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        面向飛機(jī)數(shù)字化裝配的MBD模型裝配信息提取技術(shù)

        2015-05-30 07:35:24中航工業(yè)北京航空制造工程研究所
        航空制造技術(shù) 2015年3期
        關(guān)鍵詞:制孔孔位指針

        中航工業(yè)北京航空制造工程研究所 潘 青

        隨著時(shí)代的發(fā)展,科技的進(jìn)步,人們對(duì)產(chǎn)品的需求日趨多樣化,市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也日趨激烈,對(duì)制造業(yè)及制造技術(shù)提出了更高的要求。特別是飛機(jī)產(chǎn)品,零件數(shù)目眾多,協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)多,尤其是飛機(jī)裝配過(guò)程的工作量要占到整個(gè)飛機(jī)制造勞動(dòng)量的40%~50%。因此,要快速響應(yīng)市場(chǎng)需求,保證高標(biāo)準(zhǔn)的裝配準(zhǔn)確度,完全控制裝配過(guò)程中的裝配誤差,必須要大力發(fā)展飛機(jī)的柔性裝配、數(shù)字化裝配等先進(jìn)裝配技術(shù)。以波音為首的國(guó)外飛機(jī)制造企業(yè)平均每10年就推出新一代軍民機(jī)型,并一直引領(lǐng)國(guó)際最先進(jìn)的飛機(jī)裝配技術(shù)水平。

        要想掌握柔性裝配技術(shù),使其在實(shí)際的生產(chǎn)制造中發(fā)揮作用,就應(yīng)該將自動(dòng)制孔技術(shù)、數(shù)字化裝配工藝及仿真技術(shù),柔性工裝、先進(jìn)連接等關(guān)鍵技術(shù)作為突破點(diǎn),對(duì)這些技術(shù)涉及到的設(shè)備、工藝等方面完全吃透,然后以此作為基礎(chǔ),再以軍或民機(jī)某部件裝配作為應(yīng)用對(duì)象,建立以自動(dòng)鉆鉚制孔、機(jī)器人制孔為核心的自動(dòng)化/半自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線(xiàn)。另一方面,為填補(bǔ)國(guó)內(nèi)的技術(shù)空白,提高制孔效率和制孔精度,需要對(duì)自動(dòng)化柔性制孔技術(shù)進(jìn)行研究,實(shí)現(xiàn)飛機(jī)部件裝配過(guò)程中的自動(dòng)化柔性制孔[1]。

        在飛機(jī)裝配過(guò)程中,有大量的連接孔需要加工,目前一架大型飛機(jī)上約有150~200萬(wàn)個(gè)連接件,其互連方法仍多采用機(jī)械連接。在國(guó)內(nèi),飛機(jī)零部件裝配仍以手工制孔為主,這對(duì)人力、物力的要求是巨大的,更重要的是制孔質(zhì)量低,連接質(zhì)量難以滿(mǎn)足較高疲勞壽命的要求,并且加工效率也低。國(guó)外飛機(jī)先進(jìn)裝配技術(shù)的應(yīng)用證明,采用自動(dòng)化柔性制孔技術(shù)不僅能夠提高制孔效率和精度,還能夠節(jié)約成本,改善勞動(dòng)條件,并能大大減少人為因素造成的影響,更好地保證裝配質(zhì)量。

        2 數(shù)字化裝配的MBD模型

        MBD(Model Based Definition)技術(shù),即基于模型定義,是一個(gè)用集成的三維實(shí)體模型來(lái)完整表達(dá)產(chǎn)品定義信息的方法,在三維實(shí)體模型中包含產(chǎn)品尺寸、公差等的制造信息定義和表達(dá)。MBD 使三維實(shí)體模型作為生產(chǎn)制造過(guò)程中的唯一依據(jù),改變了傳統(tǒng)以二維工程圖紙為主,而以三維實(shí)體模型為輔的制造方法。將產(chǎn)品的所有相關(guān)設(shè)計(jì)、工藝、制造屬性以及管理等信息附著在產(chǎn)品三維模型中的產(chǎn)品數(shù)字化定義方法[2]。

        MBD數(shù)據(jù)模型是通過(guò)圖形和文字表達(dá)的方式,直接地或通過(guò)引用間接地揭示了一個(gè)物料項(xiàng)的物理和功能需求。MBD數(shù)據(jù)模型分為裝配數(shù)據(jù)模型和零件數(shù)據(jù)模型。MBD零件數(shù)據(jù)模型由以簡(jiǎn)單幾何元素構(gòu)成的、用圖形方式表達(dá)的設(shè)計(jì)模型和以文字表達(dá)的注釋、屬性數(shù)據(jù)組成。MBD裝配數(shù)據(jù)模型則由一系列MBD零件數(shù)據(jù)模型組成的裝配零件列表加上以文字表達(dá)的注釋和屬性數(shù)據(jù)組成[3]。

        當(dāng)前,我國(guó)航空制造業(yè)的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用發(fā)展迅速,MBD 技術(shù)的引入和工程實(shí)踐也已開(kāi)展多年,并且三維數(shù)字化設(shè)計(jì)和MBD 技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中已得到了成功深入的應(yīng)用,這對(duì)下游的航空制造企業(yè)提出了新的迫切要求。建立適應(yīng)我國(guó)航空制造企業(yè)的MBD 技術(shù)應(yīng)用推廣路線(xiàn)和技術(shù)體系,使得MBD 數(shù)字化模型貫穿于整個(gè)產(chǎn)品生命周期的數(shù)字化制造過(guò)程中,建立基于MBD 模型的數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化集成應(yīng)用體系,達(dá)到無(wú)圖紙、無(wú)紙質(zhì)工作指令的三維數(shù)字化集成制造,是縮短產(chǎn)品研制周期,提高產(chǎn)品質(zhì)量,保證產(chǎn)品研制節(jié)點(diǎn)的迫切需求。

        3 CATIA模型裝配制孔孔位信息提取方法

        飛機(jī)產(chǎn)品的模型均采用CATIA進(jìn)行設(shè)計(jì),CATIA模型文件有兩種類(lèi)型,一種為單個(gè)零件的模型文件,后綴名為CATPart,該類(lèi)型文件中只有一個(gè)零件對(duì)象;另一種為多個(gè)零件裝配模型文件,后綴名為CATProduct。每一CATIA模型文件中均包含有一個(gè)產(chǎn)品特征樹(shù),該特征樹(shù)以樹(shù)狀結(jié)構(gòu)組織產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中產(chǎn)生的各種不同類(lèi)型的元素對(duì)象,包括各種幾何信息和文本信息,既可以清晰地顯示產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程的層次結(jié)構(gòu),又可以保存設(shè)計(jì)元素之間的相互關(guān)系。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行飛機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí),結(jié)合飛機(jī)制造裝配過(guò)程中所需要信息,對(duì)數(shù)模的特征樹(shù)進(jìn)行規(guī)范化定義,將同一類(lèi)信息保存在相同的根結(jié)點(diǎn)中,供工藝人員、編程人員使用。

        在進(jìn)行飛機(jī)部件組裝和總裝時(shí),最需要知道的信息就是哪兩個(gè)部件要進(jìn)行連接,連接區(qū)域要使用何種類(lèi)型、何種規(guī)格的緊固件以及緊固件的排列方式和數(shù)量。根據(jù)緊固件的規(guī)格確定所制孔的大小和深度,孔口是否需要?jiǎng)澠?。在采用基于MBD的三維模型建模技術(shù)后,這些信息都分類(lèi)保存在產(chǎn)品裝配模型文件的特征樹(shù)中。因此,采用CATIA的二次開(kāi)發(fā)技術(shù)對(duì)特征樹(shù)進(jìn)行遍歷、根據(jù)預(yù)定的關(guān)鍵字進(jìn)行搜索,找到相應(yīng)的結(jié)點(diǎn),再進(jìn)行分析,便可得到相應(yīng)的裝配制孔孔位信息。

        3.1 CATIA 零件模型文件的獲取

        要從 CATIA 裝配模型文件中提取信息, 首先要遍歷模型文件中唯一存在的特征樹(shù), 獲取裝配件模型指針,根據(jù)裝配件模型指針獲取裝配件所包含的所有零件的模型文件指針, 根據(jù)各個(gè)零件的模型文件指針獲取記錄緊固件定義的幾何圖形集指針,再通過(guò)幾何圖形集指針獲得進(jìn)一步的信息。

        在獲得CATIA 模型結(jié)構(gòu)樹(shù)的根指針時(shí),首先得到裝配件模型文件名稱(chēng),通過(guò)文件名稱(chēng)獲得模型文檔指針(CATIDocument),再由模型文檔指針取得裝配件模型指針(CATIProduct),調(diào)用 CATIProduct 的函數(shù) GetChildren()獲得根目錄結(jié)點(diǎn),循環(huán)判斷每個(gè)結(jié)點(diǎn)是否為零件模型(CATPART)。如果是,則獲得零件模型指針;如果不是,則該節(jié)點(diǎn)為裝配體模型指針(CATIProduct),遞歸調(diào)用CATIProduct 的GetChildren函數(shù)得到次級(jí)裝配體根目錄下的結(jié)點(diǎn),重復(fù)此操作直到獲得所有的零件模型指針。獲得零件模型指針(CATIProduct)之后,據(jù)此獲得零件模型的文檔對(duì)象(CATDocument),初始化零件結(jié)點(diǎn),并調(diào)用函數(shù)GetRootContainer可以獲得零件結(jié)點(diǎn)的容器,再調(diào)用函數(shù)GetPart()獲得零件結(jié)點(diǎn)對(duì)象(CATIPrtPart),根據(jù)零件結(jié)點(diǎn)對(duì)象的CATIDescendants接口獲取零件的所有子零件,獲得子零件的特征接口(CATISpecObject)后,對(duì)所有特征進(jìn)行遍歷判斷其是否還有下一級(jí)子結(jié)點(diǎn),如果有,則遞歸取次級(jí)零件。對(duì)次級(jí)零件再取其所有子結(jié)點(diǎn)并獲得子結(jié)點(diǎn)零件的特征接口,再對(duì)所有子特征進(jìn)行遍歷判斷其是否還有子特征,重復(fù)此操作直到所有的零件特征都被提取。

        3.2 CATIA模型對(duì)象裝配孔位信息的獲取

        飛機(jī)零部件裝配連接孔位信息分散保存在各個(gè)連接件的零件模型中。CATIA零件模型的特征樹(shù)(見(jiàn)圖1)中包含兩種類(lèi)型的結(jié)點(diǎn),一種是系統(tǒng)固有的,不可刪除,如圖1中所示的xy plane、yz plane、zx plane和PartBody結(jié)點(diǎn),設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)創(chuàng)建的所有幾何均保存在該結(jié)點(diǎn)中,此外,設(shè)計(jì)人員還可根據(jù)實(shí)際需要?jiǎng)?chuàng)建幾何圖形集,為其命名,然后在自行創(chuàng)建的圖形集中存放相同類(lèi)型的幾何信息或一些相關(guān)的文本等屬性信息,如將使用同一種規(guī)格緊固件的孔位點(diǎn)保存在一起,因此需要在已經(jīng)獲得零件特征的基礎(chǔ)上,遍歷搜索該特征樹(shù),獲取指定名稱(chēng)的幾何圖形集特征。針對(duì)零件模型文件獲取指定幾何圖形集對(duì)象的步驟如下所示。

        圖1 CATIA零件模型文件特征樹(shù)結(jié)構(gòu)Fig.1 Feature tree structure of CATIA part model file

        (1)針對(duì)每一個(gè)零件模型文件,根據(jù)CATIDescendants接口的GetDirectChildren函數(shù)獲取該零件中所有次一級(jí)幾何圖形集特征對(duì)象;

        (2)根據(jù)CATIAlias接口獲得每一個(gè)幾何圖形集對(duì)象的名稱(chēng);

        (3)與預(yù)先指定的名稱(chēng)進(jìn)行比較,如果二者名稱(chēng)相同,則該幾何圖形集特征為存儲(chǔ)裝配孔位信息結(jié)點(diǎn)。

        3.3 幾何點(diǎn)特征的判斷方式

        在獲取指定幾何圖形集特征對(duì)象的基礎(chǔ)上利用CATIDescendants接口的GetDirectChildren函數(shù)接口獲得該幾何圖形集的所有子結(jié)點(diǎn),然后依次對(duì)每一個(gè)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行判斷,判斷子結(jié)點(diǎn)是否為幾何點(diǎn)。在設(shè)計(jì)人員進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí),生成點(diǎn)的方式通常有直接定義、相交、投影、對(duì)稱(chēng)等方式,因此在判斷子結(jié)點(diǎn)是否為幾何點(diǎn)時(shí),要考慮到上述幾種情形,否則就會(huì)有遺漏。對(duì)于直接定義方式生成的幾何點(diǎn),即利用CATIA創(chuàng)建點(diǎn)功能得到的幾何點(diǎn),在用戶(hù)不做更改的情況下,會(huì)在特征樹(shù)上有類(lèi)似“點(diǎn).XXX”的名稱(chēng)顯示,其中名稱(chēng)中的XXX為數(shù)字,按照創(chuàng)建的順序從1開(kāi)始,依次增加,因而可以通過(guò)幾何的名稱(chēng)判斷是否是幾何點(diǎn)。對(duì)由相交、投影、對(duì)稱(chēng)等方式創(chuàng)建的幾何點(diǎn),相應(yīng)地在特征樹(shù)上有“相交.XXX”、“投影.XXX”、“對(duì)稱(chēng).XXX”的名稱(chēng)顯示,此時(shí),單純通過(guò)名稱(chēng)判斷無(wú)法,因?yàn)橥ㄟ^(guò)相交、投影、對(duì)稱(chēng)等方式創(chuàng)建的幾何還可能是線(xiàn)或面,而此時(shí)它們?cè)谔卣鳂?shù)上的名稱(chēng)也具有上述形式,因此不能只依據(jù)名稱(chēng)進(jìn)行判斷,需要另僻稀徑,即通過(guò)特征內(nèi)部的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行判斷。綜上所述,得到對(duì)點(diǎn)判斷的方式如圖2所示。對(duì)所有的子結(jié)點(diǎn)進(jìn)行判斷,記錄通過(guò)判斷的點(diǎn)位坐標(biāo)、名稱(chēng)信息進(jìn)行輸出,便可得到自動(dòng)制孔信息表。

        圖2 CATIA格式幾何點(diǎn)判斷方式Fig.2 Judgement styles of CATIA geometry points

        4 應(yīng)用實(shí)例

        利用CATIA進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)工具CAA,基于CATIA V5平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了上述制孔信息提取方式,可以非常容易地得到產(chǎn)品中的自動(dòng)制孔孔位信息。用戶(hù)交互界面如圖3所示。

        圖3 “自動(dòng)搜索編程孔”功能用戶(hù)交互界面Fig.3 User interface of automatically searching programming point

        對(duì)話(huà)框的主體為列表框,用于顯示當(dāng)前打開(kāi)文件中所有幾何點(diǎn)特征對(duì)象的名稱(chēng)。此外還包括4個(gè)功能按鈕。一個(gè)是“開(kāi)始”命令按鈕,用于在指定的模型文件中自動(dòng)搜索孔位信息。由于實(shí)際建模的復(fù)雜性,模型中可能會(huì)存在利用除前文提到的方式以外的幾何點(diǎn)特征,這樣會(huì)導(dǎo)致在遍歷模型特征樹(shù)進(jìn)行孔位信息的自動(dòng)提取時(shí)遺漏一些幾何點(diǎn)特征,需要手工補(bǔ)充,另外,根據(jù)自動(dòng)制孔設(shè)備的工作能力范圍,會(huì)有一些自動(dòng)提取到的點(diǎn)不需要進(jìn)行自動(dòng)制孔,需要手工刪除。根據(jù)這些實(shí)際使用需要,設(shè)計(jì)了兩個(gè)命令按鈕,一個(gè)用于手工添加點(diǎn),一個(gè)用于手工刪除點(diǎn)。此外還有一個(gè)“保存”命令按鈕,用于將自動(dòng)制孔孔位信息保存至數(shù)據(jù)庫(kù)表中。

        在實(shí)際應(yīng)用時(shí),首先利用CATIA自身的功能導(dǎo)入裝配件模型文件,然后單擊工具條中的“制孔孔位自動(dòng)搜索”命令按鈕,在彈出的“自動(dòng)搜索編程孔”對(duì)話(huà)框中單擊“開(kāi)始”命令按鈕,程序開(kāi)始執(zhí)行,自動(dòng)搜索當(dāng)前打開(kāi)模型文件中所有零件中的連接定義信息,將得到信息的名稱(chēng)依次列在“孔列表”列表框中,單擊“保存”命令按鈕,當(dāng)前所有點(diǎn)的信息保存至數(shù)據(jù)庫(kù)表中。

        5 結(jié)束語(yǔ)

        基于模型的設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)逐步成為一種設(shè)計(jì)規(guī)范,得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。它的最大優(yōu)勢(shì)在于可以統(tǒng)一產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制造的數(shù)據(jù),成為單一的數(shù)據(jù)源。當(dāng)數(shù)據(jù)的定義規(guī)范之后,對(duì)于數(shù)據(jù)的使用者,也有了新的要求,即如何快速準(zhǔn)確從MBD模型中得到自己需要的數(shù)據(jù)。針對(duì)MBD模型進(jìn)行制孔孔位等裝配信息的自動(dòng)提取方法研究可以大大節(jié)省工藝編程人員的工作量,用戶(hù)只需要簡(jiǎn)單的操作,便可快速得到所需的制孔孔位幾何名稱(chēng)、坐標(biāo),作為后續(xù)的離線(xiàn)編程工作的依據(jù)。

        [1]歐陽(yáng),鄒成,劉繼紅.面向機(jī)翼柔性制孔的多層次數(shù)控程序結(jié)構(gòu).計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2011(8): 1806-1807.

        [2]梅中義. 基于MBD的飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù). 航空制造技術(shù),2010(18): 42-45.

        [3]余志強(qiáng),陳嵩,孫煒,等. 基于MBD的三維數(shù)模在飛機(jī)制造過(guò)程中的應(yīng)用. 航空制造技術(shù),2009(25): 82-85.

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