面向飛機數(shù)字化裝配的MBD模型裝配信息提取技術(shù)

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所 潘 青

隨著時代的發(fā)展，科技的進步，人們對產(chǎn)品的需求日趨多樣化，市場競爭也日趨激烈，對制造業(yè)及制造技術(shù)提出了更高的要求。特別是飛機產(chǎn)品，零件數(shù)目眾多，協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)多，尤其是飛機裝配過程的工作量要占到整個飛機制造勞動量的40%～50%。因此，要快速響應市場需求，保證高標準的裝配準確度，完全控制裝配過程中的裝配誤差，必須要大力發(fā)展飛機的柔性裝配、數(shù)字化裝配等先進裝配技術(shù)。以波音為首的國外飛機制造企業(yè)平均每10年就推出新一代軍民機型，并一直引領(lǐng)國際最先進的飛機裝配技術(shù)水平。

要想掌握柔性裝配技術(shù)，使其在實際的生產(chǎn)制造中發(fā)揮作用，就應該將自動制孔技術(shù)、數(shù)字化裝配工藝及仿真技術(shù)，柔性工裝、先進連接等關(guān)鍵技術(shù)作為突破點，對這些技術(shù)涉及到的設(shè)備、工藝等方面完全吃透，然后以此作為基礎(chǔ)，再以軍或民機某部件裝配作為應用對象，建立以自動鉆鉚制孔、機器人制孔為核心的自動化/半自動化裝配生產(chǎn)線。另一方面，為填補國內(nèi)的技術(shù)空白，提高制孔效率和制孔精度，需要對自動化柔性制孔技術(shù)進行研究，實現(xiàn)飛機部件裝配過程中的自動化柔性制孔[1]。

在飛機裝配過程中，有大量的連接孔需要加工，目前一架大型飛機上約有150～200萬個連接件，其互連方法仍多采用機械連接。在國內(nèi)，飛機零部件裝配仍以手工制孔為主，這對人力、物力的要求是巨大的，更重要的是制孔質(zhì)量低，連接質(zhì)量難以滿足較高疲勞壽命的要求，并且加工效率也低。國外飛機先進裝配技術(shù)的應用證明，采用自動化柔性制孔技術(shù)不僅能夠提高制孔效率和精度，還能夠節(jié)約成本，改善勞動條件，并能大大減少人為因素造成的影響，更好地保證裝配質(zhì)量。

2 數(shù)字化裝配的MBD模型

MBD（Model Based Definition）技術(shù)，即基于模型定義，是一個用集成的三維實體模型來完整表達產(chǎn)品定義信息的方法，在三維實體模型中包含產(chǎn)品尺寸、公差等的制造信息定義和表達。MBD 使三維實體模型作為生產(chǎn)制造過程中的唯一依據(jù)，改變了傳統(tǒng)以二維工程圖紙為主，而以三維實體模型為輔的制造方法。將產(chǎn)品的所有相關(guān)設(shè)計、工藝、制造屬性以及管理等信息附著在產(chǎn)品三維模型中的產(chǎn)品數(shù)字化定義方法[2]。

MBD數(shù)據(jù)模型是通過圖形和文字表達的方式，直接地或通過引用間接地揭示了一個物料項的物理和功能需求。MBD數(shù)據(jù)模型分為裝配數(shù)據(jù)模型和零件數(shù)據(jù)模型。MBD零件數(shù)據(jù)模型由以簡單幾何元素構(gòu)成的、用圖形方式表達的設(shè)計模型和以文字表達的注釋、屬性數(shù)據(jù)組成。MBD裝配數(shù)據(jù)模型則由一系列MBD零件數(shù)據(jù)模型組成的裝配零件列表加上以文字表達的注釋和屬性數(shù)據(jù)組成[3]。

當前，我國航空制造業(yè)的數(shù)字化技術(shù)應用發(fā)展迅速，MBD 技術(shù)的引入和工程實踐也已開展多年，并且三維數(shù)字化設(shè)計和MBD 技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計中已得到了成功深入的應用，這對下游的航空制造企業(yè)提出了新的迫切要求。建立適應我國航空制造企業(yè)的MBD 技術(shù)應用推廣路線和技術(shù)體系，使得MBD 數(shù)字化模型貫穿于整個產(chǎn)品生命周期的數(shù)字化制造過程中，建立基于MBD 模型的數(shù)字化設(shè)計制造一體化集成應用體系，達到無圖紙、無紙質(zhì)工作指令的三維數(shù)字化集成制造，是縮短產(chǎn)品研制周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，保證產(chǎn)品研制節(jié)點的迫切需求。

3 CATIA模型裝配制孔孔位信息提取方法

飛機產(chǎn)品的模型均采用CATIA進行設(shè)計，CATIA模型文件有兩種類型，一種為單個零件的模型文件，后綴名為CATPart，該類型文件中只有一個零件對象；另一種為多個零件裝配模型文件，后綴名為CATProduct。每一CATIA模型文件中均包含有一個產(chǎn)品特征樹，該特征樹以樹狀結(jié)構(gòu)組織產(chǎn)品設(shè)計過程中產(chǎn)生的各種不同類型的元素對象，包括各種幾何信息和文本信息，既可以清晰地顯示產(chǎn)品設(shè)計過程的層次結(jié)構(gòu)，又可以保存設(shè)計元素之間的相互關(guān)系。設(shè)計人員在進行飛機產(chǎn)品設(shè)計時，結(jié)合飛機制造裝配過程中所需要信息，對數(shù)模的特征樹進行規(guī)范化定義，將同一類信息保存在相同的根結(jié)點中，供工藝人員、編程人員使用。

在進行飛機部件組裝和總裝時，最需要知道的信息就是哪兩個部件要進行連接，連接區(qū)域要使用何種類型、何種規(guī)格的緊固件以及緊固件的排列方式和數(shù)量。根據(jù)緊固件的規(guī)格確定所制孔的大小和深度，孔口是否需要劃平。在采用基于MBD的三維模型建模技術(shù)后，這些信息都分類保存在產(chǎn)品裝配模型文件的特征樹中。因此，采用CATIA的二次開發(fā)技術(shù)對特征樹進行遍歷、根據(jù)預定的關(guān)鍵字進行搜索，找到相應的結(jié)點，再進行分析，便可得到相應的裝配制孔孔位信息。

3.1 CATIA 零件模型文件的獲取

要從 CATIA 裝配模型文件中提取信息, 首先要遍歷模型文件中唯一存在的特征樹, 獲取裝配件模型指針，根據(jù)裝配件模型指針獲取裝配件所包含的所有零件的模型文件指針, 根據(jù)各個零件的模型文件指針獲取記錄緊固件定義的幾何圖形集指針，再通過幾何圖形集指針獲得進一步的信息。

在獲得CATIA 模型結(jié)構(gòu)樹的根指針時，首先得到裝配件模型文件名稱，通過文件名稱獲得模型文檔指針（CATIDocument），再由模型文檔指針取得裝配件模型指針（CATIProduct），調(diào)用 CATIProduct 的函數(shù) GetChildren（）獲得根目錄結(jié)點，循環(huán)判斷每個結(jié)點是否為零件模型（CATPART）。如果是，則獲得零件模型指針；如果不是，則該節(jié)點為裝配體模型指針（CATIProduct），遞歸調(diào)用CATIProduct 的GetChildren函數(shù)得到次級裝配體根目錄下的結(jié)點，重復此操作直到獲得所有的零件模型指針。獲得零件模型指針（CATIProduct）之后，據(jù)此獲得零件模型的文檔對象（CATDocument），初始化零件結(jié)點，并調(diào)用函數(shù)GetRootContainer可以獲得零件結(jié)點的容器，再調(diào)用函數(shù)GetPart（）獲得零件結(jié)點對象（CATIPrtPart），根據(jù)零件結(jié)點對象的CATIDescendants接口獲取零件的所有子零件，獲得子零件的特征接口（CATISpecObject）后，對所有特征進行遍歷判斷其是否還有下一級子結(jié)點，如果有，則遞歸取次級零件。對次級零件再取其所有子結(jié)點并獲得子結(jié)點零件的特征接口，再對所有子特征進行遍歷判斷其是否還有子特征，重復此操作直到所有的零件特征都被提取。

3.2 CATIA模型對象裝配孔位信息的獲取

飛機零部件裝配連接孔位信息分散保存在各個連接件的零件模型中。CATIA零件模型的特征樹（見圖1）中包含兩種類型的結(jié)點，一種是系統(tǒng)固有的，不可刪除，如圖1中所示的xy plane、yz plane、zx plane和PartBody結(jié)點，設(shè)計人員在設(shè)計時創(chuàng)建的所有幾何均保存在該結(jié)點中，此外，設(shè)計人員還可根據(jù)實際需要創(chuàng)建幾何圖形集，為其命名，然后在自行創(chuàng)建的圖形集中存放相同類型的幾何信息或一些相關(guān)的文本等屬性信息，如將使用同一種規(guī)格緊固件的孔位點保存在一起，因此需要在已經(jīng)獲得零件特征的基礎(chǔ)上，遍歷搜索該特征樹，獲取指定名稱的幾何圖形集特征。針對零件模型文件獲取指定幾何圖形集對象的步驟如下所示。

圖1 CATIA零件模型文件特征樹結(jié)構(gòu)Fig.1 Feature tree structure of CATIA part model file

（1）針對每一個零件模型文件，根據(jù)CATIDescendants接口的GetDirectChildren函數(shù)獲取該零件中所有次一級幾何圖形集特征對象；

（2）根據(jù)CATIAlias接口獲得每一個幾何圖形集對象的名稱；

（3）與預先指定的名稱進行比較，如果二者名稱相同，則該幾何圖形集特征為存儲裝配孔位信息結(jié)點。

3.3 幾何點特征的判斷方式

在獲取指定幾何圖形集特征對象的基礎(chǔ)上利用CATIDescendants接口的GetDirectChildren函數(shù)接口獲得該幾何圖形集的所有子結(jié)點，然后依次對每一個結(jié)點進行判斷，判斷子結(jié)點是否為幾何點。在設(shè)計人員進行產(chǎn)品設(shè)計時，生成點的方式通常有直接定義、相交、投影、對稱等方式，因此在判斷子結(jié)點是否為幾何點時，要考慮到上述幾種情形，否則就會有遺漏。對于直接定義方式生成的幾何點，即利用CATIA創(chuàng)建點功能得到的幾何點，在用戶不做更改的情況下，會在特征樹上有類似“點.XXX”的名稱顯示，其中名稱中的XXX為數(shù)字，按照創(chuàng)建的順序從1開始，依次增加，因而可以通過幾何的名稱判斷是否是幾何點。對由相交、投影、對稱等方式創(chuàng)建的幾何點，相應地在特征樹上有“相交.XXX”、“投影.XXX”、“對稱.XXX”的名稱顯示，此時，單純通過名稱判斷無法，因為通過相交、投影、對稱等方式創(chuàng)建的幾何還可能是線或面，而此時它們在特征樹上的名稱也具有上述形式，因此不能只依據(jù)名稱進行判斷，需要另僻稀徑，即通過特征內(nèi)部的拓撲結(jié)構(gòu)進行判斷。綜上所述，得到對點判斷的方式如圖2所示。對所有的子結(jié)點進行判斷，記錄通過判斷的點位坐標、名稱信息進行輸出，便可得到自動制孔信息表。

圖2 CATIA格式幾何點判斷方式Fig.2 Judgement styles of CATIA geometry points

4 應用實例

利用CATIA進行二次開發(fā)工具CAA，基于CATIA V5平臺實現(xiàn)了上述制孔信息提取方式，可以非常容易地得到產(chǎn)品中的自動制孔孔位信息。用戶交互界面如圖3所示。

圖3 “自動搜索編程孔”功能用戶交互界面Fig.3 User interface of automatically searching programming point

對話框的主體為列表框，用于顯示當前打開文件中所有幾何點特征對象的名稱。此外還包括4個功能按鈕。一個是“開始”命令按鈕，用于在指定的模型文件中自動搜索孔位信息。由于實際建模的復雜性，模型中可能會存在利用除前文提到的方式以外的幾何點特征，這樣會導致在遍歷模型特征樹進行孔位信息的自動提取時遺漏一些幾何點特征，需要手工補充，另外，根據(jù)自動制孔設(shè)備的工作能力范圍，會有一些自動提取到的點不需要進行自動制孔，需要手工刪除。根據(jù)這些實際使用需要，設(shè)計了兩個命令按鈕，一個用于手工添加點，一個用于手工刪除點。此外還有一個“保存”命令按鈕，用于將自動制孔孔位信息保存至數(shù)據(jù)庫表中。

在實際應用時，首先利用CATIA自身的功能導入裝配件模型文件，然后單擊工具條中的“制孔孔位自動搜索”命令按鈕，在彈出的“自動搜索編程孔”對話框中單擊“開始”命令按鈕，程序開始執(zhí)行，自動搜索當前打開模型文件中所有零件中的連接定義信息，將得到信息的名稱依次列在“孔列表”列表框中，單擊“保存”命令按鈕，當前所有點的信息保存至數(shù)據(jù)庫表中。

5 結(jié)束語

基于模型的設(shè)計技術(shù)已經(jīng)逐步成為一種設(shè)計規(guī)范，得到越來越廣泛的應用。它的最大優(yōu)勢在于可以統(tǒng)一產(chǎn)品從設(shè)計到制造的數(shù)據(jù)，成為單一的數(shù)據(jù)源。當數(shù)據(jù)的定義規(guī)范之后，對于數(shù)據(jù)的使用者，也有了新的要求，即如何快速準確從MBD模型中得到自己需要的數(shù)據(jù)。針對MBD模型進行制孔孔位等裝配信息的自動提取方法研究可以大大節(jié)省工藝編程人員的工作量，用戶只需要簡單的操作，便可快速得到所需的制孔孔位幾何名稱、坐標，作為后續(xù)的離線編程工作的依據(jù)。

[1]歐陽，鄒成，劉繼紅.面向機翼柔性制孔的多層次數(shù)控程序結(jié)構(gòu).計算機集成制造系統(tǒng)，2011(8)： 1806-1807.

[2]梅中義. 基于MBD的飛機數(shù)字化裝配技術(shù). 航空制造技術(shù)，2010(18)： 42-45.

[3]余志強，陳嵩，孫煒，等. 基于MBD的三維數(shù)模在飛機制造過程中的應用. 航空制造技術(shù)，2009(25)： 82-85.