技术下的三维应用
2.2 三维工艺模型的定义
为了大幅降低开发新型军用车辆的成本和时间，改变现有的设计和制造流程，美国国防高级计划研究局（DARPA）启动了“自适应车辆制造”(AVM)项目，采用了基于模型的设计、系统工程、“分级抽象”（hierarchical abstraction）的系统设计方法、寻找更有效的类似半导体行业的“构建纠错”(correct by construction)流程，开发创新分离设计制造技术等新制造方法。
我们正在进行的研究包括定义三维工艺模型MPM(Manufacturing Process Model)，制造产品的状态模型MP3D，产品制造信息MP，MP3D与MPI之间的关系Rm。MPM由产品的状态模型、制造信息以及它们的关系所构成，它主要体现制造是一个过程，有时间特性，可以表达成流，可以表达成快照，在制造过程中有不同的状态，不同的瞬间，需要用不同的信息来描述。同时，工艺流有场景，即需要考虑有关基准、尺、加工设备及工装的问题等等。另外，除了对工序模型进行描述，也要对制造中工艺信息进行快照，不同的瞬间怎样描述，特别是复杂结构件，不可能只通过一道工序加工出来，不同的工序加工都需要建立三维模型。那么，公差如何设计，三维模型如何来创建，我们研究了一些自动的演绎生成模型的方法，来让计算机自动创建，而不是用软件一个个造型。有了模型和尺寸以后，如何进行快速上标注呢？这里提供三种方法：1）继承零件设计模型尺寸标注格式；2）基于特征的预定标注格式模板；3）按指定格式由标注工具自动计算标注格式。
图3 数字化多视角工艺信息表达框架
3 数据驱动的装配过程仿真
在产品设计中，对于设计结果的验证是很重要的，制造过程的设计也需要验证，刀轨仿真，装配，而且也进行干涉检查，精度分析等等这样一些仿真。传统的方式是直到生产过程中发生问题才返回修改设计，设计仿真验证是用仿真系统来支持工艺设计的验证，但对于大部分企业来说，难度比较高。如何将其变成一个企业可以很容易用的一个工具呢？我们做了这样一个研究，就是利用已有的数据，利用工艺的设计结构，快速的建立仿真模型，在装配仿真里完成验证。
图4 传统设计流程、设计仿真验证与仿真协同决策
与传统设计流程相比，仿真不仅起到结果验证的功能，更可以提前介入设计过程，对工艺设计，资源规划和生产调度中的问题进行分析和决策，进而实现工艺设计，资源规划和生产调度的协同决策。
仿真协同决策中运用的装配仿真本体模型构建方法学，采用“模型结构-属性特性-语义约束”三层建模方法，模型结构以图数据（Graph Data）为基础建立数据模型，具有结构灵活，易于集成的特点；属性特性描述属性所具有的特性，丰富了关系含义；语义约束对数据构成特征的描述，主要用于检查数据的一致性。
图5 几何增强的装配仿真本体
4 总结
数字制造是现代制造技术满足日益多样化的产品需求的发展必然，产品设计制造数据的表达与应用是数字制造中的核心问题。构建基于三维模型构架、考虑时间特性可动态地表达工艺信息的三维工艺模型更符合工艺信息的产生规律与应用需求，是基于模型的工艺设计、检验及制造管理的基础。
基于模型制造的新一代数字化工艺设计、仿真建模、制造过程管理和控制的技术和系统已在研究和实践中，更多的研究、开发、验证和工程化工作仍有待发展，遵循标准规范的制造信息建模需先行。
根据北京航空航天大学乔立红教授在2013第九届中国制造业产品创新数字化国际峰会的发言整理而成，未经本人确认！
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本文标题：基于模型的制造研究进展
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