屈力剛，魏佩振，苑俊超

QU Li-gang,WEI Pei-zhen,YUAN Jun-chao

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110136）

0 引言

飛機(jī)裝配技術(shù)作為衡量飛機(jī)制造技術(shù)水平的高低，對(duì)飛機(jī)的全生命周期起至關(guān)重要的作用。目前國(guó)內(nèi)二維CAPP系統(tǒng)在飛機(jī)裝配過(guò)程中仍起主導(dǎo)作用，飛機(jī)制造過(guò)程中工藝設(shè)計(jì)過(guò)程依據(jù)二維圖紙、裝配技術(shù)要求、相關(guān)產(chǎn)品的裝配工藝、企業(yè)的技術(shù)和工裝條件以及個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出產(chǎn)品的具體裝配流程[1]，并以此形成裝配工藝的主體內(nèi)容，繼而形成對(duì)實(shí)際裝配操作有指導(dǎo)意義的二維圖、工藝規(guī)程（AO）等工藝資料，二維圖紙成為傳遞工藝設(shè)計(jì)與產(chǎn)品裝配的主要手段。飛機(jī)制造企業(yè)通過(guò)這些工藝資料來(lái)指導(dǎo)裝配人員完成產(chǎn)品裝配，通過(guò)人為方式管理來(lái)實(shí)現(xiàn)工藝指令的執(zhí)行貫徹。

沈飛公司作為我國(guó)國(guó)防重點(diǎn)科研生產(chǎn)基地，承擔(dān)眾多型號(hào)飛機(jī)的研制任務(wù)，隨著多型號(hào)任務(wù)的發(fā)展，迫切需要建立企業(yè)自身的飛機(jī)制造工藝體系。要在短時(shí)間內(nèi)高質(zhì)量的完成任務(wù)，必須在制造手段上進(jìn)行突破，改變?nèi)S裝配工藝設(shè)計(jì)環(huán)境和數(shù)控制造環(huán)境與依靠二維工藝文件傳遞工藝信息格格不入的制造方式，徹底消除三維模型與二維圖紙之間的人工轉(zhuǎn)換，在產(chǎn)品裝配的各個(gè)環(huán)節(jié)中，所有操作工人無(wú)須人工閱讀二維圖紙及在大腦中形成產(chǎn)品立體模型并理解具體裝配操作后再進(jìn)行后繼工作，而是從三維可視化瀏覽器中直接對(duì)三維模型進(jìn)行操作。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)可視化系統(tǒng)系統(tǒng)流程及集成架構(gòu)如圖1所示，分為三個(gè)模塊。底層是工藝模型，用于存術(shù)對(duì)工藝信息提取和對(duì)3DVIA Composer開(kāi)發(fā)技術(shù)對(duì)工藝模型輕量化，定義XML形式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將獲取的工藝信息存儲(chǔ)到XML文件，在服務(wù)器端的基礎(chǔ)上，讀取XML文件及加載3DVIA Player組件；客戶(hù)端對(duì)輕量化模型和工藝信息進(jìn)行顯示，支持整個(gè)裝配過(guò)程的所有基于工藝模型的數(shù)據(jù)處理需求，比如：物料清單、工裝、刀量具、標(biāo)準(zhǔn)件等裝配工藝數(shù)據(jù)信息的瀏覽、查詢(xún)。

圖1 基于三維工藝模型的裝配現(xiàn)場(chǎng)可視化系統(tǒng)

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 三維工藝模型的結(jié)構(gòu)與內(nèi)容

三維工藝模型就是數(shù)字化的裝配工藝文件（AO），作為本系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)源之一，我們從工藝設(shè)計(jì)部門(mén)獲取工藝模型，通過(guò)對(duì)工藝模型進(jìn)行分析，明確其內(nèi)部數(shù)據(jù)的組織和結(jié)構(gòu)，獲取可視化瀏覽器所需要的數(shù)據(jù)源。

圖2 三維工藝數(shù)據(jù)模型

設(shè)計(jì)部門(mén)發(fā)放的工藝模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要由基本信息、裝配信息、裝配過(guò)程工藝信息3個(gè)分支構(gòu)成，基本信息描述了該工序過(guò)程的裝配控制碼、名稱(chēng)、狀態(tài)表等管理類(lèi)信息，說(shuō)明這份工藝規(guī)程的使用范圍、有效性等；裝配過(guò)程工藝信息包含了裝配的所有工藝信息，主要描述產(chǎn)品裝配過(guò)程中工人需要什么物料，采取什么方法，在什么位置做什么樣的工作，以及物料、工裝刀量具的詳細(xì)數(shù)量，代號(hào)，配套表詳細(xì)列出了所有的信息；裝配信息主要描述了產(chǎn)品裝配所需要的工裝，以及零部件的裝配順序，通過(guò)三維裝配動(dòng)畫(huà)查看零件的具體裝配操作方法，裝配順序，步驟，裝配路徑等，非常方便工人的現(xiàn)場(chǎng)操作。

2.2 裝配工藝信息提取

裝配過(guò)程工藝信息存儲(chǔ)在工藝模型下的PPR文件中，因此對(duì)于工藝信息的讀取必須利用CATIA/CAA開(kāi)發(fā)技術(shù)。CAA(Component Application Architecture)是法國(guó)達(dá)索公司為了用戶(hù)在使用CATIA 的過(guò)程中根據(jù)所要擴(kuò)展的功能進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)而提供的以VC++語(yǔ)言為基礎(chǔ)的一系列函數(shù)庫(kù)的總稱(chēng)[2,3]。CAA方法進(jìn)行 CATIA 二次開(kāi)發(fā)用到的核心思想是面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì) OOP(Object Oriented Programming)[4]。

要從工藝模型中提取裝配工藝相關(guān)信息，包含以下流程：1）首先獲取PPR文檔對(duì)象指針，CAA中對(duì)象的操作只能通過(guò)它的指針來(lái)完成，初始化文檔，調(diào)用GetRootContainer()函數(shù)獲取文檔的根容器，容器包含所有的對(duì)象。2）通過(guò)根容器再調(diào)用GetAllProcess()函數(shù)，獲得Process列表，即PPR文檔中的ProcessList；Root Activity是ProcessList列表中的第一個(gè)元素，即PPR中的Process節(jié)點(diǎn)，我們可以通過(guò)遍歷ProcessList集合獲取所有的元素。3）通過(guò)CATISPPChildManagement接口，并調(diào)用GetChild()函數(shù)，來(lái)獲process節(jié)點(diǎn)下給定參數(shù)類(lèi)型的所有子元素。4）獲取process列表下的每個(gè)元素，并通過(guò)接口CATISPPActivity調(diào)用GetAttrValue()來(lái)獲取所有的屬性值。通過(guò)以上程序可以迅速的獲取PPR上的工藝信息，記錄所有裝配工藝信息，整理并存入 XML文件，即獲得裝配工藝信息。

圖3 工藝文件信息在PPR中的存儲(chǔ)形式

2.3 三維工藝模型輕量化

工藝信息獲取完成后，需要對(duì)三維模型進(jìn)行輕量化，以便高效的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，圖形快速繪制，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)交互的要求。對(duì)三維工藝模型的輕量化，我們通過(guò)對(duì)3DVIA Composer組件二次開(kāi)發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)。模型輕量化的處理流程如圖4所示。

圖4 模型輕量化處理流程

調(diào)用命令行APIs，3DVIA Conerter.exe＜fileInput＞＜fileSettings.xml＞輸入轉(zhuǎn)化文件，同時(shí) XML配置文件用來(lái)定義文檔的屬性，如模型的精度，輸出格式，物體渲染的資源分配，模型的屬性信息，圖形質(zhì)量等，XML配置文件為批處理文件。在曲面三角化處理時(shí)，本文采用的曲面簡(jiǎn)化算法是通過(guò)精度來(lái)控制三角面片的多少，精度越高，三角形網(wǎng)格的劃分越細(xì)密，三角形面片形成的實(shí)體就越趨近于理想實(shí)體的形狀。文獻(xiàn)[5]對(duì)曲面簡(jiǎn)化做了一種探索，本文在此基礎(chǔ)上做了進(jìn)一步的研究，以便更能方便的利用。三角化處理主要是將實(shí)體表面離散成大量的三角形面片，即以三角形面片的形式來(lái)近似的表示幾何模型。三角形面片的多少由模型的精度控制，模型曲面精度由多邊形的弦高和多邊形相鄰弦的最大夾角控制。因此我們通過(guò)精度控制多邊形的弦高的大?。é牛┖拖噜徬业膴A角的大?。é粒瑏?lái)實(shí)現(xiàn)模型曲面三角化的程度。控制方法如圖5所示。

圖5 幾何模型曲面三角化處理

2.4 基于XML的數(shù)據(jù)交換技術(shù)

由于工藝模型數(shù)據(jù)量巨大，工藝信息讀取、較慢，因此本文提出使用XML作為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換的中間工具。XML是一種簡(jiǎn)單易用的標(biāo)記語(yǔ)言。用它作為數(shù)據(jù)交換接口具有格式良好，可擴(kuò)展性強(qiáng)，高度結(jié)構(gòu)化，容易傳輸?shù)葞讉€(gè)優(yōu)點(diǎn)[6]。

元素是XML文檔的基本單元，XML文檔就是由一個(gè)一個(gè)層層嵌套的元素組成。整個(gè)XML文檔從根元素開(kāi)始，根元素包含若干個(gè)子元素，而每個(gè)子元素又可以包含若干個(gè)子元素，從而可以組織成龐大的XML文檔[7]。元素包含一個(gè)起始標(biāo)簽，一個(gè)結(jié)束標(biāo)簽以及標(biāo)簽之間的數(shù)據(jù)內(nèi)容。元素創(chuàng)建通過(guò)CATIDMElement接口，數(shù)據(jù)內(nèi)容包含名稱(chēng)和值，通過(guò)CATIDOMCDATASection接口創(chuàng)建，并通過(guò)參數(shù)將獲取的結(jié)構(gòu)樹(shù)上的節(jié)點(diǎn)名稱(chēng)、數(shù)值、傳遞到AddElement()中，實(shí)現(xiàn)XML的創(chuàng)建及信息的寫(xiě)入。

對(duì)于PPR結(jié)構(gòu)樹(shù)上的中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，以樹(shù)的形式在XML中以元素的形式存儲(chǔ)，節(jié)點(diǎn)之間的包含關(guān)系以元素之間的嵌套關(guān)系實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)預(yù)定義的模板實(shí)現(xiàn)XML文檔格式的校驗(yàn)。元素類(lèi)型分為簡(jiǎn)單類(lèi)型和復(fù)雜類(lèi)型，簡(jiǎn)單類(lèi)型只能包含字符數(shù)據(jù)如，復(fù)雜類(lèi)型元素可以有子元素和屬性（工步列表），復(fù)雜類(lèi)型通過(guò)complexType來(lái)定義，數(shù)據(jù)內(nèi)容包含名稱(chēng)和值，類(lèi)型通過(guò)CDATA標(biāo)記，語(yǔ)法格式如圖6所示＜[CDATA[文本內(nèi)容]]＞，內(nèi)容為String類(lèi)型。

圖6 XML工藝文件格式

3 三維可視化瀏覽器

可視化瀏覽器是基于B/S結(jié)構(gòu)模式支持下瀏覽工具，集成3DVIA Player組件實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配零部件的旋轉(zhuǎn)、標(biāo)注、測(cè)量和剖切等；三維動(dòng)畫(huà)的播放；產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)與三維模型的對(duì)應(yīng)；解析XML實(shí)現(xiàn)裝配工藝數(shù)據(jù)（物料信息、操作說(shuō)明、綜合信息）瀏覽。

瀏覽器界面采用JAVA語(yǔ)言設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)潔美觀、風(fēng)格統(tǒng)一，操作便捷。解析器使用MSXML4.0進(jìn)行XML文件的解析[8]，使用SAX(A Simple API for XML)方式進(jìn)行解析，該解析方式適合解析大型的XML文件，可以快速提取大型裝配體的相關(guān)信息[9]。

SAX是一種基于事件驅(qū)動(dòng)的API。利用SAX解析XML文檔，涉及到兩部分：解析器和事件處理器。解析器負(fù)責(zé)讀取XML文檔，并向事件處理器發(fā)送事件，而事件處理器則負(fù)責(zé)對(duì)事件作出響應(yīng)，對(duì)傳遞的XML數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[10]。解析器負(fù)責(zé)提供實(shí)現(xiàn)XMLReader接口的解析器類(lèi)，而我們所要做的是編寫(xiě)事件處理器程序。首先創(chuàng)建一個(gè)解析器工廠(chǎng)；其次利用這個(gè)工廠(chǎng)獲取一個(gè)具體的解析對(duì)象；在文檔的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)觸發(fā)文檔處理事件，這個(gè)事件由事件處理器中的startDocument()和endDocument()響應(yīng)，開(kāi)始對(duì)文檔進(jìn)行解析及接受文檔結(jié)束的通知；對(duì)文檔中的每一個(gè)XML元素接受解析的前后觸發(fā)元素事件，分別調(diào)用startElement()和endElement()來(lái)讀取元素名稱(chēng)和內(nèi)容等信息并接受元素結(jié)束的通知。解析結(jié)束后，用指定的樣式表對(duì)XML文檔進(jìn)行轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生HTML頁(yè)面，發(fā)送到客戶(hù)端，用戶(hù)通過(guò)瀏覽器方式查看飛機(jī)裝配工藝信息。

圖7 可視化瀏覽器處理流程

4 現(xiàn)場(chǎng)可視化系統(tǒng)驗(yàn)證

本系統(tǒng)是在 Windows XP系統(tǒng)環(huán)境下，以C++和JAVA作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于三維裝配工藝模型的裝配現(xiàn)場(chǎng)可視化系統(tǒng)。通過(guò) CAA二次開(kāi)發(fā)提取裝配工藝信息儲(chǔ)存于如圖7所示的XML文件，模型輕量化，將這些信息解析后在可視化瀏覽器進(jìn)行顯示，如圖8所示。工人通過(guò)可視化瀏覽器查詢(xún)產(chǎn)品的裝配工藝信息，查看三維裝配指令及通過(guò)多媒體觀看裝配過(guò)程，同時(shí)，也可以瀏覽產(chǎn)品及工裝資源的輕量化模型，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字化裝配工藝數(shù)據(jù)在裝配現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用。

1）模型的輕量化主要是通過(guò)精度來(lái)控制，精度越低，三角形面片越少，經(jīng)過(guò)輕量化的三維工藝模型雖然降低了精確度，但是大大簡(jiǎn)化了零件模型，數(shù)據(jù)大小只有原來(lái)的 1/20～1/50，零件模型更迅速加載，顯示速度更快。圖8輕量化前后的CATIA 模型對(duì)比。

圖8 模型輕量化前后對(duì)比

2）用 XML 格式作為數(shù)據(jù)的中間轉(zhuǎn)換格式，既能統(tǒng)一底層的數(shù)據(jù)資源，又能不局限于某一種系統(tǒng)平臺(tái)而進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞，是一種高效、便捷的數(shù)據(jù)傳輸格式。工藝信息在XML文件中的存儲(chǔ)如圖9所示。

圖9 XML模型工藝信息存儲(chǔ)

三維可視化瀏覽器目前支持以下功能，三維模型的平移、旋轉(zhuǎn)、縮放；三維標(biāo)注距離測(cè)量；創(chuàng)建剖面；三維動(dòng)畫(huà)的播放；產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)與三維模型的關(guān)聯(lián)；工藝信息（物料、綜合、操作說(shuō)明信息）的顯示；現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題反饋。

圖10 三維裝配現(xiàn)場(chǎng)可視化瀏覽器

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)查閱大量參考文獻(xiàn)，分析裝配模型和總結(jié)已有的數(shù)據(jù)交換方法的基礎(chǔ)上提出了一種三維裝配工藝模型的模型輕量化解決方案和基于XML的CAD裝配模型數(shù)據(jù)交換方法，并以此為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)了三維可視化瀏覽器，實(shí)現(xiàn)了工藝文件的快速瀏覽和裝配動(dòng)畫(huà)的現(xiàn)場(chǎng)展示，強(qiáng)化工藝信息的現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)作用。這種三維的數(shù)據(jù)表達(dá)方式更能準(zhǔn)確、直接反映工藝人員的設(shè)計(jì)意圖，減少因數(shù)據(jù)理解不一致導(dǎo)致裝配錯(cuò)誤的可能性，從而提高裝配效率，降低研制成本，有效地促進(jìn)企業(yè)的快速發(fā)展。但是在模型輕量化時(shí)由于采用三角面片來(lái)近似表示零件的幾何形狀，不能精確測(cè)量零件的幾何位置關(guān)系，數(shù)據(jù)壓縮比并不高還存在很大的提升空間，XML作為標(biāo)準(zhǔn)中間數(shù)據(jù)格式也存在一定的不足。

[1] 姜宇峰.三維裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 華中科技大學(xué),2007.5:1-3.

[2] 李自勝,朱瑩,向中凡.基于 CATIA 軟件的二次開(kāi)發(fā)技術(shù)[J].四川工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2003,22(1):19-21.

[3] DassaultSystemes.CAAV5encyclopaedia[C].Paris:DassaultSystemes,2000.

[4] 何朝良,杜廷娜,張超.基于CAA的CATIA二次開(kāi)發(fā)初探[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2006(9):28-30.

[5] 羅顯光,李?lèi)?ài)平,劉雪梅,李軍.基于B-REP的CAD模型與VR模型接口的實(shí)現(xiàn)[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2009.3.

[6] 馮延輝,葉毅峰.XML完全手冊(cè)[M].中國(guó)電力出版社,2000,5.

[7] 李剛.瘋狂XML講義[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.08.

[8] Fabio Arciniegas.Advanced programming guaid with C++XML[M].北京:中國(guó)希望電子出版社,2002.102-357.

[9] 王曉斌,寧濤,王可.3DXML文件格式解析及應(yīng)用[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào),2010(2):33-37.

[10] 孫鑫.JAVA Web開(kāi)發(fā)詳解[M]. 電子工業(yè)出版社.2012.5.