中航飛機(jī)西安飛機(jī)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(jī)設(shè)計(jì)與制造模式、縮短飛機(jī)生產(chǎn)周期并降低生產(chǎn)成本、提高飛機(jī)生產(chǎn)質(zhì)量的重要技術(shù)手段。以波音為主的世界先進(jìn)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(guó)機(jī)械產(chǎn)品工程模型定義的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。事實(shí)上，波音2004年啟動(dòng)的787項(xiàng)目研發(fā)過(guò)程就是MBD技術(shù)的應(yīng)用與推廣過(guò)程，大大促進(jìn)了航空行業(yè)數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用[1-2]。目前，國(guó)內(nèi)主要飛機(jī)制造企業(yè)在飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)方面發(fā)展較快，很多型號(hào)設(shè)計(jì)已經(jīng)采用了全三維的數(shù)字樣機(jī)，制造、裝配工藝規(guī)劃的數(shù)字化也取得了很大進(jìn)展[3]。

我國(guó)大型客機(jī)的研制階段也采用MBD技術(shù)，已經(jīng)實(shí)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(jì)，目前已經(jīng)形成了原型系統(tǒng)。該原型系統(tǒng)基于達(dá)索DELMIA軟件平臺(tái)，在DELMIA/DPE模塊中通過(guò)裝配工藝結(jié)構(gòu)模板進(jìn)行裝配工藝規(guī)劃，然后通過(guò)DELMIA/DPM模塊進(jìn)行裝配仿真驗(yàn)證，最后通過(guò)3DVIAComposer進(jìn)行工藝文件發(fā)布[4-5]。

與傳統(tǒng)的裝配工藝設(shè)計(jì)相比，基于MBD的裝配工藝設(shè)計(jì)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(jì)研究的一個(gè)主要方面，主要包括工藝結(jié)構(gòu)模板的定制、工藝設(shè)計(jì)過(guò)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(jì)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(dòng)更新機(jī)制、工藝活動(dòng)的表達(dá)、工藝信息的三維可視化表達(dá)等，它們是基于MBD的裝配工藝設(shè)計(jì)研究的第二個(gè)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(jì)研究的重要組成部分，其中包括標(biāo)準(zhǔn)裝配工藝的建立、三維虛擬裝配的自動(dòng)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(dòng)化仿真技術(shù)是眾多應(yīng)用的核心支撐技術(shù)，所以本項(xiàng)目對(duì)其進(jìn)行深入研究。

在基于MBD的裝配工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中，三維裝配仿真技術(shù)是裝配工藝模型重要的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證與優(yōu)化手段，其主要作用有：（1）裝配順序仿真，主要驗(yàn)證零件裝配順序的合理性；（2）裝配干涉仿真，主要驗(yàn)證工裝、工具等設(shè)計(jì)合理性以及零件裝配路徑的合理性；（3）裝配對(duì)象仿真，主要檢驗(yàn)零件與工裝是否缺少或者冗余。從這可以看到，三維飛機(jī)裝配工藝設(shè)計(jì)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(yàn)，尤其是其虛擬人動(dòng)作設(shè)置過(guò)程繁瑣，造成目前的裝配工藝設(shè)計(jì)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(jì)中的虛擬裝配自動(dòng)化仿真技術(shù)具有現(xiàn)實(shí)的理論意義和應(yīng)用價(jià)值，是提高工藝設(shè)計(jì)效率、充分利用三維模型進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。本研究中，裝配仿真的自動(dòng)化涉及到裝配工藝的表達(dá)與解析方法、工藝活動(dòng)的建模、虛擬人動(dòng)作建模方法以及仿真結(jié)果評(píng)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(shí)現(xiàn)裝配操作仿真的自動(dòng)化，需要建立面向裝配仿真的標(biāo)準(zhǔn)裝配工藝信息模型，實(shí)現(xiàn)從模型表達(dá)上就支持裝配操作動(dòng)作仿真，因?yàn)檠b配仿真中自動(dòng)約束識(shí)別算法隨著零件形狀的復(fù)雜程度增長(zhǎng)而急劇增長(zhǎng)，難以快速自動(dòng)捕捉裝配約束關(guān)系。采用語(yǔ)義進(jìn)行裝配工藝的描述被認(rèn)為是解決這一問題的有效方法，因?yàn)檠b配工藝指令本身就是通過(guò)自然語(yǔ)言來(lái)描述的，所以本研究中采用語(yǔ)義抽象方法建立裝配工藝信息模型與標(biāo)準(zhǔn)化。裝配語(yǔ)義是對(duì)裝配零部件間裝配關(guān)系的抽象表達(dá)，蘊(yùn)含了裝配零部件間的約束個(gè)數(shù)和類型、約束順序以及工程約束和2個(gè)裝配對(duì)象（零件或部件）。首先對(duì)飛機(jī)裝配工藝進(jìn)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(yǔ)義從頂層可以分為鉚釘聯(lián)接、焊接聯(lián)接、螺紋聯(lián)接語(yǔ)義、鍵槽配合語(yǔ)義、軸孔配合語(yǔ)義、平面定位語(yǔ)義、傳動(dòng)語(yǔ)義、特殊語(yǔ)義等。另外通過(guò)定義基本語(yǔ)義與復(fù)合語(yǔ)義來(lái)描述所有裝配關(guān)系，其中基本語(yǔ)義只包含1個(gè)基本定位約束，不包含任何工程約束的語(yǔ)義，而復(fù)合語(yǔ)義則包括多個(gè)定位約束。

在裝配語(yǔ)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(yǔ)義模型4部分，見表1。約束的類型屬性表達(dá)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(duì)齊、線對(duì)齊、重合、定角、相切和坐標(biāo)系等。約束定義在2個(gè)零件的幾何元素之間，組成屬性描述這2個(gè)零件及相應(yīng)幾何元素的識(shí)別信息。結(jié)合飛機(jī)裝配工藝，語(yǔ)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(duì)每種語(yǔ)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(jì)、工裝設(shè)計(jì)、仿真、檢驗(yàn)等有關(guān)的數(shù)字化信息，但這些信息對(duì)于虛擬維修而言并不都是必需的，需要根據(jù)維修機(jī)構(gòu)對(duì)航空裝備維修的實(shí)際需求配置、定制需要的數(shù)據(jù)集，剔除不會(huì)被用到或極少被用到的那些數(shù)據(jù)。

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

ISO10303-214采用EXPRESS語(yǔ)言來(lái)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(yǔ)言，是UML（Unified Modeling Language）語(yǔ)言的前身?；贗SO10303-AP214描述的工藝模型可以采用XML語(yǔ)言進(jìn)行存儲(chǔ)，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(jī)器可識(shí)別的方式記錄文件信息，具有良好的跨平臺(tái)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(dòng)態(tài)映射機(jī)制

動(dòng)態(tài)工藝模型擬采用分層次Petri網(wǎng)進(jìn)行描述，Petri網(wǎng)是離散事件建模的有效工具，是由節(jié)點(diǎn)與弧組成的有向圖。在Petri網(wǎng)中，庫(kù)所表明了“狀態(tài)”，而變遷刻畫了狀態(tài)的“變化”，變遷的啟動(dòng)由其啟動(dòng)規(guī)則來(lái)進(jìn)行控制。Petri網(wǎng)模型采用圖形化的方式描述工序以及對(duì)共享資源的需求機(jī)制，通過(guò)對(duì)描述工藝活動(dòng)的Petri網(wǎng)進(jìn)行分析，可以分析工序之間對(duì)資源規(guī)劃的合理性?？紤]到飛機(jī)裝配工藝的復(fù)雜性，根據(jù)裝配層次關(guān)系，擬采用分層Petri網(wǎng)來(lái)建立動(dòng)態(tài)工藝模型，描述裝配活動(dòng)。

Falkman等[6]采用過(guò)程代數(shù)結(jié)合Petri網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)描述工藝動(dòng)態(tài)模型，過(guò)程代數(shù)用來(lái)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(dòng)，滿足動(dòng)態(tài)工藝建模的需求。本研究在此基礎(chǔ)上，將ISO10303-AP214標(biāo)準(zhǔn)描述的靜態(tài)工藝模型按照表2所示的方法進(jìn)行映射，結(jié)合過(guò)程代數(shù)操作，將其轉(zhuǎn)化成Petri網(wǎng)描述的動(dòng)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(dòng)態(tài)工藝模型對(duì)裝配工藝過(guò)程進(jìn)行了描述，按照工藝信息模型的裝配數(shù)表達(dá)的裝配工藝活動(dòng)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(dòng)態(tài)工藝模型。

裝配指令動(dòng)作的參數(shù)化建模

在動(dòng)畫仿真領(lǐng)域以及人工智能領(lǐng)域，為了實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景中的角色，特別是虛擬人能夠理解自然語(yǔ)言進(jìn)行自主化、智能化動(dòng)作，大多采用參數(shù)化的動(dòng)作表達(dá)模型。以美國(guó)賓州大學(xué)的Balder[7]等為代表，結(jié)合美國(guó)軍方的DEPTH項(xiàng)目以及AnimNL項(xiàng)目，采用參數(shù)化動(dòng)作表達(dá)直接將以自然語(yǔ)言描述的維修工作步驟轉(zhuǎn)換為動(dòng)作指令，并通過(guò)Jack人體建模軟件進(jìn)行人機(jī)維修動(dòng)作的可視化。本研究在Balder等研究基礎(chǔ)上，結(jié)合語(yǔ)義描述的裝配工藝指令，通過(guò)對(duì)Petri網(wǎng)動(dòng)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(dòng)作描述方法：首先，對(duì)自然語(yǔ)言描述的裝配工藝進(jìn)行分層，比如鉚接工藝就包含一系列的工步，每一工步對(duì)應(yīng)相應(yīng)的人體動(dòng)作。按照Petri網(wǎng)描述的工藝動(dòng)態(tài)模型，對(duì)工藝信息模型進(jìn)行解析，將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的人機(jī)動(dòng)作描述指令，每條動(dòng)作描述指令包含如下信息： 角色對(duì)象、執(zhí)行對(duì)象、動(dòng)作執(zhí)行滿足條件、執(zhí)行動(dòng)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(dòng)作包括的子動(dòng)作等。工步的實(shí)現(xiàn)包含一系列動(dòng)作，通過(guò)對(duì)動(dòng)作進(jìn)行分解，可以定義一些基本動(dòng)作（如移動(dòng)、抓取、伸手等），建立基本動(dòng)作庫(kù)，當(dāng)上層動(dòng)作執(zhí)行時(shí)可以調(diào)用這些基本動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的復(fù)用，提高設(shè)置效率。結(jié)合DELMIA/Human人體模型庫(kù)，實(shí)現(xiàn)虛擬人裝配動(dòng)作仿真。人機(jī)仿真過(guò)程中，當(dāng)有操作空間、操作姿勢(shì)、操作路徑不滿足設(shè)定的參數(shù)時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)進(jìn)行錯(cuò)誤報(bào)告，提示工藝人員進(jìn)行裝配工藝的調(diào)整。

緊固件的拆裝動(dòng)作是裝配過(guò)程中最普遍和最頻繁的裝配動(dòng)作，本文主要對(duì)緊固件的裝配動(dòng)作進(jìn)行參數(shù)化建模。通過(guò)修改模型參數(shù)，以生成適應(yīng)特定應(yīng)用場(chǎng)景的裝配動(dòng)作。由于不同緊固件操作特點(diǎn)有所區(qū)別，因此不同緊固件同一種裝配動(dòng)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)?；P3類包括各種鉚釘及定位銷等。本文分別對(duì)上述3類緊固件的裝配動(dòng)作進(jìn)行參數(shù)建模。此外，緊固件的拆裝過(guò)程中，操作者的動(dòng)作和緊固件本身的工程屬性密切相關(guān)，例如螺距、螺紋長(zhǎng)度等。P1和P2類緊固件的裝配動(dòng)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(dòng)作；UnScrew指操作者旋出P1和P2包含的人體動(dòng)作；Tighten指操作者使用工具擰緊P1和P2所包含的人體動(dòng)作；UnTighten指操作者使用工具擰出P1和P2所包含的人體動(dòng)作。P3類緊固件的裝配動(dòng)作主要包括插入（Insert）和敲打（Beat），即操作者將使用工具重復(fù)敲擊P3類緊固件所包含的人體動(dòng)作。

P1、 P2和 P3類緊固件的裝配動(dòng)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(gè)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(zhǎng)度及插入深度；、、分別表示P類緊固件螺紋2長(zhǎng)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(yù)定的旋入深度l1P1徒手將P1旋入到對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)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(guò)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(guò)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(guò)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(dòng)作的仿真速度，通過(guò)設(shè)置它的大小可調(diào)節(jié)裝配動(dòng)作的快慢；Screw、UnScrew、Tighten和UnTighten表示P1類緊固件裝配動(dòng)作的具體生成方法，將上述方法的參數(shù)輸入到對(duì)應(yīng)的方法中，則自動(dòng)生成該裝配動(dòng)作的虛擬人裝配操作姿態(tài)序列及操作對(duì)象的裝配關(guān)鍵點(diǎn)序列，由前文操作過(guò)程信息模型的定義，旋入或擰緊動(dòng)作的裝配操作序列表達(dá)如下：

式中有2層含義，首先，表示裝配動(dòng)作仿真過(guò)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(dòng)作所需要進(jìn)行重復(fù)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(dòng)作中P1的裝配關(guān)鍵點(diǎn)序列，與虛擬人裝配操作姿態(tài)一一對(duì)應(yīng)；···,··為擰緊裝配動(dòng)作過(guò)程中操作工具的裝配關(guān)鍵點(diǎn)序列。

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

結(jié)束語(yǔ)

虛擬裝配技術(shù)已廣泛應(yīng)用在航空產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造中，虛擬人操作仿真與評(píng)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(zhǔn)確度，滿足并行裝配設(shè)計(jì)的需求，本文通過(guò)對(duì)飛機(jī)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(yǔ)義的裝配工藝信息模型；并建立映射機(jī)制，將靜態(tài)工藝信息模型自動(dòng)轉(zhuǎn)換為動(dòng)態(tài)裝配操作模型；同時(shí)以緊固件操作為例，建立了人機(jī)裝配動(dòng)作的參數(shù)化驅(qū)動(dòng)方法，進(jìn)而改變目前手工進(jìn)行工藝仿真邏輯設(shè)置的模式，提高人機(jī)裝配仿真的效率。

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