王焱 ，隋立江 ，，于勇

1.中國(guó)航空制造技術(shù)研究院，北京 100024

2.數(shù)字化制造技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024

3.北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191

模型是表征產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及屬性數(shù)據(jù)的基本形式，在數(shù)字化智能化制造環(huán)境下，生產(chǎn)活動(dòng)已經(jīng)把模型作為基本的數(shù)據(jù)源，模型成為現(xiàn)代制造系統(tǒng)運(yùn)行的基本驅(qū)動(dòng)要素，產(chǎn)品制造過程中各類相關(guān)模型的傳遞、演變和構(gòu)建成為數(shù)據(jù)分析和處理的主要內(nèi)容。

自2013年4月,德國(guó)推出“工業(yè)4.0”的概念以來(lái)，智能制造成為現(xiàn)代先進(jìn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)方向。智能制造的核心是賽博-物理系統(tǒng)(Cyber-Physical System，CPS)，以互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)分析為核心，建立起以數(shù)字世界和物理世界無(wú)縫融合為基礎(chǔ)的自適應(yīng)、自調(diào)整的柔性化生產(chǎn)方式，支撐制造業(yè)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制生產(chǎn)，即客戶參與產(chǎn)品的制造過程，能夠與企業(yè)進(jìn)行聯(lián)合創(chuàng)造和協(xié)同設(shè)計(jì)[1]。其中，數(shù)字世界和物理世界無(wú)縫融合的核心就是與生產(chǎn)活動(dòng)相關(guān)模型的構(gòu)建及其使用。產(chǎn)品研制經(jīng)歷了從二維圖板繪制圖樣，到計(jì)算機(jī)繪制二維圖樣，到三維數(shù)字化樣機(jī)設(shè)計(jì)，再到全三維樣機(jī)設(shè)計(jì)的演變過程。以波音787為代表的新型客機(jī)研制過程中，全面采用基于模型的定義(Model-Based Definition，MBD)技術(shù)，將三維產(chǎn)品制造信息與三維設(shè)計(jì)信息共同定義到產(chǎn)品的三維模型中，摒棄二維工程圖樣，將MBD模型作為制造的唯一依據(jù)。隨著MBD方法日趨成熟，數(shù)字量成為驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的主體，產(chǎn)品模型可以用于制造、驗(yàn)證和使用的全部過程，智能生產(chǎn)過程存在兩條數(shù)據(jù)鏈路：（1）從產(chǎn)品模型到設(shè)備驅(qū)動(dòng)信號(hào)的正向傳遞，即“產(chǎn)品模型—工藝模型—工藝規(guī)程—加工程序—控制代碼—控制信號(hào)”；（2）從現(xiàn)場(chǎng)傳感器信號(hào)到運(yùn)行控制系統(tǒng)、工藝規(guī)劃系統(tǒng)的信息反饋，即“傳感信號(hào)—工況狀態(tài)—質(zhì)量狀態(tài)—誤差模型—重構(gòu)模型”，形成從產(chǎn)品模型出發(fā)到重構(gòu)模型建立的循環(huán)，直至加工的實(shí)物產(chǎn)品符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，這兩個(gè)數(shù)據(jù)鏈路形成了生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)字主線，通過數(shù)據(jù)狀態(tài)的連續(xù)演變形成完整的數(shù)據(jù)閉環(huán)[2,3]，數(shù)字模型是全過程數(shù)據(jù)的載體，從產(chǎn)品模型到產(chǎn)品實(shí)物的過程可以表達(dá)為模型的演變過程，如圖1所示。

到目前為止，生產(chǎn)過程的兩個(gè)數(shù)據(jù)鏈路尚不能完全基于模型構(gòu)成完整的數(shù)據(jù)閉環(huán)，使得生產(chǎn)過程中難以有效實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)加工狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、向數(shù)字空間映射實(shí)時(shí)狀態(tài)。為支持生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)識(shí)別、對(duì)運(yùn)行過程決策處理、加工工藝優(yōu)化等方面的智能化分析和處理，我們?cè)谶@里針對(duì)數(shù)控加工過程，討論“實(shí)作模型”概念，以及實(shí)作模型建模與數(shù)控加工在線分析的實(shí)現(xiàn)方法。

圖1 生產(chǎn)過程中模型到產(chǎn)品實(shí)物的演變過程Fig.1 Evolution process of models to product

1 實(shí)作模型的概念及其結(jié)構(gòu)

1.1 實(shí)作模型的概念

隨著MBD技術(shù)應(yīng)用的逐步推廣和普及，模型定義已經(jīng)從產(chǎn)品建模擴(kuò)展到面向產(chǎn)品全生命周期全過程全要素的集成共享和協(xié)同環(huán)境，MBD概念進(jìn)一步發(fā)展為基于模型的企業(yè)(Model-Based Enterprise，MBE)、基于模型的系統(tǒng)工程(Model-Base System Engineering，MBSE)概念。在此背景下，洛克希德-馬丁公司提出了“數(shù)字線”（Digital Thread）概念，在F-35 生產(chǎn)中將MBD 數(shù)據(jù)直接傳遞給數(shù)控機(jī)床完成零件加工、復(fù)合材料鋪放等制造過程，并將這種以模型為中心的工作模式稱之為“數(shù)字線”，它覆蓋產(chǎn)品全過程與全價(jià)值鏈，從基礎(chǔ)材料、設(shè)計(jì)、工藝、制造以及使用維護(hù)等全過程；2003年，Michael Grieves教授在密歇根大學(xué)的產(chǎn)品全生命周期管理(Product Lifecycle Management，PLM)課程上提出了“與物理產(chǎn)品等價(jià)的虛擬數(shù)字化表達(dá)”的概念：一個(gè)或一組特定裝置的數(shù)字復(fù)制品，能夠抽象表達(dá)真實(shí)裝置并可以此為基礎(chǔ)進(jìn)行真實(shí)條件或模擬條件下的測(cè)試。2011年，Michael Grieves教授在《幾乎完美：通過PLM驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新和精益產(chǎn)品》一書中引用了其合作者John Vickers描述該概念模型的名詞——數(shù)字孿生(Digital Twin)，指充分利用物理模型、傳感器、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多尺度的仿真過程，它作為虛擬空間中對(duì)實(shí)體產(chǎn)品的鏡像，反映了相對(duì)應(yīng)物理實(shí)體產(chǎn)品的全生命周期過程[4,5]。

美國(guó)國(guó)防部將數(shù)字孿生應(yīng)用于航空航天飛行器的健康維護(hù)與保障，其目的是在數(shù)字空間建立真實(shí)飛機(jī)的模型，并通過傳感器實(shí)現(xiàn)與飛機(jī)真實(shí)狀態(tài)完全同步。隨后數(shù)字孿生的概念被擴(kuò)展到制造領(lǐng)域，指充分利用物理模型、傳感器、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)實(shí)作產(chǎn)品的全生命周期過程。其中實(shí)作產(chǎn)品（as-built product）的內(nèi)容可包括產(chǎn)品構(gòu)型、材料微觀結(jié)構(gòu)、瑕疵、制造異常等[5]。

數(shù)控加工過程是依據(jù)工藝規(guī)程進(jìn)行的，工藝規(guī)程由一系列工序、工步組成，涵蓋從毛坯到成品的整個(gè)過程，對(duì)應(yīng)于工序的數(shù)據(jù)連續(xù)傳遞和演變過程則構(gòu)成了數(shù)控加工的核心，工序的自檢、互檢或檢驗(yàn)是其中的質(zhì)量控制環(huán)節(jié)，工序執(zhí)行過程則是分析決策的直接應(yīng)用環(huán)節(jié)。從基于模型制造的角度，對(duì)應(yīng)于每個(gè)數(shù)控工序的數(shù)據(jù)可以稱為一個(gè)工序模型，一系列的工序模型組成了數(shù)控加工的工藝模型，數(shù)控加工過程就可以看作是一個(gè)從毛坯模型到產(chǎn)品模型的連續(xù)演變過程(正向傳遞數(shù)據(jù)鏈的一部分)，檢驗(yàn)過程、執(zhí)行過程的分析決策可以看作是加工狀態(tài)的反饋和調(diào)整，同樣，數(shù)控加工環(huán)境下，檢驗(yàn)過程也可以有檢測(cè)模型的支持。在這里，我們把數(shù)字孿生的概念引入其中，建立工件的加工狀態(tài)模型，可以稱其為數(shù)控加工中的實(shí)作模型(as-build model)，通過實(shí)作模型，建立數(shù)控加工過程反饋數(shù)據(jù)鏈中實(shí)物世界與數(shù)字空間的關(guān)聯(lián)定義。數(shù)控加工過程涉及的工藝模型、檢驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?shí)作模型的定義，從系統(tǒng)思維的角度來(lái)看實(shí)際上是制造業(yè)企業(yè)制造過程建?；顒?dòng)的一部分，在更大層面上是企業(yè)建模的一部分。通過建模和仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)模型驅(qū)動(dòng)的制造，通過模型來(lái)全面識(shí)別制造活動(dòng)，并進(jìn)行仿真來(lái)支持?jǐn)?shù)據(jù)分析、監(jiān)控和決策過程，這是支撐智能制造實(shí)現(xiàn)的基本要素之一。

概括起來(lái)，數(shù)控加工中的實(shí)作模型是以物理世界(數(shù)控加工工序現(xiàn)場(chǎng))實(shí)作產(chǎn)品狀態(tài)、生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵參數(shù)和數(shù)據(jù)為核心，基于工藝模型和檢測(cè)模型所形成的一系列物理世界實(shí)作產(chǎn)品在數(shù)字世界中的映像。

引入實(shí)作模型概念后，圖1的模型演變過程將變?yōu)閳D2所示的形式，它表達(dá)了設(shè)計(jì)模型、工藝/檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?、?shí)作模型之間的關(guān)系，產(chǎn)品制造過程的數(shù)據(jù)鏈路實(shí)現(xiàn)了全閉環(huán)傳遞。

工藝/檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?、?shí)作模型的共有的數(shù)字化定義信息均來(lái)自于設(shè)計(jì)模型，實(shí)作模型在工藝/檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上，包含所采集的物理世界實(shí)作產(chǎn)品的最終狀態(tài)、生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵參數(shù)和數(shù)據(jù)，形成一系列物理世界實(shí)作產(chǎn)品的數(shù)字映像，換言之，實(shí)作模型是基于工藝模型、檢驗(yàn)?zāi)Ｐ腿诤仙a(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，形成設(shè)計(jì)模型的實(shí)例化模型。建立實(shí)作模型的目的旨在結(jié)合零件數(shù)控加工全過程所獲取的海量數(shù)據(jù)，建立設(shè)計(jì)模型與零件加工過程、加工結(jié)果的映射關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)零件加工過程進(jìn)行在線的實(shí)時(shí)分析和離線的工藝優(yōu)化，解決零部件研制和生產(chǎn)的質(zhì)量穩(wěn)定性、快速交付等問題，最終提升產(chǎn)品快速研制能力。

1.2 實(shí)作模型的結(jié)構(gòu)

在數(shù)控加工過程中，工藝模型為工作現(xiàn)場(chǎng)提供了運(yùn)行所需要的數(shù)據(jù)(包含了加工流程、工序數(shù)據(jù)、程序指令、加工要求、檢驗(yàn)要求等)，這是數(shù)字化、智能化生產(chǎn)中設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)傳遞的核心載體。實(shí)作模型也可以看作是一種產(chǎn)品制造完成后的階段或竣工驗(yàn)收的模型，其結(jié)構(gòu)展示了最終真實(shí)的物理產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的中間或最終狀態(tài)，同時(shí)要包括所有在制造、裝配和試驗(yàn)階段所發(fā)生的各類事件和所采納的更改。在實(shí)作模型中，需要表達(dá)出產(chǎn)品實(shí)際物理結(jié)構(gòu)、缺陷、制造質(zhì)量、實(shí)際結(jié)構(gòu)等信息。

圖2 設(shè)計(jì)模型、工藝/檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?、?shí)作模型及物理實(shí)物之間的關(guān)系Fig.2 Relationship of design model，procedure model，as-build model and product

實(shí)作模型信息來(lái)源及與其他模型、數(shù)據(jù)的關(guān)系如圖3所示。其中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)階段形成的設(shè)計(jì)模型、工藝模型、檢驗(yàn)?zāi)Ｐ臀覀兎Q其為源模型，實(shí)作模型是依據(jù)制造現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)(檢驗(yàn)數(shù)據(jù)、采集數(shù)據(jù)、制造數(shù)據(jù))對(duì)源模型進(jìn)行修正(或稱為實(shí)例化)而得到的，即實(shí)作產(chǎn)品的數(shù)字映象。

圖3 實(shí)作模型數(shù)據(jù)來(lái)源及與其他模型、數(shù)據(jù)的關(guān)系Fig.3 Data source of as-build model，and the relationship of models

零部件實(shí)作模型的模型結(jié)構(gòu)組成如圖4 所示，其屬性信息包含了與產(chǎn)品形成過程中的相關(guān)模型、實(shí)際數(shù)據(jù)、信息之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

圖4 實(shí)作模型的結(jié)構(gòu)組成Fig.4 Contents of as-build model

實(shí)作模型可以認(rèn)為是工藝模型傳遞至現(xiàn)場(chǎng)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備完成加工后，形成的符合技術(shù)要求的理論模型實(shí)例，可以用來(lái)代表物理實(shí)體的真實(shí)狀態(tài)(如幾何要素的真實(shí)位置和形狀)。這樣，在數(shù)字世界中，可以用實(shí)作模型進(jìn)行后續(xù)的分析評(píng)估，代替用理論模型所做的分析評(píng)估，從而獲得現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)的變化趨勢(shì)。

2 實(shí)作模型構(gòu)建原理與建模方法

2.1 實(shí)作模型構(gòu)建原理

數(shù)控加工過程涵蓋了從毛坯到成品的整個(gè)過程，對(duì)應(yīng)于工序的數(shù)據(jù)連續(xù)傳遞和演變過程則構(gòu)成了數(shù)控加工工藝過程。其中，設(shè)計(jì)模型是數(shù)控加工的目標(biāo)狀態(tài)，毛坯是數(shù)控加工的初始狀態(tài)，每個(gè)工序的最終結(jié)果首先呈現(xiàn)的是幾何要素的演變及其真實(shí)形態(tài)，也是實(shí)作模型表達(dá)的結(jié)構(gòu)信息，其他的屬性信息(如加工資源、制造質(zhì)量等)則是在結(jié)構(gòu)信息基礎(chǔ)上增加而成的。因此，實(shí)作模型的構(gòu)建分為結(jié)構(gòu)信息、屬性信息、關(guān)系信息三個(gè)層次，結(jié)構(gòu)信息是基礎(chǔ)，屬性信息依賴于結(jié)構(gòu)而存在。

結(jié)構(gòu)信息的來(lái)源是工藝模型，是保證數(shù)據(jù)唯一性來(lái)源的主體數(shù)據(jù)集，主要包括零件的幾何結(jié)構(gòu)、基準(zhǔn)面、坐標(biāo)系、形位公差等幾何數(shù)據(jù)；屬性數(shù)據(jù)是針對(duì)制造過程的描述性數(shù)據(jù)，包括毛坯信息、制造過程信息、加工資源信息、質(zhì)量信息等；關(guān)系信息是描述不同類型數(shù)據(jù)集之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的索引，如檢測(cè)數(shù)據(jù)中的物理幾何信息與結(jié)構(gòu)信息中幾何要素的關(guān)聯(lián)關(guān)系、原材料信息與毛坯信息的關(guān)聯(lián)關(guān)系、加工裝備信息與加工資源的關(guān)聯(lián)關(guān)系等，它是屬性數(shù)據(jù)中的一個(gè)特殊類型數(shù)據(jù)。

實(shí)作模型構(gòu)建中首先面臨的是幾何要素的重構(gòu)，即根據(jù)加工零件的實(shí)際狀態(tài)(檢驗(yàn)數(shù)據(jù))對(duì)相應(yīng)的幾何要素進(jìn)行修正，這一過程實(shí)際上可以認(rèn)為是對(duì)設(shè)計(jì)的理論模型中幾何要素的實(shí)例化過程；同樣，屬性信息也是根據(jù)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)、傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)例化的過程；關(guān)系信息則是依據(jù)確定的實(shí)作模型邏輯結(jié)構(gòu)，給出關(guān)聯(lián)關(guān)系索引，是屬性數(shù)據(jù)中的一個(gè)特定類型。

為了構(gòu)建實(shí)作模型，我們應(yīng)用面向?qū)ο蟮囊恍┗舅枷牒头椒?。?fù)雜系統(tǒng)由相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)組成，子系統(tǒng)又是由他們各自的子系統(tǒng)構(gòu)成，對(duì)一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)建模，可以將他看作“是一個(gè)層次”及“一個(gè)層次的一部分”；面向?qū)ο蠓椒ǘx了構(gòu)建復(fù)雜軟件系統(tǒng)的表示法和過程，軟件工程的成熟發(fā)展導(dǎo)致了面向?qū)ο蠓治觥⒃O(shè)計(jì)和編程方法的發(fā)展，面向?qū)ο蟮木幊虖?qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)抽象、封裝及繼承，其基本的構(gòu)件是類和對(duì)象[6]。

按照面向?qū)ο蟮乃枷敕椒?，在?shí)作模型構(gòu)建階段我們把設(shè)計(jì)模型看作是“元類”，把工藝模型、檢驗(yàn)?zāi)Ｐ涂醋魇窃愊旅娴摹邦悺保瑢?shí)作模型就可以看作是“對(duì)象”，這樣，元類—類—對(duì)象直接就可以有關(guān)聯(lián)、繼承、聚合、使用關(guān)系，實(shí)作模型的建模過程可以看作是一個(gè)從“泛化”到“特化”的過程，過程狀態(tài)(工序)的實(shí)作模型就是工藝模型對(duì)應(yīng)的“實(shí)例”，終態(tài)的實(shí)作模型就是設(shè)計(jì)模型對(duì)應(yīng)的“實(shí)例”。這樣，產(chǎn)品制造各階段的模型層次關(guān)系如圖5 所示，數(shù)據(jù)層面的“檢測(cè)數(shù)據(jù)”“采集數(shù)據(jù)”“制造數(shù)據(jù)”是在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)支持下獲得的，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)涉及硬件和軟件，是數(shù)字化智能化車間專門開發(fā)或配置的功能系統(tǒng)，實(shí)作模型建立過程中僅將其作為一個(gè)獨(dú)立工具來(lái)使用。

圖5 產(chǎn)品制造過程中相關(guān)模型間的層次關(guān)系Fig.5 Models hierarchical relationship in manufacturing

這樣，實(shí)作模型的構(gòu)建就可以按照面向?qū)ο蠓椒捌湓磉M(jìn)行，遵循以下基本原則：（1）結(jié)構(gòu)繼承性：結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)涉及幾何、公差、附注數(shù)據(jù)及其關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)作模型的結(jié)構(gòu)首先是繼承工藝模型結(jié)構(gòu)，并保持相關(guān)關(guān)系不變。（2）拓?fù)洳蛔冃裕簬缀卧氐倪B接關(guān)系，實(shí)作模型中建立新的幾何元素時(shí)應(yīng)保持其與父類相對(duì)應(yīng)要素的拓?fù)潢P(guān)系不變。（3）屬性附加性：屬性數(shù)據(jù)獨(dú)立存儲(chǔ)，與被實(shí)例化的主體要素用關(guān)系指針連接。（4）數(shù)據(jù)唯一性：同類屬性數(shù)據(jù)只能有一個(gè)數(shù)據(jù)集，不可存在副本或復(fù)制的數(shù)據(jù)。

可以看出，實(shí)作模型是在繼承其“泛化”模型(工藝模型)固有特征屬性的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)(檢測(cè)數(shù)據(jù)、制造現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù))反饋，形成“特化”模型(實(shí)例化的對(duì)象)的過程，首先是對(duì)來(lái)源于制造現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提煉特征要素?cái)?shù)據(jù)，然后依次對(duì)變化的幾何數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，形成實(shí)作模型。這一過程我們參考采用UML/SysML語(yǔ)言基本方法[7,8]的活動(dòng)圖形式，實(shí)作模型構(gòu)建的基本邏輯過程如圖6 所示，實(shí)作模型構(gòu)建工具的設(shè)計(jì)開發(fā)依據(jù)本活動(dòng)圖，建立軟件系統(tǒng)的基本運(yùn)行邏輯和功能分解。

圖6中，第一個(gè)泳道內(nèi)是交互操作的界面活動(dòng)，第二個(gè)泳道是數(shù)據(jù)分析的活動(dòng)，第三個(gè)泳道是數(shù)據(jù)加載和建模的活動(dòng)，特征模型(數(shù)量是1，…，n)是實(shí)作模型構(gòu)建的基本元素，對(duì)應(yīng)于一個(gè)工序加工區(qū)域所屬要素的繼承屬性、相關(guān)聯(lián)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。一個(gè)工序加工區(qū)域所屬要素可以按工序劃分的工步進(jìn)行對(duì)應(yīng)分解，最小區(qū)域應(yīng)該是一個(gè)操作(一個(gè)數(shù)控程序?qū)?yīng)形成的區(qū)域)涉及的范圍。

圖6 實(shí)作模型構(gòu)建的活動(dòng)Fig.6 Activity diagram of as-build model building

2.2 實(shí)作模型構(gòu)建的一般方法

采用MBD技術(shù)建立的產(chǎn)品模型、工藝模型中，零部件模型采用精確的幾何描述，并攜帶了大量的工程屬性信息(如材料、毛坯規(guī)格、公差要求等)，隨著零部件制造過程的進(jìn)行，產(chǎn)品模型、工藝模型所屬的這些幾何數(shù)據(jù)、公差數(shù)據(jù)、材料及其加工狀態(tài)等都變成了確定的數(shù)據(jù)和信息，對(duì)應(yīng)每個(gè)實(shí)物零件都有一組確定的個(gè)性化屬性數(shù)據(jù)，實(shí)作模型就是建立了產(chǎn)品模型、工藝模型與這些個(gè)性化屬性數(shù)據(jù)的唯一映射。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型中，基本信息主要包括幾何信息、拓?fù)湫畔ⅰ⒐こ陶Z(yǔ)義信息、裝配約束信息和裝配結(jié)構(gòu)層次信息。零部件制造完成工序指令后，實(shí)作模型將是這些信息的實(shí)例化表達(dá)，其中，幾何信息、拓?fù)湫畔⑹菍?shí)作模型的基本構(gòu)架。實(shí)例化表達(dá)過程主要依據(jù)以下原則：(1)幾何信息主要用來(lái)表征實(shí)作模型的基本結(jié)構(gòu)，主要繼承工藝模型的幾何結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)例化處理。(2)拓?fù)湫畔⒅饕硎鰧?shí)作模型的點(diǎn)、線、面之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。實(shí)作模型可能會(huì)根據(jù)具體尺寸、公差等數(shù)據(jù)重構(gòu)基本幾何體素，但其之間的拓?fù)潢P(guān)系不應(yīng)改變。(3)工程語(yǔ)義信息是表征零部件制造要求的信息，主要包括零部件所具有的基本屬性信息、公差信息以及幾何精度信息等，這些信息將成為與工件實(shí)物一一對(duì)應(yīng)的個(gè)性化信息。(4)裝配約束信息是實(shí)現(xiàn)零部件間的配合信息，主要針對(duì)可裝配零部件之間幾何體素的配合，實(shí)作模型中，這些約束關(guān)系根據(jù)工件實(shí)際點(diǎn)、線、面等特征的幾何位置和尺寸而確定，但拓?fù)潢P(guān)系應(yīng)保持不變。(5)實(shí)作模型中，裝配結(jié)構(gòu)層次信息應(yīng)保持不變，直接從產(chǎn)品模型、工藝模型中繼承。(6)制造數(shù)據(jù)獨(dú)立存在，并與相應(yīng)的幾何信息、拓?fù)湫畔⒕哂幸灰粚?duì)應(yīng)關(guān)系。

針對(duì)飛機(jī)產(chǎn)品的三維模型表達(dá)，其模型在結(jié)構(gòu)上可以分為產(chǎn)品層、部件層、組件層、零件層、幾何元素層5個(gè)層次，其中，產(chǎn)品層、部件層、組件層、零件層分別對(duì)應(yīng)著產(chǎn)品裝配體、部件裝配體、組件裝配體、零件，幾何元素層包含了坐標(biāo)、點(diǎn)、線、面等幾何元素，其模型結(jié)構(gòu)如圖7(a)所示。對(duì)于數(shù)控加工過程，大部分是零件級(jí)的加工，少量涉及組件層的組件裝配體(如梁組件、壁板組件等)，所以，針對(duì)數(shù)控加工的實(shí)作模型主要關(guān)聯(lián)的對(duì)象是零件，適當(dāng)考慮組件裝配體，即數(shù)控加工過程的實(shí)作模型是面向零件層、組件層的實(shí)例化表達(dá)。實(shí)作模型是實(shí)際產(chǎn)品的映射(孿生體)，實(shí)作模型結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品模型結(jié)構(gòu)一一對(duì)應(yīng)，制造狀態(tài)數(shù)據(jù)作為實(shí)作模型的屬性數(shù)據(jù)并列在幾何元素層，幾何元素是數(shù)控加工操作的最小單位，實(shí)作模型層次結(jié)構(gòu)如圖7(b)所示，變化的顏色表示實(shí)例化。

圖7 設(shè)計(jì)模型、實(shí)作模型的層次結(jié)構(gòu)及其相關(guān)關(guān)系Fig.7 Hierarchical relationship of design model and as-build model

目前，飛機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段采用CATIA工具，產(chǎn)品模型定義遵循MBD 規(guī)范，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段完成后形成一個(gè)MBD數(shù)據(jù)集，這個(gè)數(shù)據(jù)集包括產(chǎn)品的三維幾何、尺寸、公差和工藝等信息。MBD 技術(shù)的核心要求是把集成的二維圖樣上的尺寸、公差和工藝信息的三維實(shí)體模型作為設(shè)計(jì)制造過程中的唯一依據(jù)，在CATIA 軟件里，這些非幾何信息都定義在規(guī)范樹之中[9,10]，實(shí)作模型也遵循這樣的表達(dá)形式。

產(chǎn)品精度要求是數(shù)控加工過程的基本約束條件，也是實(shí)作模型中與幾何元素相關(guān)的實(shí)際檢驗(yàn)數(shù)據(jù)。精度屬性用于描述幾何形狀和尺寸的許可變動(dòng)量或誤差，是產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)、加工、檢驗(yàn)的重要依據(jù)。精度屬性主要包括公差和表面粗糙度，公差內(nèi)容包括尺寸公差和形位公差，產(chǎn)品完成加工后，這些數(shù)據(jù)將通過檢驗(yàn)測(cè)量獲得實(shí)際值，成為實(shí)作模型的屬性數(shù)據(jù)之一。

工件的幾何尺寸及其公差、形位公差、表面粗糙度通過測(cè)量器具、坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、測(cè)量?jī)x器等手段獲得，并需要處理成結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)。制造現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與處理系統(tǒng)是支持實(shí)作模型建模的基礎(chǔ)工具。

為便于實(shí)作模型建模軟件工具開發(fā)，實(shí)作模型屬性數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行明確定義及結(jié)構(gòu)化表達(dá)，本文僅給出如圖8 所示的實(shí)作模型屬性數(shù)據(jù)主要內(nèi)容及其與相關(guān)模型的關(guān)系作為示例，不再詳細(xì)敘述。

3 數(shù)控加工在線分析中的實(shí)作模型應(yīng)用模式

智能制造是智能技術(shù)與制造技術(shù)的融合，對(duì)產(chǎn)品全生命周期中設(shè)計(jì)、加工、裝配等環(huán)節(jié)的制造活動(dòng)進(jìn)行知識(shí)表達(dá)與學(xué)習(xí)、信息感知與分析、智能決策與執(zhí)行，是以“動(dòng)態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行”為特征的循環(huán)遞進(jìn)過程，數(shù)字量貫穿全過程[11-13]，在模型數(shù)據(jù)的支持下實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)。

由于制造過程的復(fù)雜性，在線分析技術(shù)可采用靜態(tài)分析與動(dòng)態(tài)分析相結(jié)合的方法進(jìn)行研究。因此，需要建立相應(yīng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)模型與動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)模型。靜態(tài)結(jié)構(gòu)模型能夠表達(dá)制造活動(dòng)的組織及結(jié)構(gòu)，以從設(shè)計(jì)模型向現(xiàn)場(chǎng)傳遞的數(shù)字量為主體，包括工藝模型和檢驗(yàn)?zāi)Ｐ停粍?dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)模型則用于描述制造活動(dòng)的過程、行為與結(jié)果，以制造現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)向?qū)嵶髂Ｐ蛡鬟f的數(shù)字量為主體，形成實(shí)作模型。

首先，對(duì)加工過程中的采集、測(cè)量等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、融合和挖掘，得到與制造元素相關(guān)的可識(shí)別、可描述、可處理的信息。利用這些信息，結(jié)合工藝模型、檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?、制造系統(tǒng)資源等信息，建立實(shí)作模型，支持在線加工狀態(tài)分析。同時(shí)以此為基礎(chǔ)，提取制造規(guī)則、形成制造知識(shí)的積累，建立規(guī)則庫(kù)；其次，通過實(shí)作模型與理論模型(設(shè)計(jì)模型或工藝模型)對(duì)比分析，評(píng)價(jià)制造過程的加工狀態(tài)、對(duì)加工狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并結(jié)合工藝知識(shí)庫(kù)，給出工藝優(yōu)化方案，確保零件加工質(zhì)量。

數(shù)控加工在線分析是基于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供制造過程數(shù)據(jù)，基于設(shè)計(jì)模型、工藝模型和檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷撵o態(tài)結(jié)構(gòu)，對(duì)制造過程數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，并提取規(guī)則化數(shù)據(jù)(按設(shè)計(jì)的規(guī)則，并根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)規(guī)則進(jìn)行修正、積累，形成典型特征處理的規(guī)則庫(kù))。利用實(shí)作模型與理論模型進(jìn)行對(duì)比，評(píng)價(jià)加工狀態(tài)，確定誤差補(bǔ)償需求。這一過程我們?nèi)匀粎⒖疾捎肬ML/SysML語(yǔ)言基本方法的活動(dòng)圖形式，把數(shù)控加工在線分析的基本邏輯過程表達(dá)為圖9，這也是實(shí)作模型的基本應(yīng)用模式。

圖8 實(shí)作模型屬性數(shù)據(jù)及其與相關(guān)模型的關(guān)系Fig.8 As-build model's data-structure and models relationship

數(shù)控加工在線分析主要解決對(duì)獲得的制造現(xiàn)場(chǎng)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別、分析、歸納和總結(jié)，結(jié)合工藝知識(shí)庫(kù)，對(duì)工件加工狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)，以指導(dǎo)下一步制造活動(dòng)的執(zhí)行，這里僅給出在線分析的基本活動(dòng)，展示出實(shí)作模型的應(yīng)用模式，對(duì)于具體的在線分析過程及其技術(shù)不再深入討論。

4 結(jié)論

實(shí)作模型是支持生產(chǎn)過程構(gòu)成閉環(huán)控制、實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)行的核心要素。實(shí)作模型是表征加工完成后的階段或竣工驗(yàn)收的工件狀態(tài)的一種模型，其結(jié)構(gòu)展示了最終真實(shí)的物理產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的中間或最終狀態(tài)，同時(shí)要包括所有在制造、裝配和試驗(yàn)階段所發(fā)生的各類事件和所采納的更改。實(shí)作模型屬性信息包含了與產(chǎn)品形成過程中的相關(guān)模型、實(shí)際數(shù)據(jù)、信息之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，建立起了加工過程反饋數(shù)據(jù)鏈中實(shí)物世界與數(shù)字空間的關(guān)聯(lián)定義。

本文提出了實(shí)作模型結(jié)構(gòu)、建模邏輯及其實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)作模型的構(gòu)建可以采用面向?qū)ο蟮乃枷敕椒?，把設(shè)計(jì)模型看作是“元類”，把工藝模型、檢驗(yàn)?zāi)Ｐ涂醋魇窃愊旅娴摹邦悺?，?shí)作模型看作是“對(duì)象”，元類—類—對(duì)象直接就可以有關(guān)聯(lián)、繼承、聚合、使用關(guān)系，實(shí)作模型的建模過程可以看作是一個(gè)從“泛化”到“特化”的過程，過程狀態(tài)(工序)的實(shí)作模型就是工藝模型對(duì)應(yīng)的“實(shí)例”，終態(tài)的實(shí)作模型就是設(shè)計(jì)模型對(duì)應(yīng)的“實(shí)例”。

實(shí)作模型表達(dá)了數(shù)控加工中物理世界實(shí)作產(chǎn)品在數(shù)字世界中的映象，為模型驅(qū)動(dòng)的制造建立全閉環(huán)數(shù)字鏈路提供了條件，支持智能生產(chǎn)過程中實(shí)時(shí)分析和自主決策功能的實(shí)現(xiàn)。本文討論的實(shí)作模型構(gòu)建原理、模型結(jié)構(gòu)、建模邏輯及其實(shí)現(xiàn)方法，為相關(guān)工具系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)框架。

圖9 數(shù)控加工在線分析的活動(dòng)圖Fig.9 Activity diagram of online-analysis in manufacturing