航空發(fā)動機裝配IETM開發(fā)技術(shù)研究

龍洋　王彤　孫貴青　劉清軍

【摘 要】分析了航空發(fā)動機行業(yè)傳統(tǒng)裝配技術(shù)手冊的現(xiàn)狀與不足，研究了IETM制作的關(guān)鍵技術(shù)；按照S1000D標(biāo)準(zhǔn)對航空發(fā)動機裝配工藝手冊體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理、采用數(shù)字化三維矢量圖解及仿真動畫傳遞工藝信息；成功開發(fā)了某型航空發(fā)動機裝配技術(shù)手冊。

【關(guān)鍵詞】IETM；航空發(fā)動機；裝配

航空發(fā)動機裝配技術(shù)手冊是發(fā)動機裝配制造環(huán)節(jié)中最重要的技術(shù)資料，是指導(dǎo)發(fā)動機裝配的工藝文件，其內(nèi)容對發(fā)動機裝配質(zhì)量有直接的影響。同時裝配技術(shù)手冊還是后續(xù)航空發(fā)動機大修、航線維護(hù)操作文件編寫的重要依據(jù)。

隨著國內(nèi)航空發(fā)動機的復(fù)雜程度、可靠性要求越來越高，裝配技術(shù)手冊承載的信息越來越多，從而造成技術(shù)手冊制作查詢困難、不易攜帶與保存、難于與產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)同步更新等問題。同時數(shù)字化技術(shù)在國內(nèi)航空發(fā)動機設(shè)計領(lǐng)域的迅速推進(jìn)，為了打通了發(fā)動機產(chǎn)品設(shè)計制造之間的聯(lián)系，裝配技術(shù)手冊作為制造環(huán)節(jié)中重要的技術(shù)資料也應(yīng)該迅速推進(jìn)數(shù)字化進(jìn)程。

交互式電子技術(shù)手冊（Interactive Electric Technical Manual，簡稱IETM）是一種數(shù)字化的、基于數(shù)據(jù)重用的結(jié)構(gòu)化的、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)化的電子技術(shù)手冊。本文通過IETM技術(shù)應(yīng)用研究，將其應(yīng)用在發(fā)動機裝配技術(shù)手冊中形成裝配IETM。

1 國內(nèi)發(fā)動機裝配技術(shù)手冊存在的問題

航空發(fā)動機裝配是發(fā)動機制造過程中最后的環(huán)節(jié)，也是最重要的環(huán)節(jié)，包括部件、單元體、整機的裝配、分解、故檢、清洗等內(nèi)容。裝配技術(shù)手冊的功能主要是指導(dǎo)裝配車間操作人員進(jìn)行發(fā)動機裝配活動。這些資料應(yīng)能使不熟悉該發(fā)動機的操作人員完成指定的發(fā)動機裝配指令。操作人員在工作前都要查閱裝配技術(shù)手冊。因此，每項裝配操作工作的實施都可單獨作為指導(dǎo)操作人員工作的依據(jù)。這就要求該手冊完整的包括航空發(fā)動機的部件、單元體、整機的裝配、分解、故檢、清洗等內(nèi)容，同時一定要便于操作人員快速查找，準(zhǔn)確按照手冊完成裝配任務(wù)。

國內(nèi)航空發(fā)動機裝配技術(shù)手冊主要以紙介質(zhì)為載體，主要采用辦公自動化工具編制，最常用的是微軟公司的和一些計算機繪圖工具，在其開發(fā)創(chuàng)作技術(shù)方面幾乎空白。主要體現(xiàn)在以下幾方面：

1）缺乏統(tǒng)一執(zhí)行的開發(fā)創(chuàng)作標(biāo)準(zhǔn)。各個航空發(fā)動機裝配制造單位按照自己的標(biāo)準(zhǔn)編寫裝配技術(shù)手冊，不利于行業(yè)內(nèi)技術(shù)交流與技術(shù)積累，阻礙整個行業(yè)的裝配技術(shù)發(fā)展。

2）數(shù)字化程度低。目前航空發(fā)動機領(lǐng)域數(shù)字化推進(jìn)迅速，已基本完成了從二維圖紙設(shè)計到全三維設(shè)計的轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)的發(fā)動機裝配技術(shù)手冊的開發(fā)制作已經(jīng)完全與發(fā)動機設(shè)計環(huán)節(jié)脫節(jié)，多媒體、虛擬現(xiàn)實、數(shù)字化工藝等技術(shù)無法融入。

3）手冊技術(shù)管理手段落后。目前國內(nèi)裝配技術(shù)手冊的文檔格式為非結(jié)構(gòu)化格式，缺乏結(jié)構(gòu)化的描述信息，僅停留在文檔管理水平，其有效性管理、版本控制是對文件級文檔的管理與控制，無法深入到技術(shù)內(nèi)容層面[1]；不同型號研制中積累的技術(shù)內(nèi)容的交叉利用要靠開發(fā)者人工管理，造成手冊間內(nèi)容的重用率低，無法進(jìn)行技術(shù)內(nèi)容的知識化管理與應(yīng)用；為了避免內(nèi)容編制問題或版本錯誤，就要在編制、校對、審核、標(biāo)準(zhǔn)化、批準(zhǔn)、歸檔等環(huán)節(jié)投入較多技術(shù)和管理人員，耗費大量的人力物力且效率低下。

4）裝配技術(shù)手冊的表達(dá)形式單一。僅僅通過文字、圖片、二維圖紙描述裝配活動，仍然難以消除操作人員理解上偏差，影響工作的質(zhì)量與效率。

在國外，民用航空發(fā)動機維修領(lǐng)域的技術(shù)資料都是采用IETM技術(shù)制作的，其制作標(biāo)準(zhǔn)包括ATA100、S1000等，如V2500發(fā)動機、CFM56發(fā)動機等。而且IETM技術(shù)在國外大量應(yīng)用在武器裝備的研制、操作、維修、訓(xùn)練和后勤保障的技術(shù)資料中。IETM具有以下幾方面的優(yōu)點：1）交互性好；2）信息的組織檢索和使用方式靈活；3）可以使用多種表達(dá)方式，視頻、圖解、動畫等；4）采用公共源數(shù)據(jù)庫管理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)信息結(jié)構(gòu)化、方便數(shù)據(jù)查找與重用。

因此借鑒國外先進(jìn)的IETM技術(shù)解決國內(nèi)航空發(fā)動機裝配技術(shù)手冊的問題是一條切實可行之路。

2 開發(fā)裝配IETM的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 制作標(biāo)準(zhǔn)的選擇

目前最具有代表性的IETM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是S1000D標(biāo)準(zhǔn)，它是新一代的技術(shù)出版物國際規(guī)范，目前世界上最強大的航空工業(yè)組織，以及歐洲、美洲、大洋洲和非洲的幾十個國家都開始采用S1000D。其發(fā)展歷程如圖1所示。

S1000D采用了模塊化的原理，以數(shù)據(jù)模塊（Data module，DM）而非傳統(tǒng)的“書”的形式來編制和存儲技術(shù)出版物內(nèi)容。DM是指技術(shù)出版物中最小的自包含的信息單元。一個型號項目所涉及的所有的DM由公共源數(shù)據(jù)庫（Common Source Data Base，CSDB）存儲和管理。根據(jù)需要，CSDB中的DM可以以不同方式組合，構(gòu)成各種技術(shù)出版物[3]。

S1000D的基本原理，極大地方便了數(shù)據(jù)內(nèi)容重用，與CALS（Computer Aided Logistic Support）“一次制作生成，多次重復(fù)使用”的基本理念不謀而合。與傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范相比，基于S1000D標(biāo)準(zhǔn)編制和管理的數(shù)據(jù)，更易于IETM的制作和應(yīng)用。目前，S1000D已經(jīng)在世界各國的國防、航空領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

2.2 技術(shù)手冊結(jié)構(gòu)化

根據(jù)發(fā)動機裝配工藝規(guī)劃的發(fā)動機裝配結(jié)構(gòu)單元、操作，按照S1000D標(biāo)準(zhǔn)的模塊化思想，對技術(shù)資料中的內(nèi)容進(jìn)行分解，分析和梳理能夠表達(dá)發(fā)動機裝配制造中所需的最小技術(shù)信息單元的數(shù)據(jù)模塊和信息對象。對發(fā)動機裝配工藝手冊進(jìn)行結(jié)構(gòu)化、標(biāo)準(zhǔn)化處理，以數(shù)據(jù)模塊的形式存儲于公共源數(shù)據(jù)庫中，供后續(xù)建立電子技術(shù)手冊時靈活組織和引用，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的一次建立多次使用。

按照發(fā)動機裝配結(jié)構(gòu)單元、操作工藝的不同類型（如裝配、分解、清洗、檢查、修復(fù)等）將樹狀結(jié)構(gòu)上的每個節(jié)點劃分成一個個相對獨立的模塊，通過這些顆粒狀模塊的排列、組合、引用、關(guān)聯(lián)構(gòu)成發(fā)動機裝配的完整體系，如圖2所示。

2.3 單一數(shù)據(jù)源儲存和管理

手冊中所有的技術(shù)信息是存放在同一個數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行集中管理的，這個數(shù)據(jù)庫稱為公共源數(shù)據(jù)庫（CSDB）。技術(shù)信息來源的唯一性得以有效保證，技術(shù)信息沒有重復(fù)的冗余得以有效控制，并且能夠根據(jù)需要一次生成，多次使用，一家制作，多家享用；此外，技術(shù)信息的任何增加、刪減或者修改都會自動在數(shù)據(jù)中自動留痕，手冊版本全程可控，可追溯。

2.4 插圖及多媒體的創(chuàng)作

制作IETM的一個關(guān)鍵技術(shù)就是利用現(xiàn)代多媒體信息技術(shù)，使用圖像、聲音、動畫等多種表現(xiàn)手段來表現(xiàn)技術(shù)信息，向用戶提供更直觀的感受、幫助讀者正確理解文本內(nèi)容。根據(jù) S1000D 標(biāo)準(zhǔn)的要求，IETM 中的插圖應(yīng)盡量使用矢量圖存儲，矢量圖格式有CGM、SVG等，它提供一種圖形交換的方法，可以維護(hù)熱點鏈接，實現(xiàn)圖形與其他內(nèi)容的（如文本）間的交叉使用。矢量圖需要通過專用軟件（如Isodraw、3DVIA Composer 等） 繪制而成[4]。

動畫是二維或三維靜止圖像的運動。交互式動畫通過編寫腳本語言實現(xiàn)用戶對影片的控制，在動畫與使用者之間形成一種互動。在IETM中動畫一般用于復(fù)雜的操作過程、產(chǎn)品的運動關(guān)系或者原理的演示等。目前常見的動畫格式包括SMG、GIF、SWF等。

不論是插圖還是多媒體的制作都需要盡量的取自設(shè)計數(shù)據(jù)。其一般制作過程素材收集、格式轉(zhuǎn)化、圖形編輯、圖形發(fā)布等四個步驟。

3 某型發(fā)動機裝配IETM的開發(fā)

3.1 裝配技術(shù)手冊制作系統(tǒng)

某型裝配技術(shù)手冊系統(tǒng)是一種智能化的信息系統(tǒng)包括內(nèi)容編輯模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)發(fā)布模塊和手冊交付模塊。其制作平臺為PTC公司的Arbortext軟件。圖3為裝配技術(shù)手冊完整系統(tǒng)，圖4為手冊樣例制作完整流程。

3.2 技術(shù)信息創(chuàng)建

技術(shù)信息創(chuàng)建主要包含文本編輯、圖解編輯、仿真動畫制作三個方面。

3.2.1 文本方面

利用XML標(biāo)記語言，將規(guī)程中的文字信息編輯成相應(yīng)類型的結(jié)構(gòu)化文檔，如圖5所示。

3.2.2 圖解方面[5]

鑒于航空發(fā)動機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性及裝配工藝的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的二維CAD圖解難以直觀傳遞裝配信息，該型發(fā)動機裝配技術(shù)電子手冊使用了業(yè)界領(lǐng)先的矢量圖解（CGM或SVG）。矢量圖解的引入，一方面，保證了上游部門的三維數(shù)據(jù)在裝配技術(shù)手冊得有有效使用，另一方面，具有立體感的矢量圖解亦大大增強了圖解的直觀性，減少傳統(tǒng)二維圖解的理解偏差，增強裝配技術(shù)信息的獲取效率與準(zhǔn)確性。

在矢量圖解中，以軸向爆炸圖展示裝配體包含的大小零件，三維立體剖切展現(xiàn)裝配體大小零件相對位置關(guān)系，以局部放大圖展示裝配體細(xì)節(jié)特征。

CGM或SVG格式的矢量圖解，數(shù)據(jù)小，可自由縮放與平移，且不會失真。此外矢量圖解中可任意增加熱點，與文本、表格建立關(guān)聯(lián)。見圖6。

3.2.3 仿真動畫方面

針對發(fā)動機結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及工藝的復(fù)雜性，僅從文本和矢量圖解兩個維度描述裝配活動，仍然難以消除操作人員理解上偏差。在該型發(fā)動機裝配技術(shù)手冊中，首次引入了全三維裝配仿真動畫，通過某轉(zhuǎn)子及工裝設(shè)備的三維模型動態(tài)仿真來模擬發(fā)動機裝配真實過程，消除手冊使用者對文字及圖解理解偏差，使得各參研單位對發(fā)動機裝配工藝達(dá)成共識。

圖7為發(fā)動機裝配仿真的一種體現(xiàn)模式。左側(cè)裝配樹形結(jié)構(gòu)，直觀反映模型的圖號及其層次；右側(cè)動畫演示窗口直觀反映發(fā)動機裝配過程中機件（或工裝設(shè)備）的位置變換及工藝控制要素。動畫為矢量模式，交互性極強。

可自由縮放、平移、旋轉(zhuǎn)、控制模型的消隱，方便使用人員全方位獲取裝配信息；底部為動畫索引，點擊后即可演示對應(yīng)零部件的裝配。此外使用人員還可以直接在模型上量取相關(guān)尺寸，任意對模型進(jìn)行剖切了解發(fā)動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)及相對位置關(guān)系。

3.3 技術(shù)信息管理

采用數(shù)據(jù)模塊形式來存儲和管理發(fā)動機裝配活動信息，按照發(fā)動機結(jié)構(gòu)劃分裝配信息結(jié)構(gòu)，文本類模塊通過統(tǒng)一的DMC編碼存儲和管理，圖解、動畫等非文本信息通過統(tǒng)一的ICN編碼存儲和管理。該型發(fā)動機電子手冊DMC編碼及ICN編碼如表1、圖8、圖9所示。

表1 裝配技術(shù)電子手冊數(shù)據(jù)模塊編碼

圖8 部分?jǐn)?shù)據(jù)模塊列表

圖9 動畫、插圖的ICN碼

如：XXXX-X-72-52-00-00A-720A-D表示將某轉(zhuǎn)子裝配（X狀態(tài)，由零件組裝成轉(zhuǎn)子平衡組件）；ICN-XXXX-X-72-52-00-A-SYXXX-00001-A-001-03表示某轉(zhuǎn)子裝配數(shù)據(jù)模塊中第一副圖解。

3.4 技術(shù)信息發(fā)布

該裝配技術(shù)手冊以兩類形式發(fā)布：1）PDF（紙質(zhì)文檔）。對于PDF形式出版物而言，由于受Acrobat reader（閱讀器）的限制，僅能實現(xiàn)簡單的文檔鏈接和目錄功能；2）Web（ie格式）。對于web形式技術(shù)出版物，可以發(fā)布成單機版（CDROM提供）和網(wǎng)絡(luò)版，具有鏈接、目錄和一些定制的高級搜索、導(dǎo)航、信息反饋功能。Web發(fā)布樣式如圖10所示。

4 結(jié)束語

IETM作為一種現(xiàn)代化裝備保障的必要技術(shù)，它具有數(shù)字化、結(jié)構(gòu)化、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化、顯示多樣化、良好的交互性等特點，在武器裝備研制、使用、維護(hù)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。本文通過分析傳統(tǒng)航空發(fā)動機裝配技術(shù)手冊的現(xiàn)狀及不足，對基于S1000D標(biāo)準(zhǔn)的IETM制作技術(shù)進(jìn)行研究，以某型航空發(fā)動機為依托成功開發(fā)了航空發(fā)動機裝配技術(shù)手冊系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有以下特點：

1）高效的維護(hù)和管理。工藝信息結(jié)構(gòu)化、模塊化編寫，只需更新原始模塊，即可實現(xiàn)手冊中所有引用模塊的自動更新；更改紀(jì)錄公共源數(shù)據(jù)庫自動留痕，更改內(nèi)容高亮顯示；數(shù)據(jù)更改后，版本自動升版，所有歷史版本數(shù)據(jù)庫自動留存。

2）直觀、準(zhǔn)確的多媒體表達(dá)。文本和非文本信息同屏顯示（左側(cè)文本，右側(cè)圖解），相互分離且互為關(guān)聯(lián)；全面應(yīng)用數(shù)字化三維矢量圖解及仿真動畫傳遞工藝信息。

3）良好的訪問和交互性。工藝信息分層分類，且構(gòu)建了樹形導(dǎo)航樹；強大的搜索引擎，支持工藝信息的全文檢索和模糊檢索；工藝信息的相互關(guān)聯(lián)。手冊中相關(guān)信息雙向關(guān)聯(lián)（文本與圖形，文本與動畫，圖形與表格），支持信息同卷或跨卷跳轉(zhuǎn)。

目前航空發(fā)動機行業(yè)數(shù)字化發(fā)展迅速，開發(fā)基于全生命周期管理的數(shù)字化裝配技術(shù)手冊也是發(fā)動機數(shù)字化制造的必然趨勢。

【參考文獻(xiàn)】

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[4]裝備IETM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實施指南[M].北京：國防工業(yè)出版社，2012（4）.

[5]安燕霞.基于航空發(fā)動機IETM 制作的多媒體技術(shù)研究[J].科技視界，2014（13）：109-110.

[責(zé)任編輯：田吉捷]