沈陽航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國防重點學(xué)科實驗室 韓志仁

沈陽航空航天大學(xué)航空宇航工程學(xué)部 吳建忠

飛機裝配是飛機制造的重要環(huán)節(jié)之一，直接影響著飛機的研制和生產(chǎn)周期[1]。隨著飛機設(shè)計數(shù)字化的應(yīng)用，飛機制造數(shù)字化也相應(yīng)得到推廣。飛機數(shù)字化制造涉及生產(chǎn)模式、制造方法、人員素質(zhì)、生產(chǎn)設(shè)備、產(chǎn)品全生命周期管理等方面。數(shù)字化制造不只是一個簡單的技術(shù)推廣問題，它還需要一套涉及各方面的技術(shù)體系和管理體系。數(shù)字化制造推廣是一個設(shè)備逐漸完善、人員結(jié)構(gòu)逐漸調(diào)整、技術(shù)體系和管理體系逐漸形成的過程。

我國飛機制造企業(yè)引入了波音公司的AO（Assembly Order）工藝管理機制[2]。AO由管理頁、說明頁、草圖和零件配套單組成，包括裝配名稱編號、制造索引、工程更改申請單號、發(fā)放次號、架次控制、版次控制、客戶控制、系列號、簡要工作說明、操作內(nèi)容要求、所需工裝設(shè)備、產(chǎn)品圖樣、工藝標準、質(zhì)量規(guī)范、檢驗要求、工時定額、零件名稱和編號、生產(chǎn)信息、質(zhì)量信息、過程信息等40多項工藝信息。在數(shù)字化制造推廣的過程中，飛機裝配大綱涉及由傳統(tǒng)的以紙質(zhì)為載體的AO向三維AO的轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)的AO由文字描述（包括管理頁、說明頁零件配套單）和草圖兩大部分構(gòu)成，以手工編寫為主。三維AO包括文字描述、三維附圖、三維仿真動畫，其中文字描述與傳統(tǒng)AO相似，三維附圖的作用等同于傳統(tǒng)AO的草圖，三維仿真動畫是飛機裝配工藝新的描述手段。數(shù)字化制造中三維AO的所有內(nèi)容均以電子版形式存在。

數(shù)字化制造中三維AO編制過程中需要的原始資料和產(chǎn)品依據(jù)等均可以電子版形式存在，因此，利用計算機的數(shù)據(jù)庫技術(shù)、快速檢索技術(shù)、三維標注技術(shù)、三維仿真技術(shù)等可以快速實現(xiàn)三維AO的編制，對縮短飛機產(chǎn)品制造周期，提高企業(yè)效益有重大意義。

1 飛機三維AO簡介

飛機裝配大綱（AO）是工藝部門根據(jù)工程設(shè)計要求，工廠工藝技術(shù)水平和質(zhì)量保證的要求編寫的生產(chǎn)性工藝文件，是用于指導(dǎo)飛機部件裝配、總裝、試飛、包裝和整機噴漆操作的技術(shù)性文件，同時也是生產(chǎn)、檢驗的記錄[3]。在MBD技術(shù)應(yīng)用的背景下，傳統(tǒng)的二維圖紙已不復(fù)存在，但是僅僅用文字來表述裝配過程信息，指導(dǎo)現(xiàn)場裝配還有所欠缺，容易導(dǎo)致裝配人員理解錯誤，因此，傳統(tǒng)二維AO向三維AO的轉(zhuǎn)變已成為必然。三維AO是數(shù)字化的工藝文件，相對于二維AO文檔來說，三維AO文檔有如下特點[4]：

（1）工作內(nèi)容描述方面： 除了有傳統(tǒng)的文字描述外，三維AO還附有三維仿真動畫，能直觀表述裝配過程，有效減少表述上的歧義性；

（2）三維附圖方面：三維AO附圖為三維可操作附圖，包括必要的三維標注，有效解決某些復(fù)雜結(jié)構(gòu)不易表述的問題；

（3）AO文檔編制方面：三維AO可以實現(xiàn)部分信息的自動錄入，以及部分信息的重用，提高AO編制的效率，降低生產(chǎn)成本。

2 飛機三維AO信息模型建立

通過PDM平臺獲取MBD數(shù)字化信息模型（EBOM，它是設(shè)計部門根據(jù)產(chǎn)品功能設(shè)計的產(chǎn)品零部件結(jié)構(gòu)樹，同時也是產(chǎn)品生產(chǎn)制造的源頭[5]），在完成裝配工藝分離面的劃分與規(guī)劃好零部件的裝配順序的基礎(chǔ)上，確定各個裝配工藝件的裝配順序，并查詢MBD數(shù)據(jù)集檢索相關(guān)工程信息（包括幾何信息與非幾何信息），在詳細裝配工藝設(shè)計的同時查詢資源信息庫，實現(xiàn)制造資源如工裝、設(shè)備以及相關(guān)規(guī)范的快速調(diào)入，至此在CATIA中建立了 PPR（Product，Process，Resourse）模型。將建立的PPR模型導(dǎo)入PDM進行裝配順序合理性的仿真驗證，將仿真結(jié)果以仿真報告的形式提交給設(shè)計部門，方便產(chǎn)品與工裝的進一步改進優(yōu)化。在裝配方案確定的基礎(chǔ)上，明確具體的定位方法與裝配操作，進行AO工序的具體設(shè)計以及AO工藝文檔的編寫，然后借助3DVIA Composer快速制作相關(guān)三維輕量化附圖并與工藝文檔集成。圖1為飛機AO工藝文檔信息模型。

圖1 飛機AO工藝文檔信息模型Fig.1 Information model of AO process documentation

3 基于三維AO編制的MBD模型信息獲取

目前，我國飛機制造企業(yè)中飛機產(chǎn)品的設(shè)計與制造的工程信息的表達與傳遞全部基于三維[1，6]。MBD數(shù)字模型作為AO編制的重要依據(jù)，是產(chǎn)品工程數(shù)據(jù)的重要知識載體，主要涵蓋產(chǎn)品的非幾何信息與幾何信息。

本文通過對CATIA二次開發(fā)快速檢索提取MBD數(shù)據(jù)集中的工程數(shù)據(jù)（包括非幾何信息、零件外形信息），并生成BOM表，以Excel的形式保存起來，作為AO編制的數(shù)據(jù)依據(jù)。

3.1 非幾何信息的提取

產(chǎn)品的非幾何信息主要有通用非幾何信息與零部件的連接信息等。其中通用非幾何信息是指“通用注釋”、“技術(shù)要求”、“裝配注釋”、“材料注釋”、“連接信息”等，所有這些信息都以參數(shù)的形式在零件的結(jié)構(gòu)樹上顯性表達，且和幾何信息集成在同一個三維模型中。通過對CATIA的二次開發(fā)，建立相應(yīng)模塊遍歷MBD產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹節(jié)點，并通過相關(guān)關(guān)鍵字檢索分析就可以批量提取MBD模型中的這些非幾何信息，使得相關(guān)信息集中存儲于Excel文件中便于查看引用，如圖2所示。

連接信息主要包括機械連接信息、膠接、焊接信息等，用來描述零部件之間的連接關(guān)系以及連接方法。這些信息在MBD數(shù)字化模型中往往以裝配文件的形式（也稱A數(shù)模）掛接在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的零件或部件節(jié)點下，通過用戶簡單與CATIA交互指定相關(guān)裝配文件與某個零件，訂制的功能模塊就可以遍歷裝配文件各個連接節(jié)點，獲取各個連接節(jié)點的屬性信息，快速提取出用戶所指定零件的所有連接關(guān)系，同時根據(jù)相關(guān)連接件的編號可以從產(chǎn)品 MBD 模型結(jié)構(gòu)樹中提取出用戶指定零件不同連接關(guān)系下的所有關(guān)聯(lián)零件名稱、圖號等信息，并存儲在 Excel 文件中作為AO編制的依據(jù)，如圖3所示。

圖2 提取通用注釋Fig.2 General comments extract

圖3 連接信息快速提取Fig.3 Connection information extract

3.2 三維零件附圖快速生成

三維AO中三維附圖作為飛機裝配的工藝說明的補充信息，提供可操作的三維零件輕量化模型，詳細說明連接標準件位置信息、導(dǎo)孔信息、基準信息等，幫助工人更直觀地理解工作任務(wù)，獲取必要的裝配信息。三維附圖是工藝人員根據(jù)產(chǎn)品三維綜合模型和裝配要求建立的工藝數(shù)模，并通過3DVIA Compos等輕量化軟件轉(zhuǎn)化成三維附圖的輕量化模型。轉(zhuǎn)化好的輕量化文件不丟失幾何信息與三維標注信息，并且與 Excel、Web 有很好的集成性[7]。因此，本文通過二次開發(fā)，在CATIA中開發(fā)功能按鈕將MBD中數(shù)據(jù)模型自動導(dǎo)入3DVIA Composer，并將輕量化模型存儲路徑存儲在.xls文件中，與CATIA零件建立間接關(guān)聯(lián)。圖4為一個典型的三維附圖。

圖4 典型的三維附圖Fig.4 A typical three-dimensional drawing

4 三維AO快速構(gòu)建

為了便于在構(gòu)建三維AO過程中方便提取和利用EBOM信息，將三維AO快速構(gòu)建平臺作為CATIA軟件的一部分，與CATIA軟件實現(xiàn)無縫集成。三維AO快速構(gòu)建流程如圖5所示。

圖5 三維AO快速構(gòu)建流程Fig.5 Build process of three-dimensional

根據(jù)AO的內(nèi)容，在CATIA中客戶化訂制基本信息頁、工序說明頁、所需工裝設(shè)備和所需零件頁4個屬性頁。在基本信息頁中用戶可完成機型、生效架次、AO號、工藝員以及操作說明等屬性內(nèi)容的添加；在工序說明頁，可進行具體工序的設(shè)計添加，同時針對飛機架次管理的裝配文件大量重復(fù)的特點，建立與典型工藝知識庫的鏈接，用戶在AO編制過程中可參考或直接選取相關(guān)工藝文檔并修改；在工裝設(shè)備頁，用戶可直接添加所需工裝設(shè)備或通過查詢工裝設(shè)備庫選擇添加；在所需零件頁，用戶可直接在MBD數(shù)模上選取所需零件，軟件平臺自動提取零件名稱編號存儲路徑等屬性信息并提供編輯其他必要信息的功能，同時以.xls格式輸出零件配套單。工藝人員在編制AO時可直接選取典型工藝規(guī)范、工裝設(shè)備以及配套零件，這樣便有效減少了手工輸入量，并提高了AO的編制效率。平臺界面如圖6所示。

圖6 三維AO快速構(gòu)建平臺Fig.6 Rapidly constructing platform for Three-dimension AO

5 結(jié)束語

本文就三維AO的特點與編制過程中存在的問題做了相關(guān)研究，針對飛機AO文件數(shù)量大、編制耗時多的特點，借助CAA對CATIA二次開發(fā)，將零件的輕量化、制造資源庫、工藝規(guī)范庫以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)集集成在CATIA環(huán)境下，實現(xiàn)了AO編制過程中產(chǎn)品數(shù)據(jù)的快速獲取與制造資源、典型工藝規(guī)范的快速引用，可以減少工藝員手工輸入量并有效提高AO的編制效率，實現(xiàn)飛機三維AO的快速構(gòu)建。

[1] 李彤.飛機數(shù)字化裝配技術(shù)研究.科技資訊，2009(30)：22.

[2] 楊雨圖，李亞白，王寧生.面向飛機裝配的工藝設(shè)計與管理系統(tǒng)研究與開發(fā).機械科學(xué)與技術(shù)，2005，24(11):1354-1358.

[3] 燕宜軍，葉文華，楊雨圖.基于AO 的飛機架次管理系統(tǒng)研究與開發(fā).中國制造業(yè)與信息化，2006，36(1)：1-4.

[4] 馮廷廷.基于MBD的飛機裝配工藝規(guī)劃與仿真[D].南京：南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，2011.

[5] 王建旗.飛機裝配AO系統(tǒng)研究與開發(fā)[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)， 2004.

[6] 吳東琦，朱文華，王琛，等.飛機三維裝配大綱技術(shù)的研究.現(xiàn)代機械，2010，37(1):45-49.

[7] 朱香華，陸云強.淺談3DVIA Composer 的功能與特點.CAD/CAM 與制造業(yè)信息化，2008，15(12):50-52.