徐開元，王成恩，張聞雷

（1.東北大學 流程工業(yè)綜合自動化教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110004；2.東北大學 機械工程與自動化學院，遼寧 沈陽 110004）

0 引言

飛機裝配不僅需要各種通用設備，還需要大量應用針對不同機型的專用工藝裝備，這些工裝對保證飛機零部件的質(zhì)量、限制裝配過程中的連接變形、保障準確度與互換協(xié)調(diào)性，都具有重要影響。隨著數(shù)字仿真技術(shù)在飛機裝配領域的全面應用，工程師能夠提前識別并解決零部件裝配干涉或裝配順序不合理等問題，以保證產(chǎn)品的裝配質(zhì)量?，F(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)需要不同設計部門的資源整合和池化聚集，構(gòu)建規(guī)模大、具有高擴展性與高伸縮性的資源庫，能夠使分散資源集中管理，龐大資源精益管理。因此，開發(fā)數(shù)字化裝配資源庫，集成管理各種裝配信息、工藝與資源，提升數(shù)字化仿真效果，成為重要的工作，而開發(fā)資源管理系統(tǒng)的首要任務就是系統(tǒng)全面地提出飛機裝配資源模型。

在裝配資源管理方面，國內(nèi)學者進行了基于模型的數(shù)字化定義（Model Based Definition，MBD）技術(shù)的飛機裝配數(shù)據(jù)管理研究［1-2］。潘志毅等［3］建立了產(chǎn)品設計模型與工裝之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系；國外學者WEYAND［4］研究了基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更改的工藝—資源規(guī)劃方法；DING［5］開發(fā)了面向動態(tài)制造系統(tǒng)設計的可配置工藝—資源模型單元，這種模型能夠連貫而明確地將人和技術(shù)系統(tǒng)描述為制造企業(yè)的組成單元，以便支持敏捷制造；KJIELL［6］探討了制造資源管理系統(tǒng)的建立；董亮［7］研究了3D 環(huán)境下的飛機裝配工藝規(guī)劃與仿真一體化模型，確定了裝配“產(chǎn)品—資源—工藝”間的層進映射關(guān)系。但以上研究均沒有就功能—結(jié)構(gòu)—工藝—資源建立整體集成模型，只研究了部分內(nèi)容。

在裝配資源庫構(gòu)建方面，傳統(tǒng)做法是依據(jù)裝配現(xiàn)場的實物環(huán)境，但這種方法形成的資源種類不全面，忽視了無形知識資源，沒有統(tǒng)一的裝配資源模型，使得資源不能共享，同樣的工裝資源重復建設，不利于裝配資源庫的開發(fā)，而且與產(chǎn)品設計脫節(jié)，不能反映裝配資源所包含的全部范疇。

鑒于以上兩方面，本文基于資源分類模型對裝配資源進行了種類劃分，考慮到飛機產(chǎn)品裝配資源的復雜性，設計了“產(chǎn)品功能—結(jié)構(gòu)—裝配工藝—裝配資源”多域集成模型，并提煉了裝配資源的相關(guān)屬性，基于此建立了某類小型飛機的裝配資源模型，成功服務于裝配資源管理系統(tǒng)的構(gòu)建。

1 裝配資源建模

飛機裝配工裝的種類繁多、數(shù)量龐大，同時為了有效提高工裝開發(fā)設計人員檢索資源、重用資源的效率，對飛機裝配工裝進行了分類，并運用相關(guān)信息模型描述了資源的屬性。裝配資源是指參與產(chǎn)品裝配過程的所有非產(chǎn)品的裝配元素，包括有形的與無形的，有形資源又分工藝性與非工藝性的，其具體范疇如圖1所示。

定義1 飛機裝配資源模型。用于詮釋飛機裝配資源定義范疇、功能與分類特征，表達資源結(jié)構(gòu)、工藝、管理等方面屬性的信息模型。

1.1 資源分類技術(shù)

本文的分類模型不僅提供了資源分類方法，更是對裝配資源的范疇進行了定義，例如按照數(shù)字仿真過程規(guī)劃，裝配資源涉及裝配環(huán)境、裝配工藝知識、數(shù)字化裝配和裝配檢測四方面，其中裝配工藝知識為無形資源。

基于資源性質(zhì)、數(shù)字仿真過程、裝配作業(yè)、工藝工序（即資源功能）和結(jié)構(gòu)特性等分類原則進行資源類別的劃分與定義。構(gòu)造裝配資源定義分類模型，如圖1所示。

首先將資源分為有形資源與無形資源兩類，然后依據(jù)裝配仿真過程的四個階段進一步劃分，再根據(jù)研究內(nèi)容進一步判斷分類方向。數(shù)字化裝配是仿真過程的核心階段，這一仿真階段由輸送、定位、連接及調(diào)整等作業(yè)組成?；谶@些裝配作業(yè)生成相關(guān)的工藝工序，例如連接作業(yè)可以分出夾緊、鉆孔、螺接和鉚接等工藝。再依據(jù)工藝工序映射出具體裝配資源，最后依據(jù)資源的結(jié)構(gòu)特性將資源劃分為工具（結(jié)構(gòu)簡單，手持作業(yè)）和裝備（中大型的機具器材集合體，不可手持）兩大類。

該分類模型以飛機數(shù)字化裝配仿真過程為主線，考慮裝配環(huán)境等廣義資源，規(guī)劃了飛機裝配生產(chǎn)的不同階段與不同方面，為資源類別劃分提供了依據(jù)，具有一定的全面性和理論創(chuàng)新性。

1.2 資源屬性的表達定義

資源屬性信息的描述是構(gòu)造資源管理系統(tǒng)的一項重要內(nèi)容，資源信息模型不僅記錄并傳遞了資源設計制造思想，更是資源檢索、后續(xù)工裝快速設計和開發(fā)的保障。本文構(gòu)建了信息集成模型，系統(tǒng)研究了工裝資源的屬性，如圖2所示。

本信息模型分為資源數(shù)據(jù)對象模型和資源屬性兩部分：數(shù)據(jù)對象模型指各種資源信息的載體；資源屬性包含結(jié)構(gòu)、工藝、管理和理論研究性四個方面的信息。其中理論研究性是指某類資源可利用的設計方法以及所涉及的研究主題。

為了使產(chǎn)品設計人員能夠理解與開發(fā)好工藝資源庫系統(tǒng)，本文采用如下開放性［8］知識表述方法——巴斯科（Backus Normal Form，BNF）范式描述資源信息集成模型。

1.3 資源信息加載

全三維信息化模型已成為數(shù)字化智能化飛機制造技術(shù)發(fā)展的必由之路，完成屬性信息與三維實體模型的關(guān)聯(lián)顯得非常重要。資源屬性信息的使用主要涉及兩方面，即模型屬性的自動提取和信息載入模型。

本文采用CATIA 軟件建立資源3D 模型，同時利用CATIA 的自帶功能賦予模型屬性值，其中屬性類型有長度、整數(shù)、實數(shù)、角度、字符串、體積、密度、布爾與時間等。圖3所示為開口扳手及其屬性加載。這樣就完成了資源全信息化的數(shù)字建模，基于.Net技術(shù)構(gòu)建與CATIA 的交互接口層，自動提取裝配資源模型中的相關(guān)工藝信息，完成資源選擇工作，以服務裝配過程仿真。

2 域信息模型的表示

面向飛機裝配的信息域包括飛機功能域、結(jié)構(gòu)域、裝配工藝域和飛機裝配資源域，下面分別進行闡述。

2.1 功能模型

產(chǎn)品設計是從功能分析開始的。將功能域定義為一個三元組F=（FS，F(xiàn)A，F(xiàn)D），其中：F 表示產(chǎn)品功能；FS 表示產(chǎn)品功能樹，功能樹是將總功能逐層分解，形成多級分功能，末尾為功能元的一種功能分解結(jié)果表達形式，多域映射模型中功能域的表示即采用產(chǎn)品功能樹；FA 代表功能的表示方式，本文采用“動詞+名詞”的方式，即FA=動詞+名詞；FD表示功能分解方法，本文根據(jù)產(chǎn)品工作原理，采用直接分解法進行功能分解，如圖4所示，即FD=直接分解法。

圖4中以how 的方式向后依次尋找實現(xiàn)該功能的手段功能，當功能模塊無相對應的結(jié)構(gòu)模塊時停止分解；如果包含的結(jié)構(gòu)模塊較復雜，則繼續(xù)向下分解為分功能或功能元。在此過程中，既要保證功能與結(jié)構(gòu)模塊一一映射，也要保證功能模塊的實際意義。

2.2 結(jié)構(gòu)模型

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)功能的客觀載體，可以通過功能映射得到。具有層次關(guān)系的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型是進行后續(xù)工藝設計與工裝選用的依據(jù)。定義P=（PS，PA，PD，PF）。式中：P表示產(chǎn)品結(jié)構(gòu)；PS代表產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，表示產(chǎn)品層次和隸屬關(guān)系，多域映射模型中結(jié)構(gòu)域的內(nèi)容即為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹；PA 表示結(jié)構(gòu)名稱及所屬層級，簡潔準確的名稱有利于提高結(jié)構(gòu)的重用率，是結(jié)構(gòu)的一個重要屬性；PD表示結(jié)構(gòu)的設計基準、裝配基準等數(shù)字化信息；PF表示產(chǎn)品結(jié)構(gòu)數(shù)模的裝配特征元，如曲度壁板的曲度特征和飛機產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的形狀、材料、尺寸特征等，根據(jù)結(jié)構(gòu)特征元就可以確定某結(jié)構(gòu)所需的裝配工藝資源。

2.3 工藝模型

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹與工藝樹在本質(zhì)上相同，工藝樹是結(jié)構(gòu)樹在工藝視角下的另一種形式，裝配工藝模型定義為PP=（PPS，PPD，PPF，PPP）。式中：PP表示產(chǎn)品裝配工藝模型；PPS 表示裝配工藝樹，包含零部件裝配順序、裝配關(guān)系和中間構(gòu)件等信息要素，多域映射模型中工藝域的主要內(nèi)容即為裝配工藝樹；PPD 表示裝配工藝基準，包括裝配基準及基準部件確定等要素；PPF 表示裝配工藝樹的生成方法，包括裝配單元劃分、裝配順序確定、中間構(gòu)件的添加與外購件辨識；PPP 表示裝配工序劃分的參考依據(jù)。本文以裝配對象輸送、支撐定位、對合連接、調(diào)整、檢驗檢測作為劃分依據(jù)，確定飛機各道裝配工藝的內(nèi)容。

2.4 資源模型

資源模型不僅是多域映射模型中資源域的主體提供者，更是后續(xù)工裝概念設計的參考。資源模型主要包括資源結(jié)構(gòu)樹、工裝設計基準信息和資源屬性信息三部分，定義為R=（RS，RD，RA）。式中：R表示資源模型；RS 表示資源結(jié)構(gòu)樹，資源樹由工藝操作編號、分解該工藝操作所形成的工序和與之對應的可選資源組成，是多域映射模型中資源域的主要內(nèi)容；RD 表示基準信息，包括定位基準和測量基準、工件夾緊方案、產(chǎn)品放置狀態(tài)與下架方式等，它是工裝關(guān)鍵部件的設計參考；RA 表示資源的屬性，包括結(jié)構(gòu)、工藝、管理等方面信息，如2.3節(jié)所述。

3 多域集成映射模型

裝配資源服務于裝配過程，而飛機的裝配過程取決于自身結(jié)構(gòu)，飛機結(jié)構(gòu)又與其功能相結(jié)合。本文從飛機功能域開始，利用多域集成設計模型確定某類飛機所需的裝配資源，該方法具有一定的理論指導性。

3.1 第一映射階段

在第一階段，主要根據(jù)客戶需求將產(chǎn)品功能轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。在此階段，首先將總功能逐步分解為各分功能，再判斷各分功能是否有獨立結(jié)構(gòu)模塊與之對應，如果無對應，則繼續(xù)向下分解，直至分解出有獨立結(jié)構(gòu)模塊相對應為止。最后將各功能模塊與結(jié)構(gòu)模塊一一對應（如圖5中A 步）。

3.2 第二映射階段

第二階段主要完成結(jié)構(gòu)—工藝—資源間的映射。

工藝域的中間構(gòu)件是指為實現(xiàn)產(chǎn)品的裝配過程，由一些功能、結(jié)構(gòu)殘缺的非實體構(gòu)成的動態(tài)過渡裝配體［9］。工藝樹與結(jié)構(gòu)樹具有相同的零部件，不同之處為工藝樹考慮裝配順序、零部件來源（如外購件、自制件之類）、裝配過渡件和從屬關(guān)系等裝配工藝知識。本文通過增加或刪減中間件節(jié)點，調(diào)整零部件從屬關(guān)系，將外購件劃為根節(jié)點，完成工藝樹模型構(gòu)建（如圖5中B 步）。最后逐條確定裝配工藝，添加工藝操作編號及工藝內(nèi)容，從而完成工藝域的構(gòu)建。

定義2 將兩件以上的基本結(jié)構(gòu)件連接成一個實體件的操作，即為一條裝配工藝。每一條裝配工藝操作由操作編號、工藝內(nèi)容和分解工序組成。

在資源域中，首先完成工藝到工序的分解（如圖5中C步）。在資源樹模型中，根據(jù)典型工序的名稱確定資源功能，并以此查找所需資源，再根據(jù)結(jié)構(gòu)體特點與尺寸確定具體資源。每一項工序都有一種以上可選資源與之關(guān)聯(lián)，參與完成該道工序，資源間具有關(guān)聯(lián)屬性。每一項資源由其編號、版次和更改級別實現(xiàn)選用控制。

4 應用實例

本文以民用雙發(fā)小型客機為例構(gòu)建裝配資源模型，開發(fā)資源庫，以使該類飛機的裝配仿真效果更加貼近實際，為工裝快速設計提供數(shù)據(jù)基礎。功能的劃分與結(jié)構(gòu)方案的設計均以雙發(fā)小型客機為目標進行。具體步驟如下：

步驟1 功能樹生成。

結(jié)合現(xiàn)有飛機設計常識，基于黑箱法構(gòu)造客運飛機的總功能，并進行逐層功能分解，得到客機產(chǎn)品功能樹，如圖6的功能域所示。

步驟2 結(jié)構(gòu)樹生成。

以一個功能模塊對應一個結(jié)構(gòu)模塊為原則，進行功能—結(jié)構(gòu)映射。如圖6所示，產(chǎn)品總功能對應飛機整機，產(chǎn)生推力模塊對應動力裝置模塊，推力源模塊對應發(fā)動機模塊，支撐飛機對應起落裝置模塊等。左邊功能模塊以矩形框表示，右邊結(jié)構(gòu)模塊以平行四邊形框表示。

步驟3 工藝樹生成。

工藝樹在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的基礎上添加中間件節(jié)點，基于以小組件→大組件→段件→部件→整機為首要原則；易損部件靠后裝配；以前道工序的結(jié)構(gòu)不得影響后道工序的連接通路為原則，排列零部件裝配順序，進行工藝樹模型構(gòu)建，如圖7a所示，圖中工藝操作編號設置與裝配順序無關(guān)。

步驟4 資源樹生成。

資源樹由工藝操作編號、工序和映射資源三部分組成。首先將工藝域中的操作編號移動到資源域，然后基于五種裝配作業(yè)，將編號所指工藝分解為工序。映射資源時，需要考慮作業(yè)場所、人員等關(guān)聯(lián)資源，然后將每一項資源列于資源樹中。例如，編號A20工藝，可分解為運送、螺接、密封等工序，簡易手推車、高鎖螺栓、環(huán)氧粘結(jié)劑分別與三道工序相對應。由此構(gòu)造資源樹，如圖7b所示。

按照圖1定義的分類模型，對映射出的資源進行歸類，得到針對某小型客機的裝配資源模型，如圖8所示。裝配資源包括有形資源與無形資源，其中有形資源分為裝配環(huán)境類、裝配作業(yè)類與裝配檢測類。最后將圖7 中編號對應的資源詳細列于表1中。

裝配環(huán)境資源包括廠房布局（布局模型、廠房模型）、人員（包括設計人員、管理人員與裝配人員）與輔助設備（非工藝類與工藝類）三類。裝配作業(yè)涵蓋了輸送、定位夾緊、裝配連接與調(diào)整等核心裝配工作，每一項工作劃分為一個類，即輸送類（包括人力輸送車類、專用運輸車類、動力設備類）、定位夾緊類（包括裝備類與夾緊工具類）、連接類（包括螺鉚膠接資源類、制孔資源類、連接件資源類）與調(diào)整類（包括切割類、涂裝類與精加工類）。本文根據(jù)裝配作業(yè)過程，將檢驗類資源劃分為部裝檢測與總裝檢測兩類。

表1 某型飛機裝配資源模型解析表

續(xù)表1

續(xù)表1

續(xù)表1

由圖8可知，零部件的定位夾緊與連接工藝所需資源種類最多、數(shù)量龐大，并含有大量專用型架，充分體現(xiàn)了飛機裝配工作的特性，是飛機數(shù)字化柔性裝配技術(shù)領域的研究重點。

5 結(jié)束語

本文以民用客機為研究對象，采用多域集成設計思路，研究了裝配資源的定義與規(guī)劃問題，并構(gòu)建了集成設計模型，該模型具有抽象性、穩(wěn)定性、可重構(gòu)性和開放性等特性。最終構(gòu)造出的民用飛機裝配資源模型共包含三大類（環(huán)境類、作業(yè)類、檢測類）、八小類資源，全面規(guī)劃了飛機裝配資源的屬性和分類。該模型對某型飛機所需裝配資源進行了有效整合，并對不同設計單位的相同資源實施合并，避免了大量的數(shù)據(jù)冗余，為數(shù)字化裝配資源管理系統(tǒng)的構(gòu)建提供了基礎數(shù)據(jù)。裝配資源模型的屬性信息涉及多個領域知識，如功能域、語義管理域、構(gòu)形設計域、特征域、性能評價域等，因此其建立不僅提供了對現(xiàn)有資源屬性的表達方法，還提供了一個研究模板，以指導人們?nèi)嫦到y(tǒng)地研究探求并表述機理本質(zhì)與客體全貌。在此過程中，不僅得到了飛機的功能—結(jié)構(gòu)模型，還確定了飛機的裝配工藝方案，為構(gòu)建飛機裝配數(shù)據(jù)庫（包括裝配方案、裝配資源、裝配關(guān)系等）提供了支持。下一步工作將重點開發(fā)裝配資源管理系統(tǒng)，實現(xiàn)資源的數(shù)據(jù)庫管理及與常用CAD 軟件的二次嵌入開發(fā)，將理論研究應用于實際。

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