劉 劍， 趙 罡

（北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，北京 100191）

飛機(jī)制造過程的主要環(huán)節(jié)是飛機(jī)裝配。飛機(jī)裝配的過程就是將大量的飛機(jī)零件按圖紙、技術(shù)條件進(jìn)行組合、連接的過程[1]。飛機(jī)裝配由于產(chǎn)品尺寸大、形狀復(fù)雜、零件以及連接件數(shù)量多，所以裝配工作的勞動量占飛機(jī)制造總工作量的50%～60%[2]。因此，在整個制造過程中飛機(jī)裝配生產(chǎn)是一項(xiàng)技術(shù)難度大、涉及學(xué)科領(lǐng)域多的綜合性集成技術(shù)，它在很大程度上決定了飛機(jī)的最終質(zhì)量、制造成本和周期。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外對裝配領(lǐng)域進(jìn)行了多方面的研究，Sankar等基于面向裝配的設(shè)計(jì)(DFA,Design For Assembly)思想，介紹了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的產(chǎn)品裝配工藝規(guī)劃[3]；Michel等提出了一種基于等價二叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜產(chǎn)品裝配序列表達(dá)與最優(yōu)化方法[4]；趙慶丹闡述了基于產(chǎn)品預(yù)裝配功能自動生成飛機(jī)裝配工序的方法[5]；孫中雷對DELMIA仿真系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)，構(gòu)建了基于JAVA和VRML的裝配仿真與可視化環(huán)境[2]。但是，從應(yīng)用角度來看，目前的研究大多都是面向產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的上游階段，缺少面向?qū)嶋H裝配生產(chǎn)過程方面的研究[6]。主要存在的問題有，缺乏與企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過程相結(jié)合，不能滿足生產(chǎn)異地協(xié)同和數(shù)據(jù)唯一性的要求，缺乏對生產(chǎn)過程進(jìn)行管理與控制[2]；裝配仿真集中于產(chǎn)品零部件幾何樣機(jī)級別，忽略了大量裝配過程信息，如車間現(xiàn)場，工裝工具，人機(jī)工程等[5]，難以滿足生產(chǎn)培訓(xùn)和示教需求。

裝配可視化(Assembly Visualization)是指將現(xiàn)實(shí)中的裝配流程和零部件的動態(tài)裝配過程在計(jì)算機(jī)上仿真出來[6]。本文針對上述問題，以國內(nèi)航空制造企業(yè)裝配車間實(shí)際生產(chǎn)為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)車間級別，基于 Web的飛機(jī)裝配可視化系統(tǒng)，以指導(dǎo)和管理實(shí)際生產(chǎn)過程為目的，集成工藝資源，動態(tài)仿真裝配過程，發(fā)布可視化文件，提供操作規(guī)范；合理規(guī)范管理生產(chǎn)數(shù)據(jù)，開發(fā)面向不同角色成員的功能模塊，從而提高裝配水平和生產(chǎn)效率。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 異地協(xié)同的數(shù)據(jù)唯一性保持

飛機(jī)裝配生產(chǎn)工藝過程復(fù)雜，工作地點(diǎn)位置分散，需要不同部門、不同成員之間相互協(xié)同工作。因此，本系統(tǒng)利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在裝配車間局域網(wǎng)內(nèi)架設(shè)Web系統(tǒng)，采用底層開放協(xié)議，可在企業(yè)局域網(wǎng)內(nèi)做到無縫連接，從而有效地解決了部門、成員之間的異地協(xié)同問題，實(shí)現(xiàn)參與裝配生產(chǎn)人員之間適時的信息共享與數(shù)據(jù)傳遞。

實(shí)現(xiàn)車間裝配制造過程協(xié)同的關(guān)鍵是保證協(xié)同數(shù)據(jù)源的唯一性。 飛機(jī)裝配車間內(nèi)存在大量繁多復(fù)雜的產(chǎn)品、工裝工具、工藝等數(shù)據(jù)，并且生產(chǎn)過程中還存在成員、批次、進(jìn)度等其他信息。這些信息相對分散孤立，而且相互間的邏輯關(guān)系也不清晰。從應(yīng)用角度考慮，不利于系統(tǒng)的使用和管理。因此，利用單一數(shù)據(jù)源思想管理裝配車間的各種信息，從而可以保障生產(chǎn)協(xié)同。單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源 SSPD (Single Source of Product Data)，通過建立產(chǎn)品數(shù)據(jù)的邏輯聯(lián)系，將物理上分布的數(shù)據(jù)形成邏輯上的統(tǒng)一整體，為數(shù)據(jù)的訪問與操作提供唯一的數(shù)據(jù)源?；赟SPD可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的一致性、完整性、最新性、可靠性和無冗余[7]。

裝配車間中常用的信息包括：裝配體/零件信息、資源信息（包括工藝裝備、工具、成員等）、工藝信息（包括仿真可視化文件、工藝規(guī)程、操作說明、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、檢驗(yàn)參數(shù)等）、成員信息、過程管理等生產(chǎn)信息。將車間中各種與生產(chǎn)相關(guān)的信息按照它們之間固有的邏輯關(guān)系組織在一起，應(yīng)用單一數(shù)據(jù)源思想，按照車間單一數(shù)據(jù)源信息模型，建立車間單一數(shù)據(jù)源負(fù)責(zé)信息的管理和維護(hù)，同時作為信息發(fā)布平臺為其它系統(tǒng)提供底層信息支持，構(gòu)成車間進(jìn)行協(xié)同工作的基礎(chǔ)。按照裝配車間各種信息之間固有的邏輯關(guān)系，并考慮到本系統(tǒng)實(shí)際使用的需求，對車間各種信息進(jìn)行統(tǒng)一管理，構(gòu)建了如圖1所示的車間單一數(shù)據(jù)源信息模型。

圖1 裝配車間單一數(shù)據(jù)源信息模型

應(yīng)用單一數(shù)據(jù)源思想，通過對現(xiàn)有的車間信息進(jìn)行整合、組織，構(gòu)建車間單一數(shù)據(jù)源信息模型，消除了原有分散管理模式中信息分散、邏輯關(guān)系不清晰、不利于管理與使用的弊端，既滿足了系統(tǒng)對信息數(shù)據(jù)唯一性的需求，又能利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)對車間信息進(jìn)行集中和高效的管理、提高車間生產(chǎn)效率、促進(jìn)車間各個信息系統(tǒng)之間的信息共享和交換。

2.2 裝配流程劃分

裝配流程劃分是裝配工藝流程設(shè)計(jì)最核心的內(nèi)容，它以裝配工藝樹為基礎(chǔ)[1]。裝配工藝樹以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹為基礎(chǔ)建立。飛機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹是按照其設(shè)計(jì)分離面進(jìn)行劃分的，是從產(chǎn)品的構(gòu)型上描述各零、組件的父子關(guān)系，表示飛機(jī)各零組件在結(jié)構(gòu)上的關(guān)系，其節(jié)點(diǎn)全是實(shí)體-裝配件或者零件。但裝配工藝結(jié)構(gòu)樹是按照其設(shè)計(jì)裝配工藝分離面進(jìn)行劃分，它從工藝流程上描述產(chǎn)品的裝配過程，側(cè)重的是工作任務(wù)的安排，不僅體現(xiàn)了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的父子關(guān)系，而其體現(xiàn)了零部件裝配的先后順序，其節(jié)點(diǎn)中既有實(shí)體，又有裝配工序。裝配工藝樹與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹相比，零件間及其數(shù)量均不發(fā)生變化，部件之間的安裝關(guān)系不發(fā)生變化，但是工藝結(jié)構(gòu)樹增加或減少了工藝構(gòu)型節(jié)點(diǎn)，并且修改或移動節(jié)點(diǎn)子樹。裝配工藝樹的確定，一方面要對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致的分析，另一方面也要考慮到互換協(xié)調(diào)性、裝配工藝設(shè)備的利用和節(jié)點(diǎn)完整性等問題。圖2所示為裝配工藝樹示例。

圖2 裝配工藝樹示例

裝配工藝樹形成之后，就需要對裝配的流程進(jìn)行工藝劃分，依據(jù)裝配關(guān)系，按照裝配工作中相對獨(dú)立的工作內(nèi)容、一定的工作量以及工位、工種等經(jīng)行劃分。本文從裝配車間生產(chǎn)過程出發(fā)，以工作項(xiàng)目來劃分裝配流程，流程單元是按照生產(chǎn)過程本身來組織的，有利于組織生產(chǎn)的組織和管理。流程中的每一項(xiàng)工作，對應(yīng)輸出其可視化指導(dǎo)文件。對劃分后的流程節(jié)點(diǎn)，按照基本進(jìn)度計(jì)劃的要求，得出各節(jié)點(diǎn)的生產(chǎn)周期，并按照實(shí)際生產(chǎn)條件，經(jīng)行周期的平衡和優(yōu)化，以此作為生產(chǎn)批次管理的基本單元。

2.3 裝配過程可視化

2.3.1 仿真系統(tǒng)

裝配過程仿真應(yīng)當(dāng)充分考慮裝配生產(chǎn)中場地、零部件、工裝工具、輔助設(shè)備、人機(jī)工程等因素，對裝配過程進(jìn)行動態(tài)仿真，驗(yàn)證裝配可行性，然后輸出可視化文件。裝配過程可視化文件，更符合人的認(rèn)知規(guī)律，使現(xiàn)場工人能夠直觀、準(zhǔn)確、迅速地獲得裝配過程中需要的信息，可以大大提高裝配的準(zhǔn)確性和裝配效率，有效縮短裝配時間。

本文采用航空企業(yè)普遍使用的 DELMIA(Digital Enterprise Lean Manufacturing Interaction Application，數(shù)字企業(yè)精益制造交互式應(yīng)用)解決方案對飛機(jī)裝配過程進(jìn)行動態(tài)仿真。DEMMIA系統(tǒng)便于共享產(chǎn)品數(shù)字化模型，該系統(tǒng)以“數(shù)字化制造技術(shù)”為核心, 重點(diǎn)解決制造過程的仿真問題, 提供定義和模擬數(shù)字化制造流程的各項(xiàng)功能, DELMIA數(shù)字制造解決方案可以使制造部門設(shè)計(jì)數(shù)字化產(chǎn)品的全部生產(chǎn)流程，在部署實(shí)際材料和機(jī)器之前進(jìn)行虛擬演示。

2.3.2 裝配過程仿真

應(yīng)用 DELMIA系統(tǒng)仿真艙門裝配過程的流程如圖3所示，以數(shù)字化模型代替實(shí)體，在計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下進(jìn)行裝配過程的模擬及工藝流程分析, 確保產(chǎn)品的可裝配性, 并合理規(guī)劃及布置裝配資源[8]。

圖3 裝配仿真流程

首先，將數(shù)據(jù)規(guī)劃為產(chǎn)品和資源，并將規(guī)劃好裝配工藝導(dǎo)入 DELMIA系統(tǒng)中。包括車間現(xiàn)場布局，工裝、工具，待裝配零部件數(shù)模，以及虛擬人模型，并確定其初始狀態(tài)。利用已有的裝配工藝流程信息(Process)、產(chǎn)品信息(Product)，資源信息(Resource)在定義好每個零件所在裝配體約束定位的基礎(chǔ)上，在 DELMIA環(huán)境中基于拆卸法由外而內(nèi)進(jìn)行裝配順序規(guī)劃，由三維羅盤控制子裝配體的三維坐標(biāo)，得到裝配體拆卸過程中的拆卸起點(diǎn)和終點(diǎn)，用仿真記錄器記錄該起點(diǎn)和終點(diǎn)即可得到一條初始拆卸路徑，在初始路徑上添加中間控制點(diǎn)，生成新的拆卸路徑。所添加的控制點(diǎn)是否合理需要通過觀察以及干涉檢查等手段來進(jìn)行判斷，并不斷的進(jìn)行優(yōu)化，最終得到較好的拆裝路徑。產(chǎn)品的裝配路徑通過對拆卸路徑進(jìn)行反向操作得到。

在仿真過程中對每個零、組件、成品、工裝等進(jìn)行干涉檢查，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)零件之間、零件與工裝之間存在干涉情況時予以報(bào)警，根據(jù)干涉區(qū)域和干涉量，進(jìn)行查找、分析干涉的原因，進(jìn)而排除問題。引入裝配工具的三維實(shí)體模型，對工具與產(chǎn)品、工裝進(jìn)行三維動態(tài)仿真，有效驗(yàn)證裝配協(xié)調(diào)性、工具的可達(dá)性、操作空間的開放性。

在產(chǎn)品和制造資源的仿真基礎(chǔ)上，再將于Human Builder模塊中定義好的三維人體模型引入設(shè)置好的環(huán)境中進(jìn)行人體和其所制造、安裝、操作等與產(chǎn)品之間互動關(guān)系的動態(tài)仿真，分析操作人員在該環(huán)境中的姿態(tài)、負(fù)荷、舒適度等，驗(yàn)證人體操作的可達(dá)性、舒適性，進(jìn)一步優(yōu)化工藝流程和制造資源。 最后，利用以上裝配過程的三維數(shù)字化仿真功能，將整個裝配過程記錄下來，形成可以播放的影片格式，發(fā)布在系統(tǒng)頁面中。指導(dǎo)現(xiàn)場操作人員進(jìn)行飛機(jī)裝配，幫助工人直觀認(rèn)識操作全過程。圖4為子組件裝配中框中段的定位仿真過程，虛擬人將框放置于工裝上，并經(jīng)行定位的過程。

圖4 仿真裝配過程

2.4 三維交互的實(shí)現(xiàn)方法

DELMIA裝配工藝仿真功能強(qiáng)大，但是所輸出的可視化演示視頻文件格式無法交互。因此使用3DVIA Composer解決方案，制作過程文檔動畫，與 DELMIA系統(tǒng)輸出的可視化文件結(jié)合應(yīng)用于系統(tǒng)中。3DVIA Composer是由Dassault開發(fā)的圖形軟件，具備強(qiáng)大的幀動畫功能，可以制作內(nèi)容豐富，直觀簡潔的說明文檔。并且提供ActiveX控件，易于實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)的集成，實(shí)現(xiàn)三維交互功能。瀏覽器端交互演示 3DVIA composer創(chuàng)建的動畫文檔，需在客戶端安裝3DVIA Player插件，主機(jī)端編程頁面內(nèi)使用