中航飛機西安飛機分公司 侯卓兵 何其昌

數(shù)字化技術(shù)是改變傳統(tǒng)的飛機設(shè)計與制造模式、縮短飛機生產(chǎn)周期并降低生產(chǎn)成本、提高飛機生產(chǎn)質(zhì)量的重要技術(shù)手段。以波音為主的世界先進航空企業(yè)引領(lǐng)數(shù)字化技術(shù)在航空業(yè)應(yīng)用的潮流，提出的基于MBD技術(shù)的產(chǎn)品定義方式于2003年成為美國機械產(chǎn)品工程模型定義的國家標準。事實上，波音2004年啟動的787項目研發(fā)過程就是MBD技術(shù)的應(yīng)用與推廣過程，大大促進了航空行業(yè)數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用[1-2]。目前，國內(nèi)主要飛機制造企業(yè)在飛機數(shù)字化設(shè)計方面發(fā)展較快，很多型號設(shè)計已經(jīng)采用了全三維的數(shù)字樣機，制造、裝配工藝規(guī)劃的數(shù)字化也取得了很大進展[3]。

我國大型客機的研制階段也采用MBD技術(shù)，已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)品的全三維數(shù)字化定義，并已經(jīng)嘗試采用基于MBD單一數(shù)據(jù)源的數(shù)字化裝配工藝設(shè)計，目前已經(jīng)形成了原型系統(tǒng)。該原型系統(tǒng)基于達索DELMIA軟件平臺，在DELMIA/DPE模塊中通過裝配工藝結(jié)構(gòu)模板進行裝配工藝規(guī)劃，然后通過DELMIA/DPM模塊進行裝配仿真驗證，最后通過3DVIAComposer進行工藝文件發(fā)布[4-5]。

與傳統(tǒng)的裝配工藝設(shè)計相比，基于MBD的裝配工藝設(shè)計是以三維產(chǎn)品模型為中心，需要一種“以三維模型為中心”的裝配工藝模型，這是目前基于MBD的裝配工藝設(shè)計研究的一個主要方面，主要包括工藝結(jié)構(gòu)模板的定制、工藝設(shè)計過程控制、工藝信息輸入等。工藝部門開展工藝規(guī)劃的主要依據(jù)只有MBD數(shù)據(jù)集，與傳統(tǒng)工藝設(shè)計二維工程圖紙為主、三維數(shù)模為輔的方式完全不同，需要建立MBD數(shù)據(jù)集自動更新機制、工藝活動的表達、工藝信息的三維可視化表達等，它們是基于MBD的裝配工藝設(shè)計研究的第二個方面。另外一些與應(yīng)用密切相關(guān)的共性技術(shù)也是構(gòu)成基于MBD的裝配工藝設(shè)計研究的重要組成部分，其中包括標準裝配工藝的建立、三維虛擬裝配的自動化仿真、裝配指令的啟發(fā)式生成等，主要目的是提高工藝規(guī)劃的效率。由于裝配自動化仿真技術(shù)是眾多應(yīng)用的核心支撐技術(shù)，所以本項目對其進行深入研究。

在基于MBD的裝配工藝設(shè)計過程中，三維裝配仿真技術(shù)是裝配工藝模型重要的設(shè)計、驗證與優(yōu)化手段，其主要作用有：（1）裝配順序仿真，主要驗證零件裝配順序的合理性；（2）裝配干涉仿真，主要驗證工裝、工具等設(shè)計合理性以及零件裝配路徑的合理性；（3）裝配對象仿真，主要檢驗零件與工裝是否缺少或者冗余。從這可以看到，三維飛機裝配工藝設(shè)計的效率與裝配仿真的效率密切相關(guān)，而在目前的系統(tǒng)中，其裝配工藝仿真基本上在DELMIA/DPM軟件環(huán)境中手工設(shè)置，仿真問題的發(fā)現(xiàn)也需要工藝工程師的經(jīng)驗，尤其是其虛擬人動作設(shè)置過程繁瑣，造成目前的裝配工藝設(shè)計效率較低，也沒有完全發(fā)揮三維裝配仿真的作用。

綜上所屬，研究基于MBD的裝配工藝設(shè)計中的虛擬裝配自動化仿真技術(shù)具有現(xiàn)實的理論意義和應(yīng)用價值，是提高工藝設(shè)計效率、充分利用三維模型進行工藝設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。本研究中，裝配仿真的自動化涉及到裝配工藝的表達與解析方法、工藝活動的建模、虛擬人動作建模方法以及仿真結(jié)果評估等相關(guān)技術(shù)。

面向操作仿真的裝配工藝信息模型

要實現(xiàn)裝配操作仿真的自動化，需要建立面向裝配仿真的標準裝配工藝信息模型，實現(xiàn)從模型表達上就支持裝配操作動作仿真，因為裝配仿真中自動約束識別算法隨著零件形狀的復雜程度增長而急劇增長，難以快速自動捕捉裝配約束關(guān)系。采用語義進行裝配工藝的描述被認為是解決這一問題的有效方法，因為裝配工藝指令本身就是通過自然語言來描述的，所以本研究中采用語義抽象方法建立裝配工藝信息模型與標準化。裝配語義是對裝配零部件間裝配關(guān)系的抽象表達，蘊含了裝配零部件間的約束個數(shù)和類型、約束順序以及工程約束和2個裝配對象（零件或部件）。首先對飛機裝配工藝進行整理，分析零部件間存在的約束，一般包括定位約束和工程約束2種。語義從頂層可以分為鉚釘聯(lián)接、焊接聯(lián)接、螺紋聯(lián)接語義、鍵槽配合語義、軸孔配合語義、平面定位語義、傳動語義、特殊語義等。另外通過定義基本語義與復合語義來描述所有裝配關(guān)系，其中基本語義只包含1個基本定位約束，不包含任何工程約束的語義，而復合語義則包括多個定位約束。

在裝配語義提煉與抽象的基礎(chǔ)上，建立面向操作仿真的工藝信息模型，包括零件模型、裝配樹模型、約束模型、語義模型4部分，見表1。約束的類型屬性表達了約束屬于何種類型，一般的基本幾何約束類型分為7種：面貼合、面對齊、線對齊、重合、定角、相切和坐標系等。約束定義在2個零件的幾何元素之間，組成屬性描述這2個零件及相應(yīng)幾何元素的識別信息。結(jié)合飛機裝配工藝，語義類型中包含鉚釘聯(lián)接、螺釘聯(lián)接、螺栓聯(lián)接、焊接、膠接等。針對每種語義類型，分別確定其約束信息，裝配層次信息。

表1 裝配工藝信息模型

基于MBD技術(shù)的MBD數(shù)據(jù)集包含了大量的與產(chǎn)品數(shù)字定義、工藝設(shè)計、工裝設(shè)計、仿真、檢驗等有關(guān)的數(shù)字化信息，但這些信息對于虛擬維修而言并不都是必需的，需要根據(jù)維修機構(gòu)對航空裝備維修的實際需求配置、定制需要的數(shù)據(jù)集，剔除不會被用到或極少被用到的那些數(shù)據(jù)。

國際標準STEP-AP214原來只包含產(chǎn)品信息，主要針對汽車行業(yè)，但近年來已擴展包含工藝與資源信息，形成為國際標準ISO10303-214。ISO10303-214作為通用的工藝信息表達模型，可以有效表達工序、資源分配等，本研究也采用該標準建立裝配工藝的靜態(tài)表達模型，見圖1。

ISO10303-214采用EXPRESS語言來定義與描述STEP的應(yīng)用參考模型（Application Reference Model，ARM）。EXPRESS是圖形化的語言，是UML（Unified Modeling Language）語言的前身?；贗SO10303-AP214描述的工藝模型可以采用XML語言進行存儲，從而在模型的解析上可以利用XML的相關(guān)技術(shù)。采用XML規(guī)范建立維修信息描述模型。XML能夠以人和機器可識別的方式記錄文件信息，具有良好的跨平臺數(shù)據(jù)交換能力。本文用結(jié)構(gòu)化的XML格式描述變量。

裝配工藝操作的動態(tài)映射機制

動態(tài)工藝模型擬采用分層次Petri網(wǎng)進行描述，Petri網(wǎng)是離散事件建模的有效工具，是由節(jié)點與弧組成的有向圖。在Petri網(wǎng)中，庫所表明了“狀態(tài)”，而變遷刻畫了狀態(tài)的“變化”，變遷的啟動由其啟動規(guī)則來進行控制。Petri網(wǎng)模型采用圖形化的方式描述工序以及對共享資源的需求機制，通過對描述工藝活動的Petri網(wǎng)進行分析，可以分析工序之間對資源規(guī)劃的合理性。考慮到飛機裝配工藝的復雜性，根據(jù)裝配層次關(guān)系，擬采用分層Petri網(wǎng)來建立動態(tài)工藝模型，描述裝配活動。

Falkman等[6]采用過程代數(shù)結(jié)合Petri網(wǎng)來實現(xiàn)描述工藝動態(tài)模型，過程代數(shù)用來描述工藝的同步、工序、選擇等工藝邏輯現(xiàn)象，能有效描述工藝活動，滿足動態(tài)工藝建模的需求。本研究在此基礎(chǔ)上，將ISO10303-AP214標準描述的靜態(tài)工藝模型按照表2所示的方法進行映射，結(jié)合過程代數(shù)操作，將其轉(zhuǎn)化成Petri網(wǎng)描述的動態(tài)工藝模型。

表2 工藝模型映射關(guān)系

利用基于Perti網(wǎng)的動態(tài)工藝模型對裝配工藝過程進行了描述，按照工藝信息模型的裝配數(shù)表達的裝配工藝活動層次，可分別映射為相應(yīng)層次的Petri網(wǎng)模型，從而組成分層次的Petri網(wǎng)動態(tài)工藝模型。

裝配指令動作的參數(shù)化建模

在動畫仿真領(lǐng)域以及人工智能領(lǐng)域，為了實現(xiàn)虛擬場景中的角色，特別是虛擬人能夠理解自然語言進行自主化、智能化動作，大多采用參數(shù)化的動作表達模型。以美國賓州大學的Balder[7]等為代表，結(jié)合美國軍方的DEPTH項目以及AnimNL項目，采用參數(shù)化動作表達直接將以自然語言描述的維修工作步驟轉(zhuǎn)換為動作指令，并通過Jack人體建模軟件進行人機維修動作的可視化。本研究在Balder等研究基礎(chǔ)上，結(jié)合語義描述的裝配工藝指令，通過對Petri網(wǎng)動態(tài)工藝模型的解析與工藝信息模型，研究分層參數(shù)化動作描述方法：首先，對自然語言描述的裝配工藝進行分層，比如鉚接工藝就包含一系列的工步，每一工步對應(yīng)相應(yīng)的人體動作。按照Petri網(wǎng)描述的工藝動態(tài)模型，對工藝信息模型進行解析，將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的人機動作描述指令，每條動作描述指令包含如下信息： 角色對象、執(zhí)行對象、動作執(zhí)行滿足條件、執(zhí)行動作的環(huán)境、空間條件和執(zhí)行方式虛擬人的屬性（如手臂空間、視覺空間、力量大小等）及該動作包括的子動作等。工步的實現(xiàn)包含一系列動作，通過對動作進行分解，可以定義一些基本動作（如移動、抓取、伸手等），建立基本動作庫，當上層動作執(zhí)行時可以調(diào)用這些基本動作，從而實現(xiàn)動作的復用，提高設(shè)置效率。結(jié)合DELMIA/Human人體模型庫，實現(xiàn)虛擬人裝配動作仿真。人機仿真過程中，當有操作空間、操作姿勢、操作路徑不滿足設(shè)定的參數(shù)時，系統(tǒng)可以自動進行錯誤報告，提示工藝人員進行裝配工藝的調(diào)整。

緊固件的拆裝動作是裝配過程中最普遍和最頻繁的裝配動作，本文主要對緊固件的裝配動作進行參數(shù)化建模。通過修改模型參數(shù)，以生成適應(yīng)特定應(yīng)用場景的裝配動作。由于不同緊固件操作特點有所區(qū)別，因此不同緊固件同一種裝配動作的，參數(shù)化模型一般也不相同。工程上常見的緊固件主要分為3類：P1指螺母類，包括六角螺母、方螺母等；P2指螺栓螺釘類，包括六角頭螺栓、方頭螺釘?shù)龋籔3類包括各種鉚釘及定位銷等。本文分別對上述3類緊固件的裝配動作進行參數(shù)建模。此外，緊固件的拆裝過程中，操作者的動作和緊固件本身的工程屬性密切相關(guān)，例如螺距、螺紋長度等。P1和P2類緊固件的裝配動作主要包括：旋入（Screw）、旋出（UnScrew）、擰緊（Tighten）、擰松（UnTighten）。Screw指操作者旋入P1和P2到指定位置所包含的人體動作；UnScrew指操作者旋出P1和P2包含的人體動作；Tighten指操作者使用工具擰緊P1和P2所包含的人體動作；UnTighten指操作者使用工具擰出P1和P2所包含的人體動作。P3類緊固件的裝配動作主要包括插入（Insert）和敲打（Beat），即操作者將使用工具重復敲擊P3類緊固件所包含的人體動作。

P1、 P2和 P3類緊固件的裝配動作基本參數(shù)如圖2所示。AS為緊固件的中心軸線向量；PA和PB為被緊固的2個零件；為P1和P2緊固件的螺距；分別表示P類緊1固件旋入和旋出深度分別表示P3類緊固件的總長度及插入深度；、、分別表示P類緊固件螺紋2長度及旋入和旋出深度。

P1類緊固件裝配的流程：首先操作者VO按照預定的旋入深度l1P1徒手將P1旋入到對應(yīng)的螺栓或螺釘上，然后使用擰緊工具T沿軸線AS將P1完全擰入，直至P1與PA剛好發(fā)生干涉為止。P1拆卸一般可劃分為3種方式：（1）操作者VO使用工具 T將P1沿軸線AS擰出，直至P1與其對應(yīng)配合的螺栓或螺釘剛好不發(fā)生干涉為止；（2）操作者VO使用工具T將P1沿軸線AS擰出，擰出深度為l2；然后徒手將已經(jīng)擰松的緊固件P1沿軸線AS旋出，直至P1與其對應(yīng)配合的螺栓或螺釘剛好不發(fā)生干涉為止；（3）操作者VO徒手將P1沿軸線AS旋出，直至P1與其對應(yīng)配合的螺栓或螺釘剛好不發(fā)生干涉為止。

圖2 典型緊固件主要參數(shù)描述

根據(jù)上述P1類緊固件的拆裝操作流程分析，其裝配動作的參數(shù)化模型定義如下：

式中，VH & P1表示在旋入或旋出操作過程中，虛擬手已抓取P1緊固件；VH & T表示在擰松或擰緊操作過程中，虛擬手已抓取相應(yīng)的工具；RA指每次操作緊固件旋轉(zhuǎn)過的角度，它取決于裝配空間以及操作者關(guān)節(jié)的生理角度； v是裝配動作的仿真速度，通過設(shè)置它的大小可調(diào)節(jié)裝配動作的快慢；Screw、UnScrew、Tighten和UnTighten表示P1類緊固件裝配動作的具體生成方法，將上述方法的參數(shù)輸入到對應(yīng)的方法中，則自動生成該裝配動作的虛擬人裝配操作姿態(tài)序列及操作對象的裝配關(guān)鍵點序列，由前文操作過程信息模型的定義，旋入或擰緊動作的裝配操作序列表達如下：

式中有2層含義，首先，表示裝配動作仿真過程中虛擬人操作的初始姿態(tài)，其次，表示操作完成后，虛擬人又回到初始的姿態(tài)。{,···,}為虛擬人的中間裝配操作姿態(tài)序列；,··}為操作結(jié)束后回到初始狀態(tài)的裝配姿態(tài)序列。（m+1）反映了虛擬人為完成動作所需要進行重復操作的次數(shù)，例如：旋入螺栓，則表示旋入次數(shù)；敲擊定位銷，則表示敲擊次數(shù)?！ぁぁ?則表示裝配動作中P1的裝配關(guān)鍵點序列，與虛擬人裝配操作姿態(tài)一一對應(yīng)；···,··為擰緊裝配動作過程中操作工具的裝配關(guān)鍵點序列。

旋出和擰松動作完成后，通常不需要回到初始初始狀態(tài)，旋出和擰松動作完整的裝配操作序列略有不同，定義如下：

結(jié)束語

虛擬裝配技術(shù)已廣泛應(yīng)用在航空產(chǎn)品設(shè)計與制造中，虛擬人操作仿真與評估是眾多應(yīng)用的核心支撐技術(shù)。為了提高裝配指令虛擬仿真的效率與準確度，滿足并行裝配設(shè)計的需求，本文通過對飛機典型裝配工藝元素的分析，建立面向操作仿真的包含裝配語義的裝配工藝信息模型；并建立映射機制，將靜態(tài)工藝信息模型自動轉(zhuǎn)換為動態(tài)裝配操作模型；同時以緊固件操作為例，建立了人機裝配動作的參數(shù)化驅(qū)動方法，進而改變目前手工進行工藝仿真邏輯設(shè)置的模式，提高人機裝配仿真的效率。

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