黃巍，李瀧杲，黃翔

(南京航空航天大學(xué) 機電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

計算機輔助飛機制造協(xié)調(diào)路線圖設(shè)計研究

黃巍，李瀧杲，黃翔

(南京航空航天大學(xué) 機電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

為了實現(xiàn)飛機制造協(xié)調(diào)路線的數(shù)字化表達，建立飛機制造協(xié)調(diào)路線規(guī)劃和容差設(shè)計之間的數(shù)字化橋梁，對計算機輔助飛機制造協(xié)調(diào)路線圖設(shè)計進行研究。通過對飛機制造協(xié)調(diào)過程進行分析，定義了協(xié)調(diào)路線圖圖符，并將計算機輔助飛機制造協(xié)調(diào)路線圖設(shè)計流程簡化為4個部分：確定協(xié)調(diào)類型、添加協(xié)調(diào)圖符、確定協(xié)調(diào)關(guān)系、圖符自動布局。以此為基礎(chǔ)，建立基于UML的協(xié)調(diào)路線圖設(shè)計方案，采用樹結(jié)構(gòu)對協(xié)調(diào)路線圖進行存儲，并提出了圖符自動布局算法。據(jù)此開發(fā)了計算機輔助飛機制造協(xié)調(diào)路線圖設(shè)計系統(tǒng)，在實用中取得了良好的效果。

計算機輔助；飛機制造協(xié)調(diào)；協(xié)調(diào)路線圖；UML；圖符布局

互換協(xié)調(diào)圖表作為一種重要的工藝文件，反映了零件制造工藝裝備、裝配工藝裝備和標(biāo)準(zhǔn)工藝裝備之間的制造關(guān)系、從屬關(guān)系及協(xié)調(diào)關(guān)系[1]，但是不包含尺寸和形狀的傳遞過程中的容差信息，從而導(dǎo)致協(xié)調(diào)路線規(guī)劃和容差分配工作成為設(shè)計孤島，不能滿足數(shù)字化并行設(shè)計的需要。因此，定義一種制造協(xié)調(diào)路線圖，該圖可以準(zhǔn)確描述協(xié)調(diào)中各工藝移形環(huán)節(jié)所涉及的產(chǎn)品零部件、工藝裝備的尺寸、形狀傳遞過程，以及尺寸鏈相關(guān)的容差信息。

張平生[2]研究了基于實例和知識的互換協(xié)調(diào)圖表生成，該方法通過啟發(fā)式知識引導(dǎo)工藝人員進行互換協(xié)調(diào)圖表的編制。王爽[3]構(gòu)建了計算機輔助飛機裝配協(xié)調(diào)工藝設(shè)計系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于規(guī)則推理的互換協(xié)調(diào)圖表創(chuàng)建。上述研究是針對傳統(tǒng)互換協(xié)調(diào)圖表的創(chuàng)建，與本文定義的制造協(xié)調(diào)路線圖不同，但其設(shè)計思想對本文有參考價值。王恒[4]用鄰接矩陣創(chuàng)建了協(xié)調(diào)路線的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可清楚地表示各工裝之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。姚鵬濤[5]提出了一種基于尺寸協(xié)調(diào)關(guān)系定義的飛機制造協(xié)調(diào)路線圖的自動生成方法，實現(xiàn)了飛機制造協(xié)調(diào)路線圖的自動生成，其中采用的尺寸協(xié)調(diào)工藝文件較為復(fù)雜，工藝人員在制定過程中易發(fā)生錯誤。

本文研究了計算機輔助協(xié)調(diào)路線圖設(shè)計技術(shù)，首先對飛機制造協(xié)調(diào)路線圖圖符進行建模，并將計算機輔助飛機制造協(xié)調(diào)路線圖設(shè)計過程進行簡化，運用UML詳細(xì)描述了圖形繪制方案，采用樹結(jié)構(gòu)對協(xié)調(diào)路線圖信息進行存儲，最終提出了飛機制造協(xié)調(diào)路線圖的自動布局算法，自動高效的實現(xiàn)飛機制造協(xié)調(diào)路線的圖形化顯示。

1 飛機制造協(xié)調(diào)路線圖圖符

1.1 飛機制造協(xié)調(diào)路線圖

在飛機制造過程中，將產(chǎn)品理論的尺寸傳遞到產(chǎn)品上一般需要經(jīng)過很多個傳遞環(huán)節(jié)和反復(fù)多次的移形過程。所以要慎重選擇合適的尺寸傳遞體系，確保各類工藝裝備相互協(xié)調(diào)，通常將該尺寸傳遞體系稱之為協(xié)調(diào)路線[6]。

為了便于進行計算機輔助容差分析工作，需要將協(xié)調(diào)路線繪制成圖，作為協(xié)調(diào)容差分析的信息輸入文件。因此，定義一種飛機制造協(xié)調(diào)路線圖，該圖可以準(zhǔn)確描述協(xié)調(diào)中各工藝移形環(huán)節(jié)所涉及的產(chǎn)品零部件、工藝裝備的尺寸、形狀傳遞過程，以及尺寸鏈相關(guān)的容差信息。一方面，飛機制造協(xié)調(diào)路線圖是容差分析的數(shù)據(jù)源，另一方面，制造協(xié)調(diào)路線圖上的容差分配結(jié)果，可以作為工藝人員校核、修改互換協(xié)調(diào)方法的重要依據(jù)和參考。飛機制造協(xié)調(diào)路線圖是協(xié)調(diào)路線的圖形化表示。

1.2 協(xié)調(diào)路線圖圖符定義

圖符是圖表的基本組成單位，分為參數(shù)化圖符和固定圖符。協(xié)調(diào)路線圖中用到的圖形種類比較少，因此把圖形定義成固定圖符，在調(diào)用時再根據(jù)不同的協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)或連接線加入文本信息。對固定圖符定義和操作都比較簡便。

飛機制造協(xié)調(diào)過程，指飛機結(jié)構(gòu)元件及其各類工藝裝備的尺寸、形狀的傳遞過程，飛機制造中的協(xié)調(diào)包括零件之間的協(xié)調(diào)以及零件與工裝之間的協(xié)調(diào)[1]。將飛機制造協(xié)調(diào)過程中涉及到的零件和工裝統(tǒng)稱為協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)，其中最終的協(xié)調(diào)元件稱為最終協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)，原始的協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)稱為原始協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)，其他協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)成為傳遞協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)?？偨Y(jié)歸納后，協(xié)調(diào)路線圖符有如下兩種：1) 協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)圖符；2) 連接圖符。其中協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)圖符可以根據(jù)協(xié)調(diào)過程中協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)的分類方法再細(xì)分為原始協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)圖符、傳遞協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)圖符、最終協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)圖符；連接圖符可分為單線連接圖符和雙向連接圖符。不同的協(xié)調(diào)準(zhǔn)確度求解問題下對應(yīng)的容差信息不同，因此，不同的協(xié)調(diào)準(zhǔn)確度求解問題對應(yīng)的協(xié)調(diào)圖符形狀和大小不同。具體劃分如圖1所示，每一種協(xié)調(diào)類型下都包含原始協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)圖符、傳遞協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)圖符、最終協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)圖符和單向連接圖符和雙向連接圖符。

圖1 協(xié)調(diào)路線圖圖符分類

為了便于將協(xié)調(diào)路線圖里的信息在計算機內(nèi)部表示并且便于協(xié)調(diào)路線圖的自動布局，對協(xié)調(diào)路線圖圖符進行建模，圖符由圖形信息和文本信息組成，因此可以將圖符模型表示為:

I=Shape∪Text

(1)

式中：Shape為圖符中的圖形信息，包括圖符的形狀、線型，同一類型圖符的圖形信息相同；Text為圖符中的文本信息，包含了圖符上所有需要顯示的文本信息。

式(1)中文本信息Text又可以表示為：

(2)

式中：ID表示圖符的標(biāo)識，是該圖符在整個協(xié)調(diào)路線圖中的唯一標(biāo)識，由圖符類別標(biāo)識與排列序號組成；Pi為圖符的屬性信息，如協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)名稱，協(xié)調(diào)尺寸名稱；Rj表示該圖符與其他圖符的關(guān)系，R1、R2分別表示相鄰前、后圖符的圖符標(biāo)識(ID)；Tk表示該圖符代表的協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)中的容差信息。

容差是用于描述幾何特征的尺寸和形狀變動基準(zhǔn)、方向和變動量的精度信息[8]。容差信息包含與容差有關(guān)的幾何特征集合、容差類型、容差值和容差方向等，因此容差模型T可表示為:

(3)

式中：Fi表示與容差有關(guān)的幾何特征；t表示容差類型，包括尺寸容差、形狀容差、位置容差和裝配配合容差；V表示的是容差值，包括：公稱尺寸、上偏差和下偏差；D表示容差方向，指容差約束幾何特征的變動方向。

2 計算機輔助飛機制造協(xié)調(diào)路線圖設(shè)計總體思想

采用計算機輔助飛機制造協(xié)調(diào)路線設(shè)計時，需將協(xié)調(diào)路線設(shè)計過程進行合理地簡化和分解，使分解后的每一部分問題定義明確，各設(shè)計階段決策思想清晰，易于用計算機解決?，F(xiàn)將計算機輔助飛機制造協(xié)調(diào)路線設(shè)計工作分為四個部分：

1) 確定協(xié)調(diào)類型 確定所繪制的飛機制造協(xié)調(diào)路線圖求解的協(xié)調(diào)準(zhǔn)確度問題。

2) 添加協(xié)調(diào)圖符 添加協(xié)調(diào)路線中所有涉及的圖符(協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)的圖符以及連接協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)的連接圖符)，并完成協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)涉及的協(xié)調(diào)特征、協(xié)調(diào)容差信息的輸入。

3) 確定協(xié)調(diào)關(guān)系 確定協(xié)調(diào)圖符之間的關(guān)系，即尺寸傳遞關(guān)系。

4) 圖符自動布局 根據(jù)定義好的協(xié)調(diào)圖符及它們之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，自動布局，生成協(xié)調(diào)路線圖。

計算機輔助飛機協(xié)調(diào)路線圖設(shè)計過程如圖2。

圖2 計算機輔助飛機制造協(xié)調(diào)路線圖設(shè)計過程

3 計算機輔助飛機協(xié)調(diào)路線圖設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于UML表示的協(xié)調(diào)路線圖設(shè)計方案

協(xié)調(diào)路線設(shè)計方案的類圖如圖3所示。首先建立兩個抽象類，即路線圖基類與圖符基類，各種路線圖類都是繼承于路線圖基類，各種圖符類都繼承與圖符基類；每個路線圖類由一組圖符類聚合而成，包括原始圖符類、傳遞圖符類、最終圖符類、單向圖符類、雙向圖符類。每個具體的圖符類和路線圖類都依賴于各個具體屬性窗口類，屬性窗口類用于圖符屬性參數(shù)的輸入。

圖3 系統(tǒng)類圖

3.2 協(xié)調(diào)路線圖數(shù)據(jù)的存儲

采用樹狀結(jié)構(gòu)表示協(xié)調(diào)路線圖，從協(xié)調(diào)路線圖本身出發(fā)，將協(xié)調(diào)路線圖上的圖符(除雙向連接圖符)定義為樹結(jié)構(gòu)的結(jié)點，結(jié)點包含數(shù)據(jù)域和關(guān)系域兩部分，數(shù)據(jù)域用來存儲結(jié)點的信息，包括結(jié)點類別、協(xié)調(diào)路線圖圖符的形狀基本信息和與結(jié)點相關(guān)的工藝容差值、協(xié)調(diào)特征等；關(guān)系域則存儲該結(jié)點與其他結(jié)點之間的關(guān)系。雙向連接圖符信息單獨存儲。

存儲樹的方法有多種，本文采用的是帶雙親的孩子鏈表表示方法。帶雙親的孩子表示法是將雙親表示法和孩子表示法兩種方法結(jié)合起來進行表示，利用了每個結(jié)點(除根結(jié)點以外)具有為唯一雙親的特點，在結(jié)點中附設(shè)一個指示器用來指示其唯一的雙親結(jié)點在鏈表中的位置，并將每個結(jié)點的孩子結(jié)點都排列起來，采用單鏈表進行存儲，并以順序存儲結(jié)構(gòu)來存儲線性表的頭指針，從而建立樹的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。結(jié)合飛機制造協(xié)調(diào)的過程，依據(jù)帶雙親孩子鏈表結(jié)構(gòu)的特點，對樹進行遍歷。首先將樹進行順序分解，分解為若干個從根到葉子的過程鏈表Ri，這里每個過程Ri都代表一個協(xié)調(diào)過程，而用于計算的協(xié)調(diào)路線圖只包含兩個協(xié)調(diào)過程，因此其樹狀存儲結(jié)構(gòu)只有兩條分支，只包含兩個過程鏈表Ri。為了提高樹的遍歷速度，對每一個過程單鏈表Ri都增加頭指針標(biāo)志，因此給鏈表內(nèi)每個結(jié)點都增加一個存放標(biāo)志的域，這樣可以更方便的進行樹中每一個結(jié)點的訪問。圖4給出了樹的存儲結(jié)構(gòu)及遍歷結(jié)果。

圖4 樹的存儲結(jié)構(gòu)及遍歷結(jié)果

3.3 飛機制造協(xié)調(diào)路線圖的自動布局

在計算機輔助飛機制造協(xié)調(diào)路線圖設(shè)計過程中，最關(guān)鍵的就是合理布局各結(jié)點的位置，使得圖表既滿足功能要求，又能清楚地表示協(xié)調(diào)過程和關(guān)系，本文將協(xié)調(diào)路線圖繪圖區(qū)劃分為網(wǎng)格，每個圖符結(jié)點占據(jù)一個單位網(wǎng)格，圖符的位置由圖符所在單位網(wǎng)格的水平和豎直方向上的位置決定，因此圖符位置由兩個特征參數(shù)決定，定義Pij(x,y)，x為水平方向的位置參數(shù)，y為豎直方向上的位置參數(shù)，i表示第i個結(jié)點，j為結(jié)點在樹中的層次，且結(jié)點層次為奇數(shù)的結(jié)點是協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)圖符結(jié)點，層次為偶數(shù)的結(jié)點為連接圖符結(jié)點。

飛機制造協(xié)調(diào)路線圖圖符的自動布局算法如下：

步驟1：確定根結(jié)點位置，即原始協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)圖符位置，如圖5實例中確定根結(jié)點R位置為Pij(1,1)；

步驟2：取樹上結(jié)點少的分支，即協(xié)調(diào)過程較短的分支，如兩分支節(jié)點數(shù)相同則任選一支，將該分支上的所有結(jié)點根據(jù)遍歷結(jié)果順序在水平方向上緊挨根結(jié)點位置依次排列，圖5實例中確定結(jié)點S1，S3，S5，V1位置為P1,2(2,1)、P3,3(3,1)、P5,4(4,1)、P7,5(5,1)；

步驟3：將另一分支上除根結(jié)點以外的前兩個結(jié)點按遍歷結(jié)果順序在豎直方向上緊挨根結(jié)點位置依次排列，圖5實例中確定結(jié)點S2，S4位置為P2,2(1,2)，P4,3(1,3)；剩余結(jié)點按遍歷順序在水平方向緊挨前一個結(jié)點位置依次排列，圖5實例中確定結(jié)點S6，S7，S8，S9，S10，V2位置為P6,4(2,3)，P8,5(3,3)，P9,6(4,3)，P10,7(5,3)，P11,8(6,3)；

步驟4：比較兩分支末端結(jié)點在水平方向的位置，若相同則跳至步驟5。如不相同，則通過修改其中水平位置參數(shù)(x)小的末端結(jié)點的水平位置參數(shù)(x)達到兩分支末端結(jié)點在水平方向的位置相同，即將水平位置參數(shù)(x)大的末端結(jié)點及它前一個結(jié)點的水平位置參數(shù)(x)賦給水平位置參數(shù)(x)小的末端結(jié)點及他的前一個結(jié)點的水平位置參數(shù)(x)，圖5實例中確定結(jié)點S5，V1位置為P5,4(6,1)，P7,5(7,1)；并用無箭頭的直線段連接該分支被分開的圖符；

步驟5：確定雙向連接圖符位置，為兩個分支的末端結(jié)點位置之間的單位網(wǎng)格繪制。

圖5 飛機制造協(xié)調(diào)路線圖圖符的自動布局算法應(yīng)用實例

4 實例分析

以某型機的左、右水平安定面圍框式對接問題對本文的方法進行了驗證，安定面圍框式對接問題屬于交點協(xié)調(diào)，接頭上有108個D10H9和4個D20H9的螺栓孔，分別用D10f9和D10f9的螺栓連接，由于D20孔處孔-軸配合間隙比D10孔處大，交點對合時以19個D10的孔插銷定位，只要D10孔的孔位協(xié)調(diào)，那么D20孔的孔位也能協(xié)調(diào)，因此只考慮D10的孔、軸協(xié)調(diào)孔位。有兩個協(xié)調(diào)過程：

R1：左平尾精加工型架的鉆模→左平尾的圍框接頭；

R2：左平尾精加工型架的鉆?！移轿簿庸ば图艿你@?！移轿驳膰蚪宇^。

采用計算機輔助飛機制造協(xié)調(diào)路線圖設(shè)計系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)路線圖設(shè)計的流程與界面如圖6所示。左、右水平安定面圍框式對接交點制造協(xié)調(diào)路線圖能夠?qū)⒐に囈菩芜^程清楚地表示出來，并詳細(xì)標(biāo)注了每個協(xié)調(diào)過程所涉及的產(chǎn)品零部件、工藝裝備類型及相關(guān)尺寸、容差信息。工藝人員可在此基礎(chǔ)上進行累積誤差分析、容差再分配等工作，進而完善互換協(xié)調(diào)方案，大大提高了裝配成功率。由此可驗證采用的本文方法可以自動高效的生成飛機制造協(xié)調(diào)路線圖，并且該飛機制造協(xié)調(diào)路線圖符合計算機輔助容差設(shè)計和協(xié)調(diào)路線規(guī)劃的要求。

圖6 飛機制造協(xié)調(diào)路線圖設(shè)計流程與系統(tǒng)界面

5 結(jié)語

在飛機制造協(xié)調(diào)路線規(guī)劃和容差設(shè)計中引入飛機制造協(xié)調(diào)路線圖的概念，研究了計算機輔助協(xié)調(diào)路線圖設(shè)計技術(shù)，一方面實現(xiàn)了協(xié)調(diào)路線的圖形化顯示，能夠直觀、清楚的表達協(xié)調(diào)過程；另一方面，采用帶孩子的雙親鏈表存儲相關(guān)數(shù)據(jù)，便于計算機運算和處理。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用自動布局算法，能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)調(diào)路線圖的快速自動繪制。另外，飛機制造協(xié)調(diào)路線圖是容差分析的數(shù)據(jù)源，制造協(xié)調(diào)路線圖上的容差分配結(jié)果，可以作為工藝人員校核、修改互換協(xié)調(diào)方法的重要依據(jù)和參考，提高了飛機制造協(xié)調(diào)路線規(guī)劃的效率與容差設(shè)計的質(zhì)量。隨著數(shù)字化設(shè)計制造不斷深入發(fā)展，基于協(xié)調(diào)路線圖的容差設(shè)計是下一步的研究重點和方向。

[1] 《航空制造工程手冊》總編委會. 航空制造工程手冊(飛機工藝裝備)[M]. 北京: 航空工業(yè)出版社. 1993. 12.

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Research on Computer Aided Design of Aircraft Manufacturing Coordination Route Diagram

HUANG Wei, LI Shuang-gao, HUANG Xiang

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

In order to solve the problem that there is no digital document between coordination route planning and tolerance design,this paper studies the computer aided design of aircraft manufacturing coordination route diagram to realize digitalized expression of this route and based on the analysis of process, defines the icons of this diagram. then divides the its design flow into four parts: coordination type selection, icons adding, coordination relations adding and automatic layout of icons. Then based on these, the drawing scheme is described in detail by UML and the information of route diagram is stored efficiently by tree structure. Finally, the coordination route diagram for aircraft manufacturing is built automatically based on layout algorithm. The above system is developed and the perfect result is achieved in the practice.

aid of computer;aircraft manufacturing; coordination route diagram; UML; automatic layout of Icons

黃巍(1988-)，女，江蘇南通人，碩士研究生。主要研究方向為飛機數(shù)字化設(shè)計制造。

TH12;TP391.72

B

1671-5276(2014)02-0121-05

2013-01-21