北京航空航天大学 乔立红教授
1 数字化制造的挑战
今天的制造技术与系统已不仅仅是单一的数字化的设计，已经从设计、制造到整个产品全生命周期，实际上设计制造一直到产品报废的整个过程，数据和信息系统是支撑的必要手段和基础。图1为今天的制造系统与技术。
图1 今天的制造系统与技术
今后的制造技术会向数字化制造、网络制造以及基于知识的制造方向发展，对于企业来说，将更加关注如何快速实现批量生产，以及如何降低制造的成本，尤其是传统单件小批的航空航天企业以及传统的大批量生产企业像汽车、家电等。在数字化技术的发展从二维CAD基于工程图的设计和制造到三维数字样机的应用，到协同和知识重用的趋势下，迫切的需要解决三维产品模型的应用问题。目前，大部分公司已利用三维CAD进行设计，基于三维的产品模型如何有效实现整个设计制造过程的三维化、智能化、协同化和服务化，是当前也是今后数字化制造的发展重点与方向。数字化技术是基础，制造数据是核心。制造数据是非常复杂的，而且要以三维为载体，在设计制造的各个环节中数据从源头一直延伸下去，围绕产品的全生命周期传递，不仅传递，还要进行同步操作集成和协同的问题，即数字化制造面临着数据复杂、三维表达困难、数据无法有效传递以及如何实现信息集成几各方面的挑战。图2为数字化制造技术的发展路线。
图2 数字化制造技术的发展
2 产品设计制造信息及其特点
2.1 产品定义技术的发展
大规模工业化生产以来，产品定义经历了从二维到三维模型发展的4个阶段，如图3所示。在这个过程中，产品定义技术给企业产品研发带来了很多机会也带来很多挑战。早期的产品数字化定义通过创建二维工程图，实现用计算机进行产品设计。二维工程图是贯穿产品市场调研、方案确定、设计、制造、检测、安装、使用和维修过程中的技术信息载体。实体建模等3D建模技术诞生后，方便了产品设计表达手段，加速了数字化产品定义的发展，可有效解决二维工程图应用汇总难以解决的诸如复杂的投影线生成问题、尺寸漏标问题、漏画图线问题以及机构几何关系和运动关系的分析问题等，此时的三维产品定义数据能提供产品几何信息，仍不能直接提供下游工艺和现场生产中需要的工艺信息，如加工表面精度信息、材料及热处理信息、以及加工规范等，制造过程中仍需要二维图纸来表达零件的精确制造准则。参数化造型技术出现使得三维CAD具有了基于特征、全尺寸约束、全数据相关及尺寸驱动设计修改等新功能，使三维模型能够通过添加三维方式的注释提示、注释与形状的数字连接的功能提供尺寸、公差、表面粗糙度等部分几何工艺信息，但尚难以直观且无二义地表达诸如某表面的粗糙度、表面间的结合方式、间隙的设置、要求符合的规格与标准等非几何信息，因此仍需要采用二维工程图以清晰地表达产品的制造要求。随着CAD技术在90年代末加入三维标注的功能，AMSE开展了系列数字化定义标准的研究，以及波音公司在2004年启动的787项目中全面推广新的基于模型的数字化定义技术（Model Based Definition，MBD）体系，企业目前开始更多地研究和推进全三维制造，这是今后CAD应用的方向。
图3 产品定义技术的发展
2.2 产品定义中应遵循的重要标准规范
全三维设计制造应用的难点主要在与制造数据是否能够完整表达传递，解决这个问题的关键之一在于产品在定义中应遵循一定的标准规范，目前在这方面的国际标准有GPS和MBD。
2.2.1 GPS
GPS是产品几何技术规范（Geometrical Product Specifications），有一系列标准，ISO1101:2004；GB/T 1182-2008等。GPS包含宏观和微观几何规范，尺寸和形位公差、表面特征等几何精度规范；相关的检验原则、测量器具要求和校准规范；基本表达和图样标注的解释；不确定度的评定和控制，贯穿于产品从设计到制造的全过程。
新一代GPS在标注方面进行了改进，GPS标准体系蕴含工业化大生产的基本特征，反映了技术发展的内在要求，为产品技术评估提供了“通用语言”；由于实际加工出的零件几何形状，并非理想形状，新一代GPS提出了针对零件更丰富的尺寸概念。
2.2.2 MBD
MBD是基于模型的数字化定义，已成为国际标准 ISO-16792 即产品技术文件－数字化产品定义规范。它一个用集成的三维实体模型来完整表达产品定义信息的方法体，详细规定了三维实体模型中的产品尺寸、公差的标注规则和工艺信息的表达方法。
3 制造过程信息建模
数字化制造的核心是制造信息的生成、表达与传递。由于三维建模技术在航空航天产品设计中的广泛发展与应用，应用三维模型已成为工艺设计必然要求，但三维模型应用与数字化工艺设计相结合具有新的特点和要求，使得三维产品模型利用、数字化工艺设计决策方法、三维数字化工艺文档的生成、工艺数据库和工艺知识库的建立等问题都有待深入研究。由此来看，制造过程信息生成技术（即工艺设计技术）已成为提高制造企业生产智能化和自动化综合水平的瓶颈，亟待改进与提高。
制造过程信息对制造资源组织、作业计划制定、制造过程的控制以及供应链的安排等都将产生影响。它是与过程相关的信息，具有时间属性，包括：产品、工件几何及质量要求；资源要求（设备、工装等）；加工控制参数设定（如切削用量等）；制造管理信息（工时定额，工人等级，工作属性等）；其它物料需求（原材料，消耗辅料，能源，消耗性工具等）。从信息属性的角度看，产品的设计信息是一种静态信息，它只是产品最终状态的描述。而工艺信息是动态的过程信息，它不仅有产品几何形状和属性的描述，更重要的是它描述了从毛坯到最终产品的变化过程。
同一个产品/零件的制造过程中，加工活动的不同顺序或者制造资源的不同选择都会产生不同的工艺路线，这些不同的工艺路线形成了产品/零件的多工艺路线。多工艺路线的形成可以归纳为工序替换、工序顺序无关及资源替换三种因素：
1）工序替换是指一个或一组工序可以被具有相同加工能力的另一个或一组工序替换，这些工序共同构成了工艺过程中的可选择替代的工序方案；
2）工序顺序无关是指相互之间没有先后顺序约束的一组工序，生产调度中可以根据需要调换这些工序的先后顺序；
3）制造资源替换是指同一个工序中，可以相互替换的制造资源。
工艺过程信息模型的构建应当具有一致性、正确性、完整性以及通用性的特点，可采用由本体表达、本体建模、逻辑建模及物理建模四个步骤组成的系统化建模方法，图4为工艺过程关系信息的本体定义与表达示例，图5为在工艺过程信息模型基础上的一个实现装配仿真建模与协同决策的应用场景实例。
图4 工序关联关系
图5 装配仿真建模与协同决策应用实例
4 三维数字化制造
在三维数字化制造方面，国内外许多企业和研究单位已经开展了这方面的研究与应用。一种三维数字化制造的新的应用模式是，在并行协同设计中，应用MBD，以信息树和标注等表现形式对产品的制造信息进行表达，推动下游基于三维模型进行制造活动；应用三维数字化工艺设计工具，进行工艺设计，包括直接获取产品设计模型和制造特征信息进行工艺路线设计，三维工序尺寸及公差设计，三维工序模型生成，数控编程以及三维可视化工艺的生成等；应用PDM/PLM系统实现设计制造数据的集成管理。下图6、图7分别为以三维模型为基础的三维数字化制造和CAD/CAPP/CAM/MPM…系统的信息集成。
图6 以三维模型为基础的三维数字化制造
图7 CAD/CAPP/CAM/MPM…系统的信息集成
本文根据北京航空航天大学乔立红教授在“2012中国制造业产品创新数字化国际峰会”上的发言录音整理，已经本人确认！
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