基于三維數(shù)模的關(guān)鍵特性構(gòu)建及可視化研究*

南京航空航天大學(xué) 賀 鵬 王志國(guó) 譚昌柏

關(guān)鍵特性(Key Characteristics, KC)是指對(duì)產(chǎn)品性能、功能、配合及形成有顯著影響的產(chǎn)品特性、制造流程和裝配特征。在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、裝配、制造過(guò)程中，Thornton將各階段的需求和影響因素定義為關(guān)鍵特性，依次可分為產(chǎn)品關(guān)鍵特性(PKC)、裝配關(guān)鍵特性(AKC)及制造關(guān)鍵特性(MKC)[1-2]。關(guān)于關(guān)鍵特性的鑒定、分解及其使用方法國(guó)內(nèi)外已經(jīng)做了大量的研究：劉志存[3-4]等人提出的基于并行工程的關(guān)鍵特性定義與管理的方法，依據(jù)制造樹(shù)對(duì)關(guān)鍵特性進(jìn)行分解，以達(dá)到在制造階段通過(guò)控制關(guān)鍵特性提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的；馮子明[5]提出的關(guān)鍵裝配特性的概念，以飛機(jī)裝配中的誤差累計(jì)最多的環(huán)節(jié)為關(guān)鍵特性，通過(guò)向下分解與補(bǔ)償?shù)姆椒右钥刂疲岣哐b配準(zhǔn)確性；唐文斌[6]通過(guò)量化關(guān)鍵特性備選集對(duì)上層關(guān)鍵特性的影響度篩選出關(guān)鍵特性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵特性的篩選與分解；尹峰[7]通過(guò)對(duì)制造裝配中誤差累計(jì)的分析，將關(guān)鍵特性分解到零件和工藝工程，然后融入到柔性裝配數(shù)據(jù)集作為產(chǎn)品與工裝制造、檢驗(yàn)的依據(jù)；Whitney[8]提出基準(zhǔn)流鏈(Datum Flow Chain, DFC)的概念,結(jié)合關(guān)鍵特性的分解、裝配順序、容差分析等信息設(shè)計(jì)最優(yōu)化的裝配方法，減少裝配過(guò)程中的誤差累積帶來(lái)的損失。

在已有研究成果的基礎(chǔ)上，運(yùn)用CATIA、CAA二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)和Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)，研究了一種基于三維數(shù)模的關(guān)鍵特性構(gòu)建和定義方法，并開(kāi)發(fā)了可視化平臺(tái)用以直觀地表達(dá)裝配過(guò)程中關(guān)鍵特性分解的流程。最后，以某型飛機(jī)的減速板為研究對(duì)象，運(yùn)用VSA軟件對(duì)產(chǎn)品的裝配過(guò)程進(jìn)行了仿真分析。實(shí)例表明，本文提出的方法可為技術(shù)人員提供有效的工藝設(shè)計(jì)工具，從而達(dá)到提高裝配準(zhǔn)確度的目的。

1 關(guān)鍵特性的特點(diǎn)及其在三維模型中的表達(dá)

根據(jù)所屬行業(yè)和部門的不同，關(guān)鍵特性所指定的內(nèi)容也具有差異性，可以分為幾何特性、機(jī)械特性、化學(xué)特性、物理特性和經(jīng)濟(jì)特性。本文研究飛機(jī)裝配過(guò)程中的關(guān)鍵特性指幾何特性，主要包括產(chǎn)品或零件形狀、尺寸及協(xié)調(diào)要求等相關(guān)特征。

1.1 關(guān)鍵特性的特點(diǎn)

根據(jù)關(guān)鍵特性定義及其在設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造過(guò)程中的應(yīng)用，關(guān)鍵特性具有以下特點(diǎn)。

(1)關(guān)鍵特性是可變的。伴隨著生產(chǎn)制造水平的提升、產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)化，舊的關(guān)鍵特性將被淘汰，新的關(guān)鍵特性被提出。

(2)關(guān)鍵特性是可測(cè)量和可控的。根據(jù)波音公司先進(jìn)質(zhì)量體系對(duì)關(guān)鍵特性的說(shuō)明，當(dāng)某層次的關(guān)鍵特性無(wú)法測(cè)量和控制時(shí)，則應(yīng)向下層分解到可測(cè)量和控制的特征上，通過(guò)保證下層的關(guān)鍵特性來(lái)滿足上層要求。

(3)關(guān)鍵特性是可分解的。產(chǎn)品初期設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于關(guān)鍵特性的識(shí)別沒(méi)有絕對(duì)通行的辦法，一般設(shè)計(jì)人員根據(jù)客戶需求、相似產(chǎn)品說(shuō)明、現(xiàn)有技術(shù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)等信息首先確定產(chǎn)品關(guān)鍵特性(PKC),然后依次向下分解。伴隨分解的深入，關(guān)鍵特性的數(shù)量積累，這就要求集成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)(Integrated Product Team, IPT)精而優(yōu)地選取關(guān)鍵特性。

結(jié)合關(guān)鍵特性的特點(diǎn)，由于關(guān)鍵特性的分解是沿制造樹(shù)逐級(jí)進(jìn)行分解傳遞的，隨著分解的深入，形成關(guān)鍵特性樹(shù)結(jié)構(gòu)，而制造樹(shù)的創(chuàng)建是以飛機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和制造企業(yè)制造資源為依據(jù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)工位，上下級(jí)關(guān)系反應(yīng)了客戶與供應(yīng)商的關(guān)系，因此關(guān)鍵特性樹(shù)可描述關(guān)鍵特性與客戶、供應(yīng)商之間的關(guān)系[9]。如圖1所示，從圖中可清晰辨別出關(guān)鍵特性與客戶及供應(yīng)商的所屬關(guān)系。

圖1 關(guān)鍵特性樹(shù)結(jié)構(gòu)與客戶及供應(yīng)商關(guān)系Fig.1 Relationship between tree of key characteristics and customer, supplier

從圖1可以看出，假設(shè)在某裝配層i關(guān)鍵特性集為KCi，關(guān)鍵特性的數(shù)目記為n，第j個(gè)關(guān)鍵特性表示為KCij，則相鄰層之間關(guān)鍵特性關(guān)系可用如下矩陣表達(dá)[9]：

如果KC ji-1有子關(guān)鍵特性

如果KC ji-1沒(méi)有子關(guān)鍵特性

1.2 關(guān)鍵特性在三維模型中的表達(dá)

隨著MBD技術(shù)在國(guó)內(nèi)航空業(yè)的不斷推廣和實(shí)施，迫切希望尋求一種在三維數(shù)模上直接描述關(guān)鍵特性的方法。CATIA軟件的FT&A模塊提供了強(qiáng)大的功能，使得用戶可在三維數(shù)模上以標(biāo)注或旗注的方式直接定義尺寸、公差、文本和文件等，而其中難點(diǎn)在于如何將關(guān)鍵特性的分解和層次信息表達(dá)在三維數(shù)模上。

結(jié)合現(xiàn)階段關(guān)鍵特性的表達(dá)方式，為解決以上問(wèn)題，論文定義關(guān)鍵特性屬性集包括：所屬產(chǎn)品編號(hào)、產(chǎn)品名稱、關(guān)鍵特性內(nèi)容、父關(guān)鍵特性名、工位信息及與其相關(guān)的父級(jí)關(guān)鍵特性名等，從而建立起關(guān)鍵特性的樹(shù)結(jié)構(gòu)關(guān)系。本文借助CATIA FT&A模塊的旗注功能，對(duì)關(guān)鍵特性進(jìn)行統(tǒng)一格式的編碼，以旗注說(shuō)明的方式直接創(chuàng)建在三維數(shù)模上，編碼格式如下：

關(guān)鍵特性名=所屬產(chǎn)品編號(hào)|產(chǎn)品名稱|關(guān)鍵特性內(nèi)容|工位信息|父關(guān)鍵特性名|相關(guān)父級(jí)關(guān)鍵特性名。

本文中，一個(gè)關(guān)鍵特性往往包含多個(gè)關(guān)鍵特性內(nèi)容，如一架飛機(jī)的產(chǎn)品關(guān)鍵特性包括飛行距離、飛機(jī)質(zhì)量、最大存儲(chǔ)油量等，其關(guān)鍵特性內(nèi)容可表示為：飛行距離+飛機(jī)質(zhì)量+最大存儲(chǔ)油量。

同理，與某關(guān)鍵特性相關(guān)的父級(jí)關(guān)鍵特性多余1個(gè)，也可采用類似的方法表述，例如“相關(guān)父級(jí)關(guān)鍵特性名1+相關(guān)父級(jí)關(guān)鍵特性名2”。關(guān)鍵特性在三維模型中的表達(dá)及其編碼實(shí)例如圖2、圖3所示。

圖2 數(shù)模中創(chuàng)建的關(guān)鍵特性旗注Fig.2 Created flag of key characteristics in model

圖3 關(guān)鍵特性編碼示意圖Fig.3 Code of key characteristics

2 關(guān)鍵特性數(shù)據(jù)的管理

采用編碼和旗注的方式可在三維模型上定義關(guān)鍵特性信息，然而還是難以直觀地表達(dá)其層次化的分解特征。因而，本文將關(guān)鍵特性數(shù)據(jù)存入Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)，并開(kāi)發(fā)了關(guān)鍵特性顯示平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵特性的可視化管理，基本流程如下：首先，利用達(dá)索公司提供的CATIA二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)CAA開(kāi)發(fā)出提取關(guān)鍵特性注解信息的功能模塊；其次，建立與Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，將提取出的關(guān)鍵特性信息儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)中；最終，開(kāi)發(fā)關(guān)鍵特性顯示平臺(tái)，從數(shù)據(jù)庫(kù)中導(dǎo)入數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化管理。圖4為關(guān)鍵特性信息管理的流程圖。

2.1 三維模型中關(guān)鍵特性信息的提取

為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的關(guān)鍵特性可視化，本文利用CATIA的二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)CAA開(kāi)發(fā)了關(guān)鍵特性提取及存儲(chǔ)的工具。CAA的Tolerancing模塊提供了豐富的接口和API函數(shù)，涵蓋了標(biāo)注及工差創(chuàng)建和提取的流程。本課題中為獲得創(chuàng)建旗注中關(guān)鍵特性的編碼信息，首先需要依次訪問(wèn) CATITPSDocument、CATITPSList、CATITPSComponent接口來(lái)尋求新建的標(biāo)注集CATITPSSet，然后通過(guò)CATITPSSet的函數(shù)GetTPSs(piTPSList)獲得此標(biāo)注集中所建標(biāo)注的數(shù)目piTPSList，利用piTPSList-＞Item(i,&piTPSComponent)逐一獲得每個(gè)標(biāo)注信息的接口，最后通過(guò)成功訪問(wèn)CATITPSFlagNote 接口，提取出旗注中關(guān)鍵特性編碼內(nèi)容。

2.2 關(guān)鍵特性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建及存儲(chǔ)

為了將提取出的關(guān)鍵特性信息存儲(chǔ)于Oracle 9i數(shù)據(jù)庫(kù)，首先必須構(gòu)造合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)潔合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不僅有利于關(guān)鍵特性信息的高效存儲(chǔ)，也為后續(xù)可視化平臺(tái)的開(kāi)發(fā)提供極大的便利。

關(guān)鍵特性結(jié)構(gòu)屬于典型的樹(shù)結(jié)構(gòu)，Oracle 9i數(shù)據(jù)庫(kù)作為關(guān)鍵特性的存儲(chǔ)平臺(tái)，可采用常用的左右值法構(gòu)建關(guān)鍵特性表，依據(jù)實(shí)體、屬性關(guān)系，關(guān)鍵特性表應(yīng)包括關(guān)鍵特性名稱、所屬產(chǎn)品編號(hào)、產(chǎn)品名稱、關(guān)鍵特性內(nèi)容、左值、右值等主要字段。

綜合以上步驟，搭建了如圖5所示的關(guān)鍵特性信息窗口，具體操作過(guò)程中首先遍歷出新建所有旗注中關(guān)鍵特性編碼信息，而對(duì)關(guān)鍵特性進(jìn)行存儲(chǔ)時(shí)，還必須為關(guān)鍵特性選擇對(duì)應(yīng)的圖片，從而將關(guān)鍵特性文字及圖片信息成套地保存在搭建的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。

圖5 關(guān)鍵特性信息窗口Fig.5 Information window of key characteristics

3 可視化應(yīng)用實(shí)例

關(guān)鍵特性樹(shù)的可視化是指以圖片附加文字說(shuō)明的方式呈現(xiàn)關(guān)鍵特性的分解過(guò)程，還包括關(guān)鍵特性內(nèi)容及其工位信息，為工藝人員在具體實(shí)施過(guò)程中提供直觀的參考資料，以達(dá)到提高裝配質(zhì)量的目的。關(guān)鍵特性可視化平臺(tái)的搭建以前期存儲(chǔ)于Oracle 9i數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)為信息源，結(jié)合VC++6.0開(kāi)發(fā)平臺(tái)搭建可視化的界面，該平臺(tái)除了能表達(dá)關(guān)鍵特性樹(shù)的分解過(guò)程外，還應(yīng)能實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵特性的修改、刪除、添加及其關(guān)鍵特性圖片的放大、縮小等基本功能。

以某型飛機(jī)的減速板為例，外形的微弱變化直接影響到飛機(jī)的力學(xué)性能，蒙皮裁剪余量的合理設(shè)置有利于減少裝配時(shí)間、提高裝配質(zhì)量；此外減速板梁通過(guò)螺栓連接方式與其他部件相約束，螺孔細(xì)小的偏移也會(huì)導(dǎo)致與其他部件協(xié)調(diào)不當(dāng)，因此，選擇外形準(zhǔn)確度、裁剪余量、螺孔的同軸度作為產(chǎn)品級(jí)的關(guān)鍵特性，并以此向下分解。某機(jī)型減速板如圖6所示。

根據(jù)制造樹(shù)確定關(guān)鍵特性樹(shù)結(jié)構(gòu)后，借助CATIA FT&A模塊的旗注功能，以統(tǒng)一編碼的格式建立所有關(guān)鍵特性信息，如外形準(zhǔn)確度可以向下分解到上蒙皮前段和上蒙皮后端，同軸度要求可分解到減速板梁及襯套等。

以創(chuàng)建的旗注關(guān)鍵特性內(nèi)容為信息源頭，利用二次開(kāi)發(fā)出的關(guān)鍵特性提取和存儲(chǔ)功能，將關(guān)鍵特性編碼信息存儲(chǔ)于構(gòu)建好的Oracle 9i數(shù)據(jù)庫(kù)中。關(guān)鍵特性的提取及存儲(chǔ)關(guān)鍵特性窗口如圖7所示。

以數(shù)據(jù)庫(kù)為關(guān)鍵特性信息傳遞的樞紐，結(jié)合VC++6.0開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵特性可視化平臺(tái)，清晰直觀地描述裝配階段關(guān)鍵特性的分解過(guò)程，為工藝人員提供極大的便利，該示例關(guān)鍵特性的可視化效果圖如圖8所示。

圖7 提取及存儲(chǔ)關(guān)鍵特性窗口Fig.7 Extracted and stored window of key characteristics

圖8 關(guān)鍵特性可視化平臺(tái)Fig.8 Visual platform of key characteristics

可視化平臺(tái)左側(cè)浮動(dòng)欄以常用的樹(shù)結(jié)構(gòu)描述各級(jí)關(guān)鍵特性的內(nèi)容及父子關(guān)系，而主窗口則以圖片方式直觀清晰地表達(dá)關(guān)鍵特性的分解流程。實(shí)踐證明該方法有效地展現(xiàn)了關(guān)鍵特性的分解及其分布，從宏觀方面為裝配工藝人員輔助飛機(jī)裝配提供了便利。

4 減速板模型的容差仿真

以產(chǎn)品3D數(shù)模為媒介，構(gòu)建了關(guān)鍵特性分解信息。以此信息為基礎(chǔ)，運(yùn)用VSA公差仿真軟件對(duì)減速板的裝配過(guò)程進(jìn)行建模和容差仿真分析(具體過(guò)程不在本文中贅述)，其中圖9演示了減速板的數(shù)字化裝配模型，圖10演示了容差分析的仿真圖表，包括對(duì)裝配影響因素較大的零件特征及其貢獻(xiàn)度、裝配成功率的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。眾所周知，關(guān)鍵特性是可動(dòng)態(tài)改變的，而這些分析數(shù)據(jù)可幫助工藝人員對(duì)已構(gòu)建的關(guān)鍵特性數(shù)據(jù)集進(jìn)行合理評(píng)價(jià)。

5 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合現(xiàn)階段對(duì)關(guān)鍵特性的理解和使用方法，在確定關(guān)鍵特性樹(shù)的基礎(chǔ)上，依靠CATIA 自身功能及其提供的二次開(kāi)發(fā)CAA平臺(tái)、借助Oracle 9i數(shù)據(jù)庫(kù)，以VC++6.0為開(kāi)發(fā)工具搭建關(guān)鍵特性的可視化平臺(tái)表達(dá)關(guān)鍵特性的分解過(guò)程，最后以VSA軟件、參照關(guān)鍵特性數(shù)據(jù)集對(duì)減速板的裝配過(guò)程進(jìn)行建模和仿真。本文對(duì)關(guān)鍵特性如何在飛機(jī)數(shù)字化裝配中實(shí)施進(jìn)行了一次嘗試，還存在一些有待深入解決的問(wèn)題，體現(xiàn)在以下方面。

圖9 減速板裝配工藝容差仿真圖Fig.9 Tolerance simulation diagram of aircraft braking assembly progress

圖10 容差分析的仿真結(jié)果Fig.10 Simulation result of tolerance analysis

(1)研究的關(guān)鍵特性是裝配過(guò)程中的形狀、尺寸及協(xié)調(diào)相關(guān)的特征，為了滿足這些要求，還需要制定具體相關(guān)的實(shí)施措施，例如工裝的設(shè)計(jì)、裝配工藝方法的設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)方法等。

(2)對(duì)于關(guān)鍵特性中涉及到的尺寸及協(xié)調(diào)相關(guān)的裝配特征，后續(xù)研究將引入容差分配的方法，并依靠二次開(kāi)發(fā)技術(shù)打通CATIA、VSA容差仿真平臺(tái)間的信息流，極大的提高容差模擬效率和裝配準(zhǔn)確度。

[1] LEE D J, Thornton A C. The identification and use of key characteristics in the product development process. Proceeding of the 1996 ASME Design Engineering Technical Conference and Computers in Engineering Conference, Irvine： Califomia,1996.

[2] Thornton A C. A mathematical framework for the key characteristic process. Research in Engineering Design,1999,11：145-157.

[3] 劉志存,范玉青. 飛機(jī)制造中新型質(zhì)量控制模式——關(guān)鍵特性統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制. 航空制造技術(shù), 2007 (11)：90-96.

[4] 劉志存,鄒翼華,范玉青. 飛機(jī)制造中關(guān)鍵特性的定義與管理. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2007,13(10)：2013-2018.

[5] 馮子明,鄒成,劉繼紅. 飛機(jī)關(guān)鍵裝配特性的識(shí)別與控制.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2010，16(12)：2552-2556.

[6] 唐文斌,余劍鋒,李原,等. 產(chǎn)品關(guān)鍵特性量化鑒別與分解方法應(yīng)用研究. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2011,17(10)：2383-2388.

[7] 尹峰,王巍,梁濤,等. 基于關(guān)鍵特性的數(shù)字化容差分配技術(shù)研究 . 航空制造技術(shù)，2011(22)：53-56.

[8] Mantripragada R, Whitney D E. The datum flow chain： a systematic approach to assembly design and modeling. Research in Engineering Design, 1998,10：150-165.

[9] YANG F. A key characteristics-based model for quality assurance in supply chain. IEEE, 2011：1428-1432.