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摘要：在虚拟制造生产方式下实现信息共享的前提是数字化产品定义技术应用，详细阐述了数字化产品定义技术及其关键元件，对飞航导弹数字化产品定义技术进行了初步的探讨，并对现阶段飞航导弹数字化产品定义技术应用提出了建议。
关键词：虚拟制造；PDM；数字化产品定义
1 概述
1.1 问题提出
当前，计算机技术的飞速发展，已经大大影响了我们的生产生活方式。为快速响应市场需求，缩短产品开发周期，产品的生产模式逐渐进入了以虚拟仿真验证为主，物理样机验证为辅的虚拟制造生产方式阶段。这是一种基于敏捷制造、虚拟制造、网络制造、全球制造上的生产模式，它要求从产品设计的一开始就要考虑到全寿命周期中的问题。虚拟制造生产方式的特点是，强调以协同为基础的并行有序的产品开发和上下游共同决策过程，并在产品数据管理( PDM)下进行过程控制与管理，解决设计与产品其它环节脱离的矛盾，为多品种单件小批生产的自动化提供有效途径。在虚拟制造生产方式下，产品设计、制造以及其它环节是建立在协同基础上的，产品信息反馈贯穿于全寿命周期的各个阶段，为减少信息反馈中的出错几率，要求各阶段对于产品的描述尽量保持一致。然而，在实际生产过程各个阶段和环节，由于实际需求和对产品的理解层次上的不同，对于产品信息的描述不尽相同。使得我们在共享产品信息资源的同时，不得不花费大量的时间去整理这些信息，从而影响了产品协同开发与设计的效率。因此，如何在实践中总结出一套适合于本企业的产品信息规范，并采用统一模型设计的工作方法，显得尤为重要。
1.2 解决方案
数字化产品定义的概念正是基于上述问题提出的。数字化产品定义(Digital Product Definition，DPD)是在产品的全寿命周期中对产品进行数字化的描述，其中包括产品全寿命周期中各个阶段的数字化信息描述和各个阶段数字化信息之间相互关系的描述，以便进行产品的异地设计和制造。数字化产品定义是虚拟制造生产方式的重要使能技术。通过数字化产品定义，将规范产品在各专业阶段模型的形式，为不同专业、不同阶段的人员协同设计与交流提供环境基础。
1.3 数字化产品定义技术在国内外发展状况
数字化产品定义技术在国外早已进行了研究与应用。如波音公司在波音777飞机的设计中，成功地使用了无纸设计技术，实现了全机外形、结构件和全机飞机系统的三维数字化定义和数字化预装配，推出了国际首架全机电子样机，实现了首架全机数字化协调、全机数字化制造和全机数字化预装配。在实现“无纸设计”的过程中，波音公司总体上重新对产品构型进行了定义，并将构型定义工作从设计部门分离出来，划归制造工程部门，让产品构型与工艺过程定义、工装设计、数控编程、工艺文档工作组成一个大的定义工作阶段，将数字化产品定义技术直接运用在飞机设计、制造及管理的过程中，基本实现了生产流程的再造。相比而言，国内在数字化产品定义领域内的研究起步较晚，随着CIMS工程在国内部分企业的实施，有关技术的研究正在成为新热点。
2 数字化产品定义技术的关键元件
数字化产品定义技术的关键元件由数字化产品模型、产品数据管理( PDM)及其相关支撑技术组成。这些支撑技术包括数字化工具定义技术、信息集成技术等。以下我们分别对各元件技术加以介绍。
2.1 数字化产品模型
2.1.1 数字化产品模型内涵
数字化产品模型是数字化产品定义技术的关键使能技术，其概念源于对产品的数字化描述。数字化产品模型应支持后续的产品设计和制造过程，因此，其含义包括：以几何和拓扑信息为中心的几何模型与非几何信息模型。
几何模型是数字化产品模型的公共基础部分，其发展演变经历了一个较长的过程。在二维图纸设计时代，设计、制造人员交流的工具是二维几何图纸，人们通过图纸以及对图纸的标准画法与解释规定，勾勒出产品的几何形状，完成设计思想、制造方式的交流； 进入三维辅助设计时代，三维模型逐渐成为设计的重要辅助手段，对产品的几何描述也从最初的二维线框，发展到三维线框、三维实体模型直至今天的特征模型，所能描述的几何形状由简单的平面模型到现在的雕塑曲面模型。产品的几何模型不仅包含其几何属性，还包含用于工艺设计、加工制造的属性信息，例如设计过程的基准面与基准点等，保证其能够应用于后续的加工与制造。
产品非几何信息模型是关于产品在寿命周期活动中的特征属性的数字化描述，例如，数字化描述的需求、功能、材料、制造公差、装配关系、维护等产品的特征属性与管理属性。产品结构是产品各方面特征属性关系的体现。
统一、完整的产品数据模型是实现数字化产品开发过程集成的基础。虚拟制造生产方式下，产品数据在不同应用系统间经常需要交换，对信息共享的要求越来越高，迫切需要实现产品信息描述的规范化。在现代CAD 的软件系统中，提出了基于主模型的概念。对于主模型的定义，目前有许多种理解。这里引用GE发动机部对于主模型的解释。GE发动机部将主模型定义为一种单一的几何表示(最理想的是3D表示) ； 这种几何表示是在关联环境下，利用特征参数建模技术，在概念设计阶段建立，并在整个制造过程中使用。同时，在产品设计、制造和售后服务过程中，主模型的相关元件的紧密集成，各种更新能够被传递进主模型的各个单独的设计行为中，为进行真正并行分析和并行制造提供了条件。
2.1.2 数字化产品模型建立方法
数字化产品模型的建立，应充分考虑到各阶段模型的生成的需求，保证各阶段环节模型数据的一致性、完整性、以及数据的可重用性。为此，应建立一个产品的核心模型。核心模型采用高度抽象的方法描述产品信息，并支持产品的设计过程。各种应用很容易从不同的视角，从核心模型中抽取或推导出自己所需的信息。由于产品的设计均要满足一定的功能，因此，从功能角度，数字化产品模型具有很好的层次性，功能描述也具有很强的抽象性。数字化产品模型的结构层次如下图所示。 （图片）
图数字化产品模型结构层次图整个模型由核心模型、分析模型、其它应用模型组成。核心模型在产品设计过程中交互建立，主要由功能模型和实体模型组成。功能模型通过产品功能单元来描述信息，它建立在实体模型基础上。各分析模型、其它应用模型可由核心模型衍生出来。
产品实体模型的建立，可通过现有的CAD三维软件功能来实现。产品功能模型的建立则是一项十分复杂的工作。它有以下几项关键技术需要解决。第一，分类技术，产品种类繁多，结构复杂，应按不同层次划分出不同的类别，对于有不同产品的企业，可按产品类型的不同，进行分类；产品的分类，可以借鉴成组技术。第二，模型构造技术，产品模型的构造过程实际上就是产品的设计过程，应符合产品的设计规范，并能在设计中动态地修改模型。第三，应用模型、分析模型和产品核心模型的衍生技术，核心模型是高度抽象的模型，分析模型、其它应用模型中包含涉及产品设计的各学科模型，核心模型并不能直接用作分析模型，因此，需要为每种分析模型、应用模型开发相应的转化工具。
2.2 产品数据管理( PDM)
产品数据管理(PDM)是数字化产品定义技术的实现保障基础。PDM管理所有与产品相关的信息和过程，它将数据库的数据管理能力、网络的通信能力和过程的控制能力集合在一起，实现分布环境中产品数据的统一管理。PDM实现了对于文档、图纸的管理，实现了对静态的产品支持数据(如工业标准、产品规范、标准件和通用件数据等)、产品设计数据(如产品定义模型、产品图、BOM表、设计文件、工艺文件、NC代码、CAE分析报告等)以及动态的产品过程数据(反映设计数据的发放、变更、审签等信息的数据)的管理。在整个数字化产品定义技术的实现中，需要通过PDM，实现异地、分布式产品的数字化构型控制，数字化产品定义的审批、发放和更改流程控制，并提供多专业综合优化共享数据和计算机应用环境。
2.3 数字化工具定义
数字化工具定义是在产品数据中加入语义定义。作为数字化产品定义技术的支撑技术之一，数字化工具定义主要体现在数字产品模型的建造过程中。数字产品模型区分于传统模型的重要特征就在于，数字产品模型提供语义解释功能。语义能使计算机清楚地知道所建立的产品的每一部分的工程含义，从而能够对产品模型进行分析演绎。在现有的工具中，谓词逻辑具有很强的描述性和演绎推理功能，可以作为语义定义的工具。
2.4 信息集成
信息集成技术是数字化产品定义技术的底层技术。建立全寿命周期的数字化产品，不仅要完成单个的数字化辅助工具的开发，还要实现对于多个应用工具的集成。现阶段的信息集成主要包括CAD /CAM /CAE 技术的集成。现有的三维CAD 软件可以提供基于特征的实体模型，而CAM、CAE是在不同的设计环境中完成，对各自的模型又有明确的要求，这就使得实体模型在被工艺人员、分析人员引用时不能完全满足要求，相关人员不得不手动修改模型，使其满足自身要求。另外，当设计人员做出某项修改时，如不能及时通知下游，就会造成上下游模型不一致，极易出错。因此，实现信息集成应着重解决以下问题：第一，根据产品设计的内容与时序确定产品开发过程的组织与优化； 第二，建立由通讯、数据交换、网络服务等组成的集成系统运行环境；第三，建立实体模型向CAM、CAE等下游数据模型转化的工具，提供实体模型与制造、分析模型的接口。第四，建立实体模型与产品分析与过程模型的联系，保证所有的模型都与一个唯一的模型自动同步。在这个过程中，可以利用上述的产品数据管理( PDM)系统跟踪设计修改信息及相关模型的改动。
3 飞航导弹数字化产品定义技术的初步探讨
飞航导弹是一个复杂产品，其研制是一个庞大而复杂的系统工程。根据以上对于数字化产品定义技术的描述，并考察其它企业相关报告，初步将飞航导弹数字化产品定义技术归纳为以下几点：
1) 飞航导弹数字化产品模型技术
飞航导弹数字化产品模型包含数字化规范、可重用知识模型、核心模型、分析模型、应用模型等。其技术要点包含：
·以飞航导弹全弹结构件的三维数字化建模规范、模型质量检测规范、制图规范、数字装配技术规范、电子文档定义规范、产品数据编码规范为核心的数字化规范；
·以飞航导弹参数化特征模型、三维标准件模型、参数化通用件模型等为主要内容的可重用知识模型；
·由飞航导弹特征实体模型、功能模型(包括飞航导弹功能对象类型及组成、产品对象关联等) 组成的飞航导弹核心模型，由核心模型衍生的飞航导弹工程分析模型，以及CAD 模型与其它工程分析模型继承性的路径与实践技术，CAD软件与工程分析软件的接口技术。
2) 飞航导弹产品数据管理技术
飞航导弹产品数据管理系统(PDM) ，实现飞航导弹现有型号产品的数据管理，及分布、异地的协同设计、飞航导弹数字化产品的审批、发放功能的管理。其技术要点主要包括：
·飞航导弹产品数据完整与安全保证机制；
·飞航导弹产品设计权限管理机制；
· 飞航导弹产品设计流程及更改过程管理模式；
·分布式产品定义数据共享及产品分发与更改权限控制方式。
3) 飞航导弹数字化工具定义
飞航导弹数字化工具定义主要包括飞航导弹各级产品模型定义的方式及方法。其主要技术要点包括：
·飞航导弹产品层次划分与分类定义技术；
·飞航导弹产品模型语义定义技术，包含对产品不同模型的语义分析与定义；
·飞航导弹产品模型构造技术，模型的构造实际上就是产品的设计过程，应符合产品的设计规范。
4) 飞航导弹产品信息集成
飞航导弹产品信息集成是应用通讯技术和数据库技术，在飞航导弹统一信息模型的支持下，实现不同系统的信息共享。其技术要点主要包括：
·统一集成系统运行环境建造；
·飞航导弹统一产品信息模型构建技术；
·飞航导弹产品CAX应用工具数据交换标准及接口；根据以上要点，现阶段应用飞航导弹的数字化定义技术，需要着重解决以下问题：
·推广飞航导弹全弹为主体的三维数字化建模技术，包括建立飞航导弹全弹结构件的三维建模规范，编制飞航导弹全弹结构件的设计建模说明，建立飞航导弹三维模型质量检查评估机制。
·以现有的飞航导弹研制使用的CAD 软件为基础，开发跨越不同CAD平台(这些平台应包含现有飞航导弹研制中所使用的CAD软件)的三维标准件库，并提供可查询的二维标准件库。
·以现有的飞航导弹研制使用的CAD 软件为基础，制订飞航导弹产品应用软件系统数据交换的标准与格式，开发不同应用系统的接口。
·制定设计阶段数字装配定义，编制数字装配技术规范，完成全弹数字装配。并建立装配分析、优化技术，仿真技术。
·建立飞航导弹产品数据分级管理体制，构建企业级产品数据管理系统( PDM) ，以及不同工作组、部门数据交换管理平台，实现分布、异地飞航导弹产品的数字化构型控制，数字化产品的审批、发放、更改流程控制。
以上几点，只是粗略地描述了飞航导弹数字化产品定义的几个要点，实际上各技术要点都包含了相当多的相关技术。例如，在编制飞航导弹全弹结构件的三维数字化建模规范时，需要对全弹零部件进行合理分类，掌握分组技术，以确定全导弹零部件种类； 在建立PDM的过程中，有许多具体的实施节点技术问题。因此，这些要点技术仍需要随着工作的开展而逐渐推进。
4 结束语
随着计算机技术的普及以及相关软件技术的发展，企业的信息化道路将是十分漫长的，数字化产品定义的内涵也将逐渐扩大。这就需要不断地补充新的节点技术，以适应新的发展要求。
今后我们所面临的重大挑战是生产模式的深刻转化，数字化产品将更多地出现在设计、制造领域，如何采用新的技术，并集成到现有的技术中来，是需要解决的问题。
参考文献
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作者分别系中国航天科工集团第三研究院总体设计部工程师、工程师和研究员
2/3/2007
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