航空机加件面向智能制造的产品工艺编程仿真的方法与流程

本发明形成一套航空机加件面向智能制造的产品工艺编程仿真的方法，属于飞机制造领域。

背景技术

由于飞机对可靠性、舒适性和经济性等具有更高的苛刻要求，同时面临批量飞机订单的准时交付压力，因此仅仅沿袭已有的飞机制造技术体系将难以适应飞机的研制生产特点和客户需求，迫切需要采用更为先进、适用的制造技术和信息化技术来提升民机的制造能力和水平。尤其对于以数控加工为主的飞机各类结构件，约占全部飞机零件加工制造工作量的75％以上，加之其种类众多、数量庞大、结构复杂，尺度大且具有明显的薄壁易变形特征，迫切需要发展更具创新性、可控性、适应性、全局性的数控加工/工艺仿真，以显著提升飞机结构件的高效、优质、低成本设计与加工能力和水平。

航空企业的体制是各航空制造厂独立运营，这就导致了各制造工艺方法及编程方法独立且不一致，存在着各厂考虑制造环节水平高低不同，发展不一致。影响航空制造整体水平提高缓慢。由于飞机零部件加工特征复杂，现阶段依靠人工进行数控编程，过多依赖工艺员的经验，导致编程效率低且容易出错。是实现智能制造的技术瓶颈。

技术实现要素：

针对以上问题，本发明创造提出了一种航空机加件面向智能制造的产品工艺编程仿真的方法，其步骤为：

1)飞机数字化设计与机加工艺仿真信息集成标准体系的制定：

1.1)机加设计和工艺仿真信息集成定义标准化制定：

1.1.1)编制面向全过程、全要素的机加工艺模型定义及相关的加工方法规范，得出设计与工艺模型构建中涉及的构建方法、过程信息、工艺信息、资源信息的完整性定义，并进行系统化、体系化、规范化的信息处理和表达；

1.1.2)在全过程全要素艺模型体系定义的基础上，分析飞机零件加工和检测的核心内容，进行语义规范化处理，形成指导全过程全要素工艺模型构建的规范；

1.1.3)针对全过程全要素工艺模型体系构建方法，采用元模型建模方法进行元素定义：在全过程全要素的工艺模型的定义的基础上编制相关规范，建立过程、模型、要素之间的关联关系；

1.2)建立全过程全要素工艺模型、数据库体系框架：针对面向多设备协同加工，先确定多设备的协同传递要素，定义与工艺加工相关的来自基础制造资源库的机床设备要素信息和设备接口信息，然后建立零件加工过程中涉及的多设备协同要素与设备之间的关联关系，为实际加工中工艺模型的解析提供依据；

1.3)得到飞机数字化设计与机加工艺仿真信息集成标准：以步骤1.1)-1.2)中得到的设计模型和设计特征与加工特征关联关系，建立面向智能制造的飞机数字化设计、机加工艺仿真信息集成标准体系。

2)知识库构建技术：

2.1)构建知识库：

2.1.1)划分飞机结构件制造工艺中关键加工特征及加工阶段，编制基础制造资源的建模规范；根据工艺数据内潜在规律，分种类建立工艺知识模型；收集现场加工数据、质量数据和加工案例，反馈到加工工艺知识元中，并对其进行进化，最终面向飞机结构件和制造工艺构建可进化的结构化工艺知识库与工艺资源库；

2.1.2)对典型结构件上关键加工特征与其加工阶段，分类建立工艺知识和资源的关系结构树，使工艺知识库服务于工艺设计和制造过程；

2.1.3)划分零件关键加工特征和加工阶段，利用知识描述语言等定义各特征和加工阶段中工艺知识和工艺资源的描述规范，抽取结构件上的关键加工特征，将其换算为能够标识加工特征的矢量，识别仿真分析特征，抽取分析特征要素集合，建立结构化工艺知识模型；

2.1.4)通过工艺知识元——结构数据表映射方法，将具有复杂关系的工艺知识元转化为简单结构化的工艺数据库表结构及表关系，另外建立包含加工环境参数和过程质量参数的数据库，形成配合工艺知识库更新的基础环境；

2.2)生成基于工艺模板的数控工艺：

2.2.1)获取飞机结构件典型结构所属信息，依据获取信息基于规则匹配从工艺知识库中获取典型工艺模板；

2.2.2)根据匹配好的典型工艺模板，从工艺知识库中读取工艺信息，进行飞机结构件典型结构的工序决策；

3)建立工艺综合仿真平台：

3.1)分析飞机制造中专业工艺业务的数据组成，形式工艺模型；

3.2)分析工艺准备过程中业务环节之间协同关系，确定数据需求类型，定义业务协同方式，通过数据技术状态定义工艺模型视图状态；

3.3)针对飞机工艺准备协同过程，识别业务标签、业务接口和技术状态，获取数据视图，实现艺设计工具的调用。

4)机型飞机典型结构件的工艺设计和仿真标准验证。

所述的步骤2.1.3)中的工艺知识模型具体包括有：

模板类工艺：将典型结构件加工过程中涉及的刀具类型和规格、加工参数集合、工装类型和规格工艺设计要素建立成工艺模板继承工艺设计与分析知识，使工艺员经过简单选择即可获得工艺设计结果；

规则类工艺：归纳典型结构件加工工艺设计和分析中积累的经验映射转化为工艺规则，利用工艺规则推理机实现加工工艺知识推理；

实例类工艺：将典型工艺设计与分析实例的典型特征提取出来作为检索条件，以工艺设计与分析实例作为检索结果

实时工况类工艺：将典型实作模型实时的制造状态、加工因素、设备运行状态和质量状态提取出工艺知识，以供实作模型大数据加工分析。

本发明创造的有益效果为：通过构建航空数字化设计、工艺仿真的工作标准，有力支持智能制造在设计与工艺模型定义与应用的实现。通过定义、关联和融合工艺设计、加工制造、检验检测等不同过程的各种要素和属性，形成面向数字化设计、数控加工和工艺仿真的体系和规范，使得飞机机加结构件的数字化设计与加工过程有了明确的结构化模型指导，显著降低传统制造过程的随意性和不规范性，有利于工艺知识的共享、推理和应用，从而推动基于模型的飞机零件制造实现从局部模型到全局模型的跨越。本项目将全过程全要素设计与工艺模型与先进设计和工艺知识库相结合，在可进化典型工艺知识库的支持下高效优质生成零件数控加工工艺，通过模型和知识的指导、仿真和规范作用，将有利于克服传统数控工艺设计的上述弊端，推动其从经验依赖型向模型/知识/仿真优化驱动的方向发展。。

附图说明

图1：全过程流程图。

图2：设计、加工特征信息模型图。

图3：全过程全要素工艺数据体系框图。

图4：飞机工艺知识元挖掘与建模示意图。

图5：典型结构数控工艺自动生成方法示意图。

图6：零件数控工艺优化技术方案图。

具体实施方式

本方法如图1所示，从制定标准、知识库构建、构建应用平台和实例验证四个层次全面描述实现智能制造的全部过程。具体包括：

1.飞机数字化设计/机加工艺仿真信息集成标准体系

1.1机加设计/工艺仿真信息集成定义标准化

面向全过程、全要素机加工艺模型定义及相关的加工方法规范的编制，研究设计与工艺模型构建中涉及的构建方法、过程信息、工艺信息、资源信息的完整性定义，进行系统化、体系化、规范化的信息处理和表达。在全过程全要素艺模型体系定义的基础上，分析飞机零件加工和检测的过程、信息、模型、资源、方法等核心内容，归纳总结，并进行语义规范化处理，形成指导全过程全要素工艺模型构建的规范。该规范的研究是针对航空零件数控加工特点，形成的一种飞机典型零件工艺建模技术的应用模式，是对零件加工过程中相关技术的高度总结，是将理论研究、基础技术和生产应用技术研究转化为生产应用的桥梁。

针对全过程全要素工艺模型体系构建方法，拟采用元模型方法进行定义。首先定义全过程全要素工艺模型框架，如图2所示。在全过程全要素的工艺模型的定义的基础上编制相关规范。首先针对飞机零件工艺和数控加工特点，并吸收借鉴波音、空客等公司的有益经验和企业加工积累的经验，同时避免传统工艺模型不能支持零件制造全过程的问题，总结符合企业实际加工情况的工艺建模的业务模式，然后分别从规范描述的对象上将其划分为过程类、要素类、模型类、资源类、方法类，从规范面对的业务上，将其划分为工艺类、数控工艺类、仿真类、检测类、数据采集类、接口类，从基础资源库方面，将划分为机床类、规则类、工装类、模板类加工特征类、加工方法类、工艺参数类、软硬件系统类，并建立过程、模型、要素之间的关联关系。

图2中，设计、工艺加工特征信息模型：

优选地，总体特征：零件名称、零件代号、毛坯类型、零件外形尺寸、零件重量、生产类型、技术要求、设计者。

优选地，材料特征：材料牌号、材料特性、主要基体组织、材料品种与规格、使用温度和用途、材料热处理方式、表面处理方式、其他。

优选地，形状特征，包括设计信息、工艺特征、关联信息。

优选地，设计信息：设计基准、定位基准、设计参数、设计规则、设计要求。

优选地，工艺特征：加工方法、尺寸加工精度、表面粗糙度、形位精度、加工要求、其他。

优选地，关联信息：关联类型、属性。

1.2全过程全要素工艺模型、数据库体系框架

针对面向多设备协同加工，首先确定多设备的协同传递要素，定义与工艺加工相关的来自基础制造资源库的机床设备要素信息和设备接口信息，然后建立零件加工过程中涉及的多设备协同要素与设备之间的关联关系，包括制造资源的工艺环境、设备之间的信息传递关系、制造资源变更对加工制造特征的要素关联等内容，为实际加工中工艺模型的解析提供依据，如图3所示。

1.3飞机数字化设计、机加工艺仿真信息集成标准

飞机零件的数字化设计与加工过程，是以信息集成为核心、以产品单一数据源为管理手段。以设计模型为载体，设计特征与加工特征关联，以加工特征驱动的自动数控编程/仿真的设计制造一体化方法，建立一套面向智能制造的飞机数字化设计/机加工艺仿真信息集成标准体系，其中包括：

1.3.1)飞机数字化设计标准

针对飞机数字化产品设计的特点，以我公司ipdt设计手册为核心，通过飞机功能、性能分析，对结构件进行设计特征分解，形成初步设计特征集合，对设计结构进行可加工性分析，在结构、尺寸公差、几何形位公差和粗糙度约束下的可加工性、成本可控性、质量可达性方面进行评估，通过加工对象的加工特征分解，对设计特征进行对应性修正，建立结构-设计特征-加工特征之间的关系。形成基于设计特征的飞机结构件规范化设计流程，为支持规范化特征建模工具的开发提供功能要求。

针对飞机典型结构，总结提炼加工工艺设计知识，针对不同加工特征，以满足工艺表达清晰性、检测方便性为目标，对模型视图进行多视图分解，建立“视图-特征-加工信息标注”对应的多视图关联关系定义，形成以三维标注为核心的制造信息表达规范，为三维标注工具的开发和视图管理提供功能要求。

飞机产品结构件的设计特征和加工特征具有相关性，制定飞机数字化设计信息集成标准体系，飞机零件结构设计不但要满足功能、性能要求，同时还要满足可制造性要求，以设计特征和制造特征相关的形式表达，将制造信息以mbd(modelbaseddefinition)模型为载体，将特征作为数控编程与仿真的驱动源，定义飞机产品数字化设计标准。

1.3.2)飞机数字化工艺仿真标准

飞机结构件上有诸多非规则形状特征，例如凸台特征、孔系特征、框肋特征等。其加工工艺方法受限于工件材料、工件结构尺寸、机床条件、刀具选用等因素。传统依赖关键字搜索的知识挖掘和建模方法已经无法满足结构件智能数控编程与仿真的需求。因此由设计特征向加工特征的转化方法，建立工序模型建模标准、数控编程流程标准和数控加工工艺仿真流程标准，打通由结构设计到数控工艺设计/仿真之间的屏障。

建设典型三维mbd加工特征的数控编程模板，与编程中需要的各种加工参数构建成数控编程模板库。建立基于mbd加工特征的数控编程推理规则，并与对应三维加工特征建立映射关联，最终围绕mbd加工特征形成可被检索与常用的数控编程资源库。

实现设计特征向加工特征转化的方法，建立以加工特征模型为检索条件的工艺知识库。通过匹配加工特征，依据实际工件与加工条件实现自动数控编程。进而形成面向飞机机加结构件的智能数控编程流程标准。

如图3，优选标准：加工特征标准、工艺参数标准、工艺规则标准、工艺实例标准、制造资源标准。

2.“工艺综合仿真平台”知识库构建技术

2.1知识库构建技术

划分飞机结构件制造工艺中关键加工特征及加工阶段，编制基础制造资源的建模规范；进一步研究挖掘工艺数据内潜在规律，建立多种工艺知识模型；探索现场加工数据、质量数据和加工案例积累向加工工艺知识元反馈的知识进化技术。最终面向飞机结构件制造工艺构建可进化的结构化工艺知识库与工艺资源库。

开展飞机结构件制造工艺关键加工特征与加工阶段的分类研究，分析不同阶段典型结构件不同加工特征对制造工艺知识和资源的需求。通过人工录入、交互式采集和全自动采集等多种通道建立工艺知识实例、工艺模板、实时工况等。开发典型结构件制造典型加工特征的数控工艺知识库。挖掘工艺设计分析知识模型与加工环境、工艺因素和质量之间的潜在关系。形成飞机结构件工艺知识库的更新机制。结合制造大数据挖掘出的刀具磨损、机床状态、工装夹具力等工艺因素对工件质量的影响规律，实现制造过程的优化。

对典型结构件上关键加工特征与其加工阶段，分类建立工艺知识和资源的关系结构树。从积累的工艺数据中挖掘工艺知识，建立复合形式的结构化工艺知识元，进而构建飞机典型结构件工艺知识库与工艺资源库。利用多传感器技术采集加工现场的环境参数、工艺因素和质量检验数据，从中挖掘潜在影响规律，以此反馈更新典型结构件工艺知识库。结合大数据挖掘出的刀具磨损、机床状态、工装夹具力等工艺因素分析工件质量的影响规律，实现制造过程的优化，从而使工艺知识库服务于工艺设计和制造过程。

飞机结构件制造工艺知识来源于企业日常积累的工艺经验、工艺规范、工艺规程、工艺仿真分析数据。划分零件关键加工特征和加工阶段，利用知识描述语言等定义各特征和加工阶段中工艺知识和工艺资源的描述规范。进一步，抽取结构件上的关键加工特征，如框肋特征、孔系特征、环形特征等，将其换算为能够标识加工特征的矢量。识别仿真分析特征，抽取分析特征要素集合。通过多种途径建立结构化工艺知识模型。具体分类如下：

模板类工艺知识：将典型结构件加工过程中涉及的刀具类型和规格、加工参数集合、工装类型和规格等工艺设计要素建立成模板如图4所示工艺模板继承工艺设计与分析知识，使工艺员经过简单选择即可获得工艺设计结果。

规则类工艺知识：归纳典型结构件加工工艺设计和分析中积累的经验映射转化为工艺规则，比如：基准优先、先主后次、先粗后精等工艺规则。利用工艺规则推理机实现加工工艺知识推理。

实例类工艺知识：将典型工艺设计与分析实例的典型特征提取出来作为检索条件，比如：典型孔加工工艺知识、典型螺纹加工工艺知识、典型键槽加工工艺知识，以工艺设计与分析实例作为检索结果。

实时工况类工艺知识：将典型实作模型实时的制造状态、加工因素、设备运行状态和质量状态提取出工艺知识，以供实作模型大数据加工分析。

通过“工艺知识元——结构数据表映射”方法，将具有复杂关系的工艺知识元转化为简单结构化的工艺数据库表结构及表关系。从简单结构化的工艺数据库数据中抽取并转化为适合当前知识需求的知识包，供工艺快速设计分析使用。另外建立包含加工环境参数和过程质量参数的数据库，形成配合工艺知识库更新的基础环境。

2.2基于工艺模板的数控工艺生成方法

首先，获取飞机结构件典型结构所属产品、零件组、材料属性、典型属性等信息，依据获取信息基于规则匹配从工艺知识库中获取典型工艺模板，如果匹配到多个模板，则由用户进行筛选，如果没有匹配到工艺模板，则由用户修改筛选条件重新匹配。

然后，根据匹配好的典型工艺模板，从工艺知识库中读取工艺信息，进行飞机结构件典型结构的工序决策。对于一般工序，将工艺模板中的工序内容复制到新的工艺信息中，对于数控加工工序，筛选机床信息进入工步决策。工步决策中，筛选匹配的结构特征，创建针对特征的加工元对象，构建能够涵盖数控加工全过程的典型结构模型，完成典型结构的工艺级、工序级和工步级自动决策。对自动决策的工艺信息进行导航式修订，编辑工序、工步、工装等信息，实现飞机结构件典型结构数控工艺的自动生成，具体方法如图5所示，其中：

a基于三维模型检索的个性化特征/结构数控工艺生成：

首先应用制造语义的三维模型检索技术，将待制零件三维模型与数控工艺实例库中的零件三维模型进行几何相似性和制造语义相似性比较，自动检索出实例库中可重用的相似特征/结构；然后应用相似特征/结构的数控工艺关联解析技术，从数控工艺实例库中自动提取出可重用的数控工艺参数。

b基于渐进学习的个性化特征/结构数控工艺生成：

对方法2.3节无法检索到的个性化特征/结构，则由工艺人员通过交互设计生成数控工艺，并将其结果存入数控工艺实例库。当系统再遇到此类的个性化特征/结构时，就可以应用方法2.3节自动检索出来并重用其对应的数控工艺。

随着知识库和数控工艺实例库的不断丰富，工艺设计系统实现自动编程的比重越来越高，而交互编程的比重越来越小，使得数控编程的自动化和智能化程度不断提高。

c基于群体智能的零件数控工艺优化技术：

首先，将上述数控工艺设计结果依据实际加工环境为其选取可行的加工资源，包括机床(机床类型、负载、最大加工范围)、刀具(刀具类型、刀具半径)、夹具等。

然后，依据选取的加工资源及其数控加工信息，建立零件数控加工工艺优化数学模型，技术指标主要包括机床费用、刀具费用、机床变换时间、刀具更换时间、装夹费用等。

最后，针对制造资源的不确定性问题，采用遗传-模拟退火混合的群体智能优化算法，对基于静态资源的数控工艺规划与优化数学模型进行扩展求解，生成最优的零件数控加工工艺方案。具体方案如图6所示。

3“工艺综合仿真平台”工具平台

首先，分析飞机制造中多专业工艺业务的数据组成，以全三维mbd模型为工艺数据载体，构建覆盖工艺准备各阶段的柔性工艺模型。提取多专业工艺业务中的关键数据，依据全息工艺模型的结构形式构建逐步丰富的柔性工艺模型，包括工艺总体方案、工艺路线、工序工步、工艺模型、工序模型、刀位文件、nc程序、工艺仿真模型、工艺文档等内容；

其次，分析工艺准备过程中工艺规划、工艺方案、工装设计、数控编程、工艺仿真、工艺更改优化等多个复杂且相互转化的业务环节之间协同关系，通过标识业务类型确定数据需求类型，通过工艺设计业务接口定义业务协同方式，通过数据技术状态定义工艺模型视图状态；

最后，针对飞机工艺准备协同过程，在产品设计-工艺设计-制造业务的协同过程中识别业务标签、业务接口和技术状态，获取符合当前专业工艺设计活动的数据视图实现相应工艺设计工具的调用。

平台实现功能：扫描零件特征、识取公差、工艺方案生成、刀具匹配、加工结构树生成、数控程序自动生成、程序模拟仿真、校验结果8部分。

软件产品：

a“飞机机加结构件的数字化设计/数控编程与仿真”综合仿真平台；

b数字化设计及数控加工工艺所涉及的知识库(航空机加件典型特征库、航空机加件数控加工工艺知识库、航空机加件数控加工工艺仿真资源库等)

4.仿真平台验证

研发1套面向飞机典型结构件工艺设计/仿真标准的应用平台原型系统。在中航沈飞民机数控生产车间和机加车间分别对机身的框、梁和肋类典型零件的工艺设计/仿真标准展开应用验证：建立面向加工的典型零件工艺案例不少于200件。

4.1)验证设备：

4.1.1)硬件：五坐标数控机床；联想数控工作站；

4.1.2)软件：

catiav5r18以上版本的设计软件(应含有fta和ncm模块)；

“飞机机加结构件的数字化设计/数控编程与仿真”综合仿真平台；

航空机加件设计数模质量检测系统；

航空机加件典型特征库；

航空机加件数控加工工艺知识库；

航空机加件数控加工工艺仿真资源库。

4.2)验证方法：

选取某型飞机的零件作为参考基准，对该零件按照标准的要求进行设计，并通过验证所需的一些列软件进行数据完善。设计环节只需设计员使用知识库快速精确建模，这个研发过程的各环节质量控制均通过软件实现自动检测，将问题反馈给设计员进行修改完善，设计数模冻结后系统自动生成可制造的数控编码，并能用常规的五轴数控机床自动读取并加工，加工后的零件应符合航空装备的质量要求，并与选取的零件做比较分析其质量、周期、成本等问题。

选取国有大飞机特征全面的整体结构机加件，输入到我们完成的智能自动编程软件进行识别及关联，应用软件运算及数据库的调用完成数控零件自动编程。生成完整的刀具切削路径、刀具、并生成g代码程序进行模拟仿真。将已通过仿真验证的g代码程序输入数控五坐标铣床进行加工制造。检验制造的机加件是否符合图纸、数模等制造依据。以此验证编程流程数据库及智能自动编程软件是否成功。