林偉，羅群，陳龑斌

（1.航空工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，制造工程部， 西安 710089；2.航空工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，機(jī)翼裝配廠， 西安 710089）

引言

在飛機(jī)零件裝配工藝中，數(shù)字化制造技術(shù)應(yīng)用得越來越廣泛，使得裝配技術(shù)漸漸從手工裝配向自動(dòng)化裝配方向發(fā)展[1,2]?，F(xiàn)代飛機(jī)產(chǎn)品中負(fù)載整體架構(gòu)件的使用以及高質(zhì)量機(jī)體架構(gòu)壽命與高效率等要求越來越高，飛機(jī)零件的裝配要求更為精確、嚴(yán)格。而且現(xiàn)代飛機(jī)機(jī)體架構(gòu)內(nèi)鈦合金與復(fù)合材料的比重出現(xiàn)了大幅度提升，給飛機(jī)自動(dòng)化裝配內(nèi)自動(dòng)質(zhì)孔設(shè)備的質(zhì)孔性能提出了更高要求。飛機(jī)零件數(shù)字化裝配主要是憑借自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)經(jīng)過離線編程系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)，依靠裝配指令使文件互相協(xié)作，完成飛機(jī)零件的數(shù)字化裝配任務(wù)[3]。

零件數(shù)字化裝配大致能夠分為兩種方法：一種是通過手工調(diào)控測(cè)量飛機(jī)零件的厚度、尺寸以進(jìn)行裝配，另一種是通過離線編程軟件自動(dòng)生成裝配序列。但第一種方法速度過慢，容易出現(xiàn)誤差，如今使用較多的是第二種方法。但由于這種方法主要針對(duì)傳統(tǒng)飛機(jī)CAD系統(tǒng)，加工對(duì)象的幾何模型大多是用在形象描述產(chǎn)品架構(gòu)上。對(duì)于集成系統(tǒng)，幾何模型不僅僅需要讓其圖像顯著，還需要為集成系統(tǒng)提供所需的裝配加工生產(chǎn)數(shù)據(jù)。比如通過離線編程系統(tǒng)[4]對(duì)飛機(jī)零件進(jìn)行數(shù)字化裝配，不僅需要加工目標(biāo)零件的幾何模型，還需要對(duì)與加工對(duì)象存在關(guān)聯(lián)的孔徑、鉚釘以及空位種類等加工制造數(shù)據(jù)進(jìn)行分析因此在飛機(jī)零件數(shù)字化裝配中存在一定不足。另外還有一種零件數(shù)字化裝配方法為數(shù)字化柔性裝配[5]，根據(jù)飛機(jī)機(jī)身部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析數(shù)字化激光測(cè)量系統(tǒng)在其裝配過程中的應(yīng)用。該方法存在一定優(yōu)勢(shì)，但同樣存在相應(yīng)分析不足的問題。

針對(duì)上述問題，本文提出了集成環(huán)境下一種基于MBD的飛機(jī)零件數(shù)字化裝配工藝方法。該方法通過零件裝配工藝的特征模型對(duì)零件進(jìn)行劃分，使之后的數(shù)字化裝配效率提高，并且通過本體論對(duì)整體的裝配工藝概念進(jìn)行客觀表示，從而使數(shù)字化裝配的精準(zhǔn)性能達(dá)到最大值。實(shí)驗(yàn)證明，本文方法能夠有效改善集成環(huán)境下飛機(jī)零件的數(shù)字化裝配工藝，并且在裝配的同時(shí)提升零件材料的應(yīng)變使用性能。

1 集成環(huán)境下基于MBD的飛機(jī)零件數(shù)字化裝配工藝

1.1 零件裝配工藝特征模型構(gòu)建

基于模型定義的飛機(jī)零件裝配工藝特征，即按照飛機(jī)柔性裝配中零件的架構(gòu)特征與自動(dòng)裝配的工藝需求，對(duì)自動(dòng)狀態(tài)下需要使用的加工工藝、幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析以及抽象化處理，其中，幾何數(shù)據(jù)應(yīng)盡可能具有零件所在的蒙皮表面中心點(diǎn)的方向與坐標(biāo)矢量，加工工藝數(shù)據(jù)盡可能具有零件所在位置的材料、鉚丁與直徑孔等[6]。以模型定義的零件裝配工藝特征與飛機(jī)部件的MBD模型為基礎(chǔ)，綜合特征技術(shù)，將所有數(shù)據(jù)融入至產(chǎn)品的數(shù)模內(nèi)，實(shí)現(xiàn)最終零件工藝模型的構(gòu)建，同時(shí)在之后的離線編程系統(tǒng)中通過數(shù)據(jù)模型描述數(shù)據(jù)源，離線提取編程與自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)工藝規(guī)劃所要求的幾何數(shù)據(jù)與非幾何數(shù)據(jù)，依靠提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行路徑規(guī)劃與自動(dòng)工藝決策等，提升離線編程系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。

針對(duì)離線編程系統(tǒng)所需要使用的工藝規(guī)劃流程數(shù)據(jù)[7]，特別構(gòu)建了面向飛機(jī)自動(dòng)化裝配所需要的離線編程系統(tǒng)的零件工藝特征數(shù)據(jù)模型，如圖1所示。

零件的工藝特征數(shù)據(jù)模型具有數(shù)控工序模型、零件設(shè)計(jì)模型與裝配工藝數(shù)據(jù)三種部分[8]，把零件的工藝特征數(shù)據(jù)模型K描述成：

式中：

M—擬定發(fā)放的零件設(shè)計(jì)模型，即之后構(gòu)建零件加工制造模型的唯一憑證；

Nl—第i種數(shù)控工序模型，其將應(yīng)用于數(shù)控加工的輔助工藝內(nèi)[9]，并且與零件加工工序相互對(duì)應(yīng)，即工序MBD模型總量是通過零件加工工序的總量決定的；

—零件工藝模型的裝配工藝數(shù)據(jù)，即飛機(jī)自動(dòng)化裝配系統(tǒng)所必須擁有的工藝規(guī)劃數(shù)據(jù)與工藝擬定數(shù)據(jù)。裝配工藝數(shù)據(jù)通常不會(huì)在三維模型內(nèi)直線顯示，但是大致和三維特征存在一定的關(guān)聯(lián)，同時(shí)能夠通過查詢獲得。

為了使工藝規(guī)劃更為簡易，裝配工藝數(shù)據(jù)存在制孔集合數(shù)據(jù)[10]，鉚接輔助數(shù)據(jù)以及工藝輔助數(shù)據(jù)。因此，裝配工藝數(shù)據(jù)為：

式中：

Gi—第i種零件孔的集合數(shù)據(jù)；

圖1 零件工藝特征數(shù)據(jù)模型

Pi—第i種零件孔的工藝輔助數(shù)據(jù)；

Ri—第i種預(yù)鉚接零件孔的鉚接輔助數(shù)據(jù)。

制孔幾何數(shù)據(jù)大致應(yīng)該存在預(yù)加工零件孔中心點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)以及預(yù)加工零件孔位的中心法向矢量數(shù)據(jù)兩種部分，將其描述為：

式中：

Ci—第i種零件孔的中心點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)集合；

Ni—第i種零件孔的中心法向矢量數(shù)據(jù)集合。

零件孔的坐標(biāo)數(shù)據(jù)即零件孔在飛機(jī)數(shù)模中的三維坐標(biāo)，將其描述為：

式中：

Xj,Yi,Zi—第i種零件孔的X,Y,Z坐標(biāo)。

零件孔中心法向矢量數(shù)據(jù)集零件孔置信的法向矢量在飛機(jī)數(shù)模構(gòu)建坐標(biāo)系中的映射，能夠?qū)⑵涿枋龀桑?/p>

式中：

Xdiri,Ydiri,Zdiri—第i種孔的法向矢量。

工藝輔助數(shù)據(jù)即零件孔加工數(shù)據(jù)，主要為飛機(jī)零件自動(dòng)化裝配系統(tǒng)供給與制零件孔工藝之間存在關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)。其中具有零件孔類型、零件孔深度、預(yù)加工零件孔直徑、孔的锪窩數(shù)據(jù)與零件孔所處的坐標(biāo)飛機(jī)的厚度與材料。所以，工藝輔助數(shù)據(jù)能夠描述成：

式中：

Ti—第i種零件孔的種類；

Di—第i種零件孔的直徑；

Ei—第i種零件孔的[11]加工深度；

Zi—第i種零件孔的锪窩數(shù)據(jù)；

Si—第i種孔所處的坐標(biāo)飛機(jī)的材料數(shù)據(jù)。

第i種孔的種類：

式中：

A—零件孔種類的集合；

Hole—基準(zhǔn)零件孔的集合，具有局部基準(zhǔn)孔與全局基準(zhǔn)孔；

Rivet[12]—鉚丁孔的集合，存在已經(jīng)具有臨時(shí)鉚丁孔與鉚丁孔兩種部分；

Other—每一種預(yù)加工零件孔的集合。

第i種零件孔的锪窩數(shù)據(jù)：

式中：

Ci—第i種零件孔的锪窩角度；

Pj—第i中零件孔的锪窩深度。

第i種零件孔所處坐標(biāo)飛機(jī)的材料數(shù)據(jù)為：

式中：

Wi—第i種零件孔所處坐標(biāo)飛機(jī)的材料種類；

Hi—第i種零件孔所處[13]坐標(biāo)飛機(jī)的材料厚度。

鉚接輔助數(shù)據(jù)具有鉚釘種類數(shù)據(jù)與是否涂膠兩種能力。鉚釘種類數(shù)據(jù)即集成環(huán)境下飛機(jī)自動(dòng)化裝配系統(tǒng)在自動(dòng)鉚接流程內(nèi)自動(dòng)送釘系統(tǒng)挑選適合鉚釘?shù)膽{據(jù)，也是尾端運(yùn)行器在鉚接之前需要的第二次確準(zhǔn)的憑據(jù)[14]。涂膠能力主要針對(duì)復(fù)材產(chǎn)品，復(fù)材產(chǎn)品主要使用抽鉚進(jìn)行裝配，在進(jìn)行抽鉚之間一定要對(duì)抽定進(jìn)行涂膠處理。綜上所述，鉚接輔助數(shù)據(jù)能夠描述成：

式中：

Ui—第i種需要進(jìn)行鉚接的零件孔的鉚釘種類；

Qi—第i種零件孔在進(jìn)行鉚接之前需不需要對(duì)其進(jìn)行涂膠。

鉚釘種類：

式中：

Vi—第i種零件孔所需求的[15]鉚釘直徑；

Yi—第i種零件孔所需要的鉚釘尺寸；

Qi—一種評(píng)測(cè)數(shù)據(jù)，存在true與false兩種值，在Qi=true時(shí)，就代表需要對(duì)鉚釘進(jìn)行涂膠，反之則不需要進(jìn)行涂膠。

1.2 裝配工藝模型

集成環(huán)境下基于MBD的裝配工藝模型即把裝配流程內(nèi)的工藝數(shù)據(jù)引入幾何模型中，用該模型當(dāng)做零件生命周期內(nèi)數(shù)據(jù)源的傳遞通道，直到裝配工作結(jié)束。基于MBD的裝配工藝模型是通過工序模型、工藝屬性與[16]集合模型形成的，因此，可以將模型C擬定成：

式中：

L—裝配體的幾何擬定模型，即基于MBD裝配工藝模型的承載；

Hi—第i種工序模型，是零件裝配流程里第i種工序所對(duì)應(yīng)的模型，基于MBD的工序模型，往往都應(yīng)用于輔助工藝的擬定中，存在參與裝配工藝數(shù)據(jù)與裝配工序的零件集合模型等；

Aj—工藝屬性數(shù)據(jù)，比如裝配的工藝規(guī)劃數(shù)據(jù)和分工路徑數(shù)據(jù)以及工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

1.3 工序模型定義

為了使集成環(huán)境下工藝設(shè)計(jì)能夠達(dá)到最大化的簡易，體現(xiàn)完整的裝配工藝流程，將整體狀態(tài)工藝與工序用在單位進(jìn)行分割中，建造基于MBD的工序模型，因此需要剔除工序模型之外的零部件幾何數(shù)據(jù)，還需要使飛機(jī)零件、裝配順序與裝配方法等非幾何數(shù)據(jù)之間存在約束關(guān)系，因此能夠?qū)⒒贛BD的工序模型設(shè)定成：

式中：

Oi—該道工序所具有的第i種基于MBD的零件工藝數(shù)據(jù)模型；

Cj—零件之間存在的約束關(guān)聯(lián)；

Pk—這道工序的裝配需求，例如裝配路徑、裝配方法與裝配順序等；

Rl[17]—工序?qū)傩詳?shù)據(jù)，例如工序命名與工序編號(hào)等。

基于MBD的工序模型架構(gòu)能夠通過圖2描述。

1.4 構(gòu)建裝配工藝本體

裝配工藝建模使基于本體理論，在整體工藝流程里的所有步驟中實(shí)現(xiàn)的都能夠在整個(gè)零件裝配過程中進(jìn)行共享理論，進(jìn)而保證零件裝配的協(xié)調(diào)、合理與平滑性，這就使得零件裝配的效率與裝配質(zhì)量都得到了較大的提升。

圖2 基于MBD的工序模型

通過本體論的工藝模型，即依靠本文論對(duì)裝配工藝進(jìn)行客觀概述，在分析整體裝配過程的基礎(chǔ)上，將裝配流程的知識(shí)理論分割為三種層次，即零件工藝數(shù)據(jù)層、工序?qū)雍凸に噷?，其分別對(duì)應(yīng)零件工藝數(shù)據(jù)本體、工序本體和工藝本體，這其中工藝本體存在工序本體與零件工藝數(shù)據(jù)本，通過公理化與標(biāo)準(zhǔn)化的形式對(duì)工藝進(jìn)行描述，含有裝配流程中的任何數(shù)據(jù)，工序本體即對(duì)某種具體工序的本體化進(jìn)行表示，存在安裝順序、安裝方法、安裝動(dòng)作、安裝路徑與約束關(guān)聯(lián)等，是定義、說明與深度剖析裝配工藝的一種方式，反映了基于MBD的工序模型，零件工藝數(shù)據(jù)本體存在材料、準(zhǔn)度、尺寸與實(shí)體模型的精確語義關(guān)聯(lián)，與制造數(shù)據(jù)對(duì)剩余數(shù)據(jù)的影響以及自身隨著裝配效率增加出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)變化有關(guān)，例如零件材料的不同會(huì)對(duì)集成環(huán)境下飛機(jī)零件裝配的方式產(chǎn)生干擾，并且裝配流程中的準(zhǔn)確度數(shù)據(jù)會(huì)對(duì)存在關(guān)聯(lián)的尺寸約束產(chǎn)生干擾。其中裝配確準(zhǔn)度在裝配流程內(nèi)的自身轉(zhuǎn)化，映射的是基于MBD的零件工藝數(shù)據(jù)模型，裝配工藝本體的架構(gòu)，即將存在工序?qū)?、層零件工藝?shù)據(jù)層與工藝含有關(guān)系的理念進(jìn)行集合，以提升它們之間的顯著層次關(guān)聯(lián)，同時(shí)還需要明確所有層次之間的工藝數(shù)據(jù)的語義關(guān)聯(lián)。

憑借上述裝配工藝本體的擬定方法，可以組建基于本體的工藝模型架構(gòu)，即裝配工藝本體的架構(gòu)，該架構(gòu)的圖解如圖3所示。

依靠本體的設(shè)定方法與裝配工藝本體模型架構(gòu)，經(jīng)過Prote′ge′本體構(gòu)建工具利用對(duì)概念之間存在的約束關(guān)聯(lián)與概念進(jìn)行設(shè)定，組建配工藝本體，合成裝配工藝本體的概念樹，之后依靠Prote′ge′本體建模工具里的OWL代碼輸出功能，就可以將零件裝配工藝本體的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。

1.5 MBD數(shù)據(jù)在飛機(jī)零件數(shù)字化裝配的應(yīng)用

在上述得到的零件裝配工藝本體數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可以利用工裝協(xié)議建模、數(shù)字化產(chǎn)品與擬定數(shù)字化裝配工藝。另外，構(gòu)造飛機(jī)零件數(shù)字化裝配的數(shù)據(jù)之前，需要組建相應(yīng)的飛機(jī)多媒體裝配流程動(dòng)畫與三維構(gòu)架圖解，將其用于裝配現(xiàn)場(chǎng)的指導(dǎo)裝配內(nèi)。

這些數(shù)字化產(chǎn)品、工裝數(shù)據(jù)與多媒體數(shù)據(jù)已經(jīng)完全代替了紙質(zhì)工藝指令與二維工程圖紙，依已然成為了對(duì)工人進(jìn)行技術(shù)訓(xùn)練的多媒體信息與集成環(huán)境下飛機(jī)零件數(shù)字化裝配現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)工人操作的信息證明。因此需要建造面向飛機(jī)零件數(shù)字化裝配數(shù)據(jù)的裝配現(xiàn)場(chǎng)可視化系統(tǒng)，將工藝活動(dòng)作為中心，將數(shù)字化轉(zhuǎn)配數(shù)據(jù)、運(yùn)行過程工藝圖解、操作動(dòng)畫與數(shù)字化工裝資源數(shù)據(jù)組合起來，憑借裝配現(xiàn)場(chǎng)中的每一種裝配工位建造網(wǎng)絡(luò)，擬定裝配現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字化的使用終端裝置，將數(shù)字化數(shù)據(jù)傳遞至裝配操作現(xiàn)場(chǎng)中，依靠多媒體的裝配工藝數(shù)據(jù)、三維工裝數(shù)據(jù)與三維產(chǎn)品數(shù)據(jù)，在集成環(huán)境下指導(dǎo)工人對(duì)飛機(jī)的零件進(jìn)行數(shù)字化裝配工作。

2 實(shí)驗(yàn)證明

為了證明本文方法的實(shí)用性，選定如今選用較多的離線軟件法[4]以及數(shù)字化柔性裝配方法[5]與本文方法進(jìn)行對(duì)比，并在本文方法中擬定一種控制系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過軟PLC控制系統(tǒng)對(duì)飛機(jī)、飛機(jī)零件進(jìn)行控制，零件控制系統(tǒng)采用KR-C2系列。

PLC控制系統(tǒng)通過插入計(jì)算機(jī)的PLC卡與操作面板接觸。在飛機(jī)零件的基礎(chǔ)上，選取另一種類的零件，用于控制線性導(dǎo)軌中。

圖3 裝配工藝本體模型架構(gòu)

氣缸推動(dòng)電主軸與壓腳同時(shí)移動(dòng)，在壓腳抵住工件表面時(shí)，壓力傳感器識(shí)別出壓力值已到達(dá)擬定的閾值時(shí)，姿態(tài)傳感器開始運(yùn)行，把目前坐標(biāo)角度識(shí)別同時(shí)反饋，假如存在需要就將其進(jìn)行微調(diào)，主軸快速運(yùn)動(dòng)至接近點(diǎn)，隨后憑借擬定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，同時(shí)憑借擬定的遞進(jìn)速度進(jìn)行锪孔鉆，并且啟動(dòng)真空除屑，到達(dá)擬定的锪孔深度時(shí)，主軸會(huì)返回初始位置，關(guān)閉真空，并識(shí)別鉆頭是否出現(xiàn)破損，等待零件移動(dòng)至下一個(gè)鉆孔坐標(biāo)時(shí)，進(jìn)行下一種工作循環(huán)。壓腳壓力識(shí)別使用稱重傳感器，最大的識(shí)別壓力為198 N。

使用數(shù)字光纖傳感器來完成零件尺寸的自動(dòng)測(cè)量與分解識(shí)別。不考慮零件尺寸與裝夾坐標(biāo)如何，都可以實(shí)現(xiàn)零件尺寸的自動(dòng)檢測(cè)，配合主軸遞進(jìn)與壓腳遞進(jìn)的光柵尺，完成锪孔深度的精確控制。

使用兩種增量式封閉式光柵尺，完成壓腳與中州遞進(jìn)距離的識(shí)別，精確度的等級(jí)使用±3 μm，測(cè)量的步矩是0.1 μm。

通過數(shù)據(jù)估算處理，四排零件釘?shù)尼斴d分配如圖4所示。并且進(jìn)行了間隙鏈接釘載測(cè)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。

通過圖4能夠看出，使用離線軟件法以及數(shù)字化柔性裝配方法會(huì)使負(fù)荷材料在間隙鏈接時(shí)，外排釘和內(nèi)排釘具有著較大的分配不均勻狀況，而通過本文方法對(duì)零件進(jìn)行裝配就能夠把這種不均勻的狀況縮減至8 %以內(nèi)，能夠最大限度的提升零件材料的應(yīng)變使用性能，滿足了智能飛機(jī)的高壽命需求。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法對(duì)集成環(huán)境下飛機(jī)零件數(shù)字化裝配時(shí)的優(yōu)勢(shì)，本文接下來對(duì)飛機(jī)零件裝配準(zhǔn)確性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5。

通過圖5能夠看出，使用本文方法使集成環(huán)境下飛機(jī)零件數(shù)字化裝配的準(zhǔn)確性要高于離線軟件法以及數(shù)字化柔性裝配方法，從而證明了應(yīng)用本文方法在飛機(jī)零件數(shù)字化配置工作中的重要性。

3 結(jié)論

圖4 不同方法的釘載分配結(jié)果

圖5 不同方法的裝配準(zhǔn)確率對(duì)比結(jié)果

為了改進(jìn)集成環(huán)境下飛機(jī)零件數(shù)字化裝配工藝方法，使消耗的人力、物力與資源降至最低，本文提出了一種集成環(huán)境下基于MBD的飛機(jī)零件數(shù)字化裝配工藝方法，首先以零件裝配工藝特征與飛機(jī)部件的MBD模型為基礎(chǔ)，構(gòu)建零件裝配工藝的特征模型，分割整體狀態(tài)工藝與工序，建造基于MBD的工序模型，改善工藝設(shè)計(jì)達(dá)到簡易程度，隨后利用本體論對(duì)整體的裝配工藝概念進(jìn)行客觀表示，同時(shí)把裝配流程知識(shí)分化成三種層次：工序?qū)印⒐に噷优c零件工藝數(shù)據(jù)層，憑借層次分化構(gòu)建工藝本體模型，最后將上述特征模型與工序模型進(jìn)行融合，同時(shí)將其應(yīng)用至工藝本體模型內(nèi)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)零件數(shù)字化的裝配工藝。結(jié)果顯示本文方法不僅符合智能飛機(jī)的高壽命要求，還能最大限度提升零件材料的應(yīng)變使用性能。