飛機(jī)三維AO文件快速構(gòu)建方法研究

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)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室 韓志仁

沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空宇航工程學(xué)部 吳建忠

飛機(jī)裝配是飛機(jī)制造的重要環(huán)節(jié)之一，直接影響著飛機(jī)的研制和生產(chǎn)周期[1]。隨著飛機(jī)設(shè)計(jì)數(shù)字化的應(yīng)用，飛機(jī)制造數(shù)字化也相應(yīng)得到推廣。飛機(jī)數(shù)字化制造涉及生產(chǎn)模式、制造方法、人員素質(zhì)、生產(chǎn)設(shè)備、產(chǎn)品全生命周期管理等方面。數(shù)字化制造不只是一個(gè)簡(jiǎn)單的技術(shù)推廣問(wèn)題，它還需要一套涉及各方面的技術(shù)體系和管理體系。數(shù)字化制造推廣是一個(gè)設(shè)備逐漸完善、人員結(jié)構(gòu)逐漸調(diào)整、技術(shù)體系和管理體系逐漸形成的過(guò)程。

我國(guó)飛機(jī)制造企業(yè)引入了波音公司的AO（Assembly Order）工藝管理機(jī)制[2]。AO由管理頁(yè)、說(shuō)明頁(yè)、草圖和零件配套單組成，包括裝配名稱編號(hào)、制造索引、工程更改申請(qǐng)單號(hào)、發(fā)放次號(hào)、架次控制、版次控制、客戶控制、系列號(hào)、簡(jiǎn)要工作說(shuō)明、操作內(nèi)容要求、所需工裝設(shè)備、產(chǎn)品圖樣、工藝標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量規(guī)范、檢驗(yàn)要求、工時(shí)定額、零件名稱和編號(hào)、生產(chǎn)信息、質(zhì)量信息、過(guò)程信息等40多項(xiàng)工藝信息。在數(shù)字化制造推廣的過(guò)程中，飛機(jī)裝配大綱涉及由傳統(tǒng)的以紙質(zhì)為載體的AO向三維AO的轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)的AO由文字描述（包括管理頁(yè)、說(shuō)明頁(yè)零件配套單）和草圖兩大部分構(gòu)成，以手工編寫為主。三維AO包括文字描述、三維附圖、三維仿真動(dòng)畫，其中文字描述與傳統(tǒng)AO相似，三維附圖的作用等同于傳統(tǒng)AO的草圖，三維仿真動(dòng)畫是飛機(jī)裝配工藝新的描述手段。數(shù)字化制造中三維AO的所有內(nèi)容均以電子版形式存在。

數(shù)字化制造中三維AO編制過(guò)程中需要的原始資料和產(chǎn)品依據(jù)等均可以電子版形式存在，因此，利用計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、快速檢索技術(shù)、三維標(biāo)注技術(shù)、三維仿真技術(shù)等可以快速實(shí)現(xiàn)三維AO的編制，對(duì)縮短飛機(jī)產(chǎn)品制造周期，提高企業(yè)效益有重大意義。

1 飛機(jī)三維AO簡(jiǎn)介

飛機(jī)裝配大綱（AO）是工藝部門根據(jù)工程設(shè)計(jì)要求，工廠工藝技術(shù)水平和質(zhì)量保證的要求編寫的生產(chǎn)性工藝文件，是用于指導(dǎo)飛機(jī)部件裝配、總裝、試飛、包裝和整機(jī)噴漆操作的技術(shù)性文件，同時(shí)也是生產(chǎn)、檢驗(yàn)的記錄[3]。在MBD技術(shù)應(yīng)用的背景下，傳統(tǒng)的二維圖紙已不復(fù)存在，但是僅僅用文字來(lái)表述裝配過(guò)程信息，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)裝配還有所欠缺，容易導(dǎo)致裝配人員理解錯(cuò)誤，因此，傳統(tǒng)二維AO向三維AO的轉(zhuǎn)變已成為必然。三維AO是數(shù)字化的工藝文件，相對(duì)于二維AO文檔來(lái)說(shuō)，三維AO文檔有如下特點(diǎn)[4]：

（1）工作內(nèi)容描述方面： 除了有傳統(tǒng)的文字描述外，三維AO還附有三維仿真動(dòng)畫，能直觀表述裝配過(guò)程，有效減少表述上的歧義性；

（2）三維附圖方面：三維AO附圖為三維可操作附圖，包括必要的三維標(biāo)注，有效解決某些復(fù)雜結(jié)構(gòu)不易表述的問(wèn)題；

（3）AO文檔編制方面：三維AO可以實(shí)現(xiàn)部分信息的自動(dòng)錄入，以及部分信息的重用，提高AO編制的效率，降低生產(chǎn)成本。

2 飛機(jī)三維AO信息模型建立

通過(guò)PDM平臺(tái)獲取MBD數(shù)字化信息模型（EBOM，它是設(shè)計(jì)部門根據(jù)產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)的產(chǎn)品零部件結(jié)構(gòu)樹(shù)，同時(shí)也是產(chǎn)品生產(chǎn)制造的源頭[5]），在完成裝配工藝分離面的劃分與規(guī)劃好零部件的裝配順序的基礎(chǔ)上，確定各個(gè)裝配工藝件的裝配順序，并查詢MBD數(shù)據(jù)集檢索相關(guān)工程信息（包括幾何信息與非幾何信息），在詳細(xì)裝配工藝設(shè)計(jì)的同時(shí)查詢資源信息庫(kù)，實(shí)現(xiàn)制造資源如工裝、設(shè)備以及相關(guān)規(guī)范的快速調(diào)入，至此在CATIA中建立了 PPR（Product，Process，Resourse）模型。將建立的PPR模型導(dǎo)入PDM進(jìn)行裝配順序合理性的仿真驗(yàn)證，將仿真結(jié)果以仿真報(bào)告的形式提交給設(shè)計(jì)部門，方便產(chǎn)品與工裝的進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化。在裝配方案確定的基礎(chǔ)上，明確具體的定位方法與裝配操作，進(jìn)行AO工序的具體設(shè)計(jì)以及AO工藝文檔的編寫，然后借助3DVIA Composer快速制作相關(guān)三維輕量化附圖并與工藝文檔集成。圖1為飛機(jī)AO工藝文檔信息模型。

圖1 飛機(jī)AO工藝文檔信息模型Fig.1 Information model of AO process documentation

3 基于三維AO編制的MBD模型信息獲取

目前，我國(guó)飛機(jī)制造企業(yè)中飛機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造的工程信息的表達(dá)與傳遞全部基于三維[1，6]。MBD數(shù)字模型作為AO編制的重要依據(jù)，是產(chǎn)品工程數(shù)據(jù)的重要知識(shí)載體，主要涵蓋產(chǎn)品的非幾何信息與幾何信息。

本文通過(guò)對(duì)CATIA二次開(kāi)發(fā)快速檢索提取MBD數(shù)據(jù)集中的工程數(shù)據(jù)（包括非幾何信息、零件外形信息），并生成BOM表，以Excel的形式保存起來(lái)，作為AO編制的數(shù)據(jù)依據(jù)。

3.1 非幾何信息的提取

產(chǎn)品的非幾何信息主要有通用非幾何信息與零部件的連接信息等。其中通用非幾何信息是指“通用注釋”、“技術(shù)要求”、“裝配注釋”、“材料注釋”、“連接信息”等，所有這些信息都以參數(shù)的形式在零件的結(jié)構(gòu)樹(shù)上顯性表達(dá)，且和幾何信息集成在同一個(gè)三維模型中。通過(guò)對(duì)CATIA的二次開(kāi)發(fā)，建立相應(yīng)模塊遍歷MBD產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)相關(guān)關(guān)鍵字檢索分析就可以批量提取MBD模型中的這些非幾何信息，使得相關(guān)信息集中存儲(chǔ)于Excel文件中便于查看引用，如圖2所示。

連接信息主要包括機(jī)械連接信息、膠接、焊接信息等，用來(lái)描述零部件之間的連接關(guān)系以及連接方法。這些信息在MBD數(shù)字化模型中往往以裝配文件的形式（也稱A數(shù)模）掛接在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)的零件或部件節(jié)點(diǎn)下，通過(guò)用戶簡(jiǎn)單與CATIA交互指定相關(guān)裝配文件與某個(gè)零件，訂制的功能模塊就可以遍歷裝配文件各個(gè)連接節(jié)點(diǎn)，獲取各個(gè)連接節(jié)點(diǎn)的屬性信息，快速提取出用戶所指定零件的所有連接關(guān)系，同時(shí)根據(jù)相關(guān)連接件的編號(hào)可以從產(chǎn)品 MBD 模型結(jié)構(gòu)樹(shù)中提取出用戶指定零件不同連接關(guān)系下的所有關(guān)聯(lián)零件名稱、圖號(hào)等信息，并存儲(chǔ)在 Excel 文件中作為AO編制的依據(jù)，如圖3所示。

圖2 提取通用注釋Fig.2 General comments extract

圖3 連接信息快速提取Fig.3 Connection information extract

3.2 三維零件附圖快速生成

三維AO中三維附圖作為飛機(jī)裝配的工藝說(shuō)明的補(bǔ)充信息，提供可操作的三維零件輕量化模型，詳細(xì)說(shuō)明連接標(biāo)準(zhǔn)件位置信息、導(dǎo)孔信息、基準(zhǔn)信息等，幫助工人更直觀地理解工作任務(wù)，獲取必要的裝配信息。三維附圖是工藝人員根據(jù)產(chǎn)品三維綜合模型和裝配要求建立的工藝數(shù)模，并通過(guò)3DVIA Compos等輕量化軟件轉(zhuǎn)化成三維附圖的輕量化模型。轉(zhuǎn)化好的輕量化文件不丟失幾何信息與三維標(biāo)注信息，并且與 Excel、Web 有很好的集成性[7]。因此，本文通過(guò)二次開(kāi)發(fā)，在CATIA中開(kāi)發(fā)功能按鈕將MBD中數(shù)據(jù)模型自動(dòng)導(dǎo)入3DVIA Composer，并將輕量化模型存儲(chǔ)路徑存儲(chǔ)在.xls文件中，與CATIA零件建立間接關(guān)聯(lián)。圖4為一個(gè)典型的三維附圖。

圖4 典型的三維附圖Fig.4 A typical three-dimensional drawing

4 三維AO快速構(gòu)建

為了便于在構(gòu)建三維AO過(guò)程中方便提取和利用EBOM信息，將三維AO快速構(gòu)建平臺(tái)作為CATIA軟件的一部分，與CATIA軟件實(shí)現(xiàn)無(wú)縫集成。三維AO快速構(gòu)建流程如圖5所示。

圖5 三維AO快速構(gòu)建流程Fig.5 Build process of three-dimensional

根據(jù)AO的內(nèi)容，在CATIA中客戶化訂制基本信息頁(yè)、工序說(shuō)明頁(yè)、所需工裝設(shè)備和所需零件頁(yè)4個(gè)屬性頁(yè)。在基本信息頁(yè)中用戶可完成機(jī)型、生效架次、AO號(hào)、工藝員以及操作說(shuō)明等屬性內(nèi)容的添加；在工序說(shuō)明頁(yè)，可進(jìn)行具體工序的設(shè)計(jì)添加，同時(shí)針對(duì)飛機(jī)架次管理的裝配文件大量重復(fù)的特點(diǎn)，建立與典型工藝知識(shí)庫(kù)的鏈接，用戶在AO編制過(guò)程中可參考或直接選取相關(guān)工藝文檔并修改；在工裝設(shè)備頁(yè)，用戶可直接添加所需工裝設(shè)備或通過(guò)查詢工裝設(shè)備庫(kù)選擇添加；在所需零件頁(yè)，用戶可直接在MBD數(shù)模上選取所需零件，軟件平臺(tái)自動(dòng)提取零件名稱編號(hào)存儲(chǔ)路徑等屬性信息并提供編輯其他必要信息的功能，同時(shí)以.xls格式輸出零件配套單。工藝人員在編制AO時(shí)可直接選取典型工藝規(guī)范、工裝設(shè)備以及配套零件，這樣便有效減少了手工輸入量，并提高了AO的編制效率。平臺(tái)界面如圖6所示。

圖6 三維AO快速構(gòu)建平臺(tái)Fig.6 Rapidly constructing platform for Three-dimension AO

5 結(jié)束語(yǔ)

本文就三維AO的特點(diǎn)與編制過(guò)程中存在的問(wèn)題做了相關(guān)研究，針對(duì)飛機(jī)AO文件數(shù)量大、編制耗時(shí)多的特點(diǎn)，借助CAA對(duì)CATIA二次開(kāi)發(fā)，將零件的輕量化、制造資源庫(kù)、工藝規(guī)范庫(kù)以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)集集成在CATIA環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)了AO編制過(guò)程中產(chǎn)品數(shù)據(jù)的快速獲取與制造資源、典型工藝規(guī)范的快速引用，可以減少工藝員手工輸入量并有效提高AO的編制效率，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)三維AO的快速構(gòu)建。

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