基于知識的飛機制造協(xié)調(diào)路線交互設計技術(shù)*

（南京航空航天大學機電學院，南京 210016）

工藝規(guī)劃是連接飛機制造和設計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為飛機生產(chǎn)提供工藝準備，并貫穿于飛機零件制造以及裝配的全過程[1]。實施飛機數(shù)字化工藝技術(shù)對于實現(xiàn)設計與制造的并行、工藝與工裝的并行、工藝與制造及檢驗的并行，從而縮短生產(chǎn)準備周期、提升飛機制造質(zhì)量意義重大[2]。互換協(xié)調(diào)是飛機制造工藝的中心問題，互換協(xié)調(diào)性的好壞，取決于互換協(xié)調(diào)方法選擇、互換協(xié)調(diào)路線設計及容差分配合理性等工藝因素?；Q協(xié)調(diào)圖表作為一種主要的互換協(xié)調(diào)工藝文件，規(guī)定了零部件、零件工藝裝備、裝配工藝裝備、標準工藝裝備之間的制造關(guān)系、從屬關(guān)系及協(xié)調(diào)關(guān)系。然而，在實施飛機數(shù)字化工藝所要求的并行工作流中，互換協(xié)調(diào)圖表不涉及零部件或工裝的具體尺寸或形狀的形成過程，造成目前工藝規(guī)劃系統(tǒng)中互換協(xié)調(diào)方案制訂與容差設計的相對孤立，無法滿足它們互為校驗的內(nèi)在需求。飛機制造協(xié)調(diào)路線是根據(jù)所采用的協(xié)調(diào)體系，通過各工藝裝備間的協(xié)調(diào)關(guān)系，表達機體上某處配合或?qū)硬课坏囊唤M或一個協(xié)調(diào)尺寸、形狀在形成過程中的傳遞關(guān)系和傳遞流程圖[3]。它包含了零部件制造的尺寸、形狀傳遞和協(xié)調(diào)關(guān)系，以及尺寸容差信息。飛機制造協(xié)調(diào)路線是表達其工藝尺寸鏈和結(jié)構(gòu)尺寸鏈的核心要素，是制造協(xié)調(diào)準確度和容差分配的信息基礎?；Q協(xié)調(diào)方案和容差分配存在互為校驗的內(nèi)在需求，而制造協(xié)調(diào)路線則是聯(lián)系它們的重要紐帶。

在現(xiàn)行的工藝設計模式下，制造協(xié)調(diào)路線先由工藝員手工繪制（包含尺寸公差設定），再據(jù)此整理出工藝（或結(jié)構(gòu)）尺寸鏈，然后進行制造協(xié)調(diào)準確度計算或容差分配。一方面，協(xié)調(diào)路線設計時需參照大量的標準、規(guī)范、經(jīng)驗數(shù)據(jù)等分散知識，如產(chǎn)品及工裝圖紙、工藝規(guī)程、公差配合標準、容差分配標準、設備加工精度、夾具定位精度等，存在對人員技術(shù)要求高、設計繁瑣和效率低下等問題。另一方面，制造協(xié)調(diào)路線所包含的尺寸鏈和公差信息需要經(jīng)過工藝員的整理和提取，才能用于準確度計算和容差分配，未實現(xiàn)工藝信息的數(shù)字量傳遞。傳統(tǒng)的設計方法不符合飛機數(shù)字化工藝的要求，嚴重制約了飛機制造工藝水平的提升。張平生[4]研究了基于實例和知識的互換協(xié)調(diào)圖表生成，該方法通過啟發(fā)式知識引導工藝人員進行互換協(xié)調(diào)圖表的編制。王爽等[5]構(gòu)建了計算機輔助飛機裝配協(xié)調(diào)工藝設計系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于規(guī)則推理的互換協(xié)調(diào)圖表創(chuàng)建。上述研究是針對互換協(xié)調(diào)圖表的設計，與本文的研究內(nèi)容不同，但其設計思想具有參考價值。姚澎濤等[6]提出了一種基于尺寸協(xié)調(diào)關(guān)系定義的飛機制造協(xié)調(diào)路線圖的自動生成方法，采用格式化文本定義尺寸協(xié)調(diào)工藝文件，缺乏直觀性且編寫復雜，對工藝人員要求高。黃巍等[7]研究了計算機輔助飛機制造協(xié)調(diào)路線設計，實現(xiàn)了基于圖符定義的協(xié)調(diào)路線圖創(chuàng)建，該方法通過預定義的圖符編號來確定協(xié)調(diào)關(guān)系和尺寸傳遞順序，操作繁瑣，靈活性差?？傮w上看，相關(guān)研究對飛機制造協(xié)調(diào)路線的智能化設計、面向容差分配的數(shù)據(jù)集成等方面關(guān)注較少，存在的不足也有待進一步研究。

隨著計算機科學技術(shù)和人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展，基于知識的智能系統(tǒng)已在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事和科教等國民經(jīng)濟領域得到了廣泛應用。在工程設計領域，知識通常是指能用于工程設計與決策的各種信息和經(jīng)驗的總和。如何合理地存儲、組織、管理、應用和共享知識是基于知識的智能系統(tǒng)所面臨的一個十分關(guān)鍵的問題[8-11]?；谥R工程和圖形化設計思想，本文研究實現(xiàn)了基于知識的飛機制造協(xié)調(diào)路線設計系統(tǒng)。在知識分類表達基礎上建立了設計知識庫，同時建立了制造協(xié)調(diào)單元的圖符庫，運用知識推理和圖符智能捕捉技術(shù)實現(xiàn)了協(xié)調(diào)路線的啟發(fā)式設計；建立了制造協(xié)調(diào)路線的信息模型，設計了面向容差設計的規(guī)范化尺寸協(xié)調(diào)工藝文件的自動生成算法，從而實現(xiàn)了與容差分配決策系統(tǒng)的應用集成。造協(xié)調(diào)路線信息模型，將協(xié)調(diào)路線轉(zhuǎn)換成規(guī)范化協(xié)調(diào)工藝文件進行輸出。同時，保存工程實例文件，方便協(xié)調(diào)路線的修改和重用。

圖1 基于知識的飛機制造協(xié)調(diào)路線設計系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Knowledge-based aircraft manufacturing coordination route design system architecture

制造協(xié)調(diào)路線的知識建模與重用

制造協(xié)調(diào)路線設計系統(tǒng)框架

基于知識的飛機制造協(xié)調(diào)路線設計系統(tǒng)旨在充分利用各種設計知識，準確規(guī)范地定義飛機制造中尺寸形狀的傳遞和協(xié)調(diào)關(guān)系，以及尺寸公差信息，作為容差分配的前端輸入載體，搭建互換協(xié)調(diào)方案制訂和容差分配間的信息橋梁。系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。

飛機制造協(xié)調(diào)路線設計系統(tǒng)中建立知識庫和圖符庫輔助協(xié)調(diào)路線設計。知識庫中包含了各種設計知識，通過知識推理方法，為協(xié)調(diào)路線設計提供知識支持。圖符庫中定義協(xié)調(diào)單元圖符和連接單元圖符，運用智能捕捉技術(shù)實現(xiàn)協(xié)調(diào)路線的交互設計。完成協(xié)調(diào)路線設計后，建立制

1 飛機制造協(xié)調(diào)路線的知識建模

知識建模是通過建立抽象的模型來對各類設計知識進行表達，進而基于該模型實現(xiàn)制造協(xié)調(diào)路線設計中知識的重用，其中涉及到的知識可分為基本協(xié)調(diào)模型、快速設計模板、設計規(guī)范知識和圖符4類。

（1）基本協(xié)調(diào)模型。飛機制造中的協(xié)調(diào)問題，按協(xié)調(diào)部位的結(jié)構(gòu)特點可以分為外形協(xié)調(diào)、交點協(xié)調(diào)和外形與交點的綜合協(xié)調(diào)3類。不同類型的協(xié)調(diào)問題，所要處理的協(xié)調(diào)關(guān)系和容差信息不同。為了方便知識表示和重用，對典型協(xié)調(diào)問題進行分類并建立其基本協(xié)調(diào)模型，主要包括通用外形協(xié)調(diào)、副翼對機翼的吻合性、雙曲面蒙皮零件和型架內(nèi)型板協(xié)調(diào)、型架卡板工作外形上相同百分點連線的直線度、叉耳中心距、孔軸孔配合孔中心距、孔軸孔與叉耳綜合配合、孔軸孔配合同軸度等。

（2）快速設計模板?？焖僭O計模板是制造協(xié)調(diào)路線設計的知識模板，可快速生成協(xié)調(diào)路線的原型，提高設計效率。飛機制造協(xié)調(diào)路線的設計要綜合考慮協(xié)調(diào)類型、原始移形依據(jù)、移形或協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)數(shù)目、結(jié)構(gòu)單元協(xié)調(diào)部位等因素。協(xié)調(diào)路線可能包含多組工藝裝備或結(jié)構(gòu)單元的移形協(xié)調(diào)關(guān)系，其關(guān)系錯綜復雜，不便于協(xié)調(diào)路線原型的快速生成。如某型飛機機身與機翼結(jié)合交點的協(xié)調(diào)路線，就包含機翼與前機身、機翼用交點檢驗量規(guī)與機身用交點檢驗量規(guī)、機翼標準樣件與前機身標準樣件等多處協(xié)調(diào)要求。為了便于協(xié)調(diào)路線原型的生成，將協(xié)調(diào)路徑定義為從原始協(xié)調(diào)依據(jù)到最終有裝配協(xié)調(diào)要求的工藝裝備或結(jié)構(gòu)單元的整個尺寸、形狀傳遞過程。其中，規(guī)定了協(xié)調(diào)路線中只包含一對裝配協(xié)調(diào)關(guān)系，即只有兩條協(xié)調(diào)路徑。 協(xié)調(diào)路線中不產(chǎn)生協(xié)調(diào)誤差的移形環(huán)節(jié)忽略不計，即兩條協(xié)調(diào)路徑共有的移形環(huán)節(jié)忽略不計。對于該規(guī)定在表達同時具有多個裝配協(xié)調(diào)關(guān)系時的不足，可基于圖符庫進行交互式的設計修正。

（3）設計規(guī)范知識。設計規(guī)范知識是協(xié)調(diào)路線設計過程中需參照的各種設計規(guī)范和標準，包含公差配合標準、工藝容差標準、加工準確度、定位準確度及各種實用計算公式等知識。

（4）圖符。圖符是協(xié)調(diào)路線中表示各結(jié)構(gòu)單元和移形協(xié)調(diào)過程的圖形化符號，是構(gòu)成協(xié)調(diào)路線的基本元素，分為協(xié)調(diào)單元圖符和連接單元圖符兩類。協(xié)調(diào)單元圖符表示各種制造協(xié)調(diào)單元，連接單元圖符表示單元間的移形協(xié)調(diào)關(guān)系。

利用面向?qū)ο蟮姆椒▽︼w機制造協(xié)調(diào)路線進行知識建模，如圖2所示。其中各對象的含義如表1所示。

圖2 飛機制造協(xié)調(diào)路線的知識模型Fig.2 Aircraft manufacturing coordination route knowledge model

2 飛機制造協(xié)調(diào)路線的知識推理

知識推理實際是一個由已知的知識推導出結(jié)論，或?qū)Y(jié)論進行求證的過程，即知識的使用。從推理方法上分類，推理可分為基于規(guī)則的推理（Rule-based Reasoning，RBR）、基于模型的推理（Model-based Reasoning，MBR）和基于實例的推理（Case-based Reasoning，CBR）。在基于知識的飛機制造協(xié)調(diào)路線設計系統(tǒng)中，使用基于規(guī)則的推理方法來實現(xiàn)知識運用，推理規(guī)則由if - then形式的規(guī)則語言記錄，通過這些規(guī)則推理出設計知識。

例如，在快速設計知識模板生成協(xié)調(diào)路線原型的推理過程中，用A代表協(xié)調(diào)類型，B代表協(xié)調(diào)路徑1上的協(xié)調(diào)單元數(shù)目，C代表協(xié)調(diào)路徑2上的協(xié)調(diào)單元數(shù)目，M代表原型模板，則推理規(guī)則為：if A and B and C then M。

基于圖符庫的協(xié)調(diào)路線圖形化設計

1 圖符和圖符庫

飛機制造協(xié)調(diào)路線的圖形化設計，即使用預定義的可視化圖符庫，通過圖符選擇、拖放式定位、協(xié)調(diào)單元參數(shù)交互編輯等工具手段實現(xiàn)飛機制造協(xié)調(diào)過程中制造協(xié)調(diào)單元的移形過程的完整定義。采用圖形化技術(shù)設計制造協(xié)調(diào)路線具有直觀性好、靈活性強的優(yōu)點。為了滿足圖形設計的需求，對圖符的操作應該滿足以下5點要求。

（1）動態(tài)定位。根據(jù)協(xié)調(diào)路線的設計需求，創(chuàng)建圖符時有鼠標輸入動態(tài)定位。

表1 飛機制造協(xié)調(diào)路線知識模型的對象含義

（2）“熱點”定位。協(xié)調(diào)路線布局要清晰整潔，圖符的中心點排布在一條直線上。因此，在設計主視圖中設置了多組縱橫交錯的標尺線，并將標尺線的交點稱為“熱點”，圖符按距離鼠標輸入的最近“熱點”進行動態(tài)定位。

（3）自由移動。圖符生成后要便于交互修改，可采用鼠標拖放進行自由移動并定位。

（4）連接智能捕捉。在給定的范圍內(nèi)，創(chuàng)建連接圖符時，連接單元圖符可以智能捕捉到協(xié)調(diào)單元圖符的邊界點，自動連接。

（5）集成尺寸容差信息。在圖形化協(xié)調(diào)路線設計中，圖符充當著尺寸鏈的信息輸入接口，并將其承載的幾何尺寸、公差和移形誤差等信息集成到協(xié)調(diào)路線模型中。

圖符庫是各種圖符的集合，圖3為圖符庫的層次結(jié)構(gòu)模型。整個圖符庫由抽象基類ShapeBase衍生而來，ShapeBase中定義了Draw()、Move()、Link()、GetData()、GetPosition()等具有多態(tài)性的圖符基本操作，便于派生類對象根據(jù)自身特性進行相應的操作。從ShapeBase基類派生出了CoordinationUnitShape類和LinkUnitShape類，分別代表協(xié)調(diào)單元圖符和連接單元圖符兩種類別。為了更清楚地表達不同協(xié)調(diào)單元和連接單元對象的特性，從CoordinationUnitShape類派生出了 ProcessEqup1、ProcessEqup2、ProcessEqup3、ProcessEqup4、ProcessEqup5等5個圖符類代表不同的裝配協(xié)調(diào)單元，從LinkUnitShape類派生出 LinkUnitOne、LinkUnitTwo、FitUnit 3個圖符類代表不同的連接單元。新派生的子類中都有表示位置信息和容差信息的Position對象和Data對象，通過自身定義的操作可實現(xiàn)圖符的生成、移動、連接、定位等功能。

2 圖符智能捕捉算法

圖符智能捕捉是指圖符在繪制、移動、連接的過程中，對一些特殊定位點的識別和定位的過程，例如協(xié)調(diào)單元圖符對“熱點”的智能捕捉和連接單元圖符對協(xié)調(diào)單元圖符連接點的智能捕捉等。圖4為協(xié)調(diào)單元圖符“熱點”的捕捉定位過程，具體步驟如下：

（1）從鼠標處獲取圖形的目標定位點，存入圖符的Position對象中的p_center點中。

（2）在繪圖窗口中繪制定位“熱點”。

（3）以p_center點為中心，以“熱點”水平間距的兩倍為邊長，畫出一個矩形區(qū)域，并找出矩形區(qū)域內(nèi)包含的所有“熱點”。矩形區(qū)內(nèi)的“熱點”數(shù)目很少，不會超過4個，可以大大減小帶搜索“熱點”的數(shù)量。

（4）計算矩形區(qū)內(nèi)的每個“熱點”與p_center點的距離，找到最近的“熱點”。

（5）將距離最近的“熱點”的值賦值給p_center點，調(diào)用圖符的Draw()函數(shù)繪制圖形。

（6）重畫窗口，清除以前的圖形。

連接單元圖符對協(xié)調(diào)單元圖符的智能捕捉過程與上述過程類似，這里不做描述。

面向容差分配的制造協(xié)調(diào)路線信息模型

在知識引導和圖形化工具的支持下，設計完成的飛機制造協(xié)調(diào)路線清楚地體現(xiàn)飛機零部件配合尺寸的形成過程和協(xié)調(diào)關(guān)系，同時也集成了協(xié)調(diào)準確度計算所需的完備容差信息。但這些信息還需要整理并轉(zhuǎn)化為尺寸鏈，才能為容差分析計算所用。制造協(xié)調(diào)路線的信息模型是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包含了協(xié)調(diào)路線中的所有協(xié)調(diào)關(guān)系和數(shù)據(jù)信息。利用該模型可以實現(xiàn)規(guī)范化尺寸協(xié)調(diào)工藝文件的自動生成，為下一步的容差分析計算提供信息載體。協(xié)調(diào)路線信息模型的建立過程分為協(xié)調(diào)環(huán)提取和模型構(gòu)建兩個部分。

1 協(xié)調(diào)環(huán)提取

在工藝尺寸鏈中，將兩個制造協(xié)調(diào)單元間的尺寸移形關(guān)系稱為組成環(huán)，將兩個制造協(xié)調(diào)單元間的尺寸配合關(guān)系稱為封閉環(huán)，并將組成環(huán)和封閉環(huán)統(tǒng)稱為協(xié)調(diào)環(huán)。在系統(tǒng)中設計了協(xié)調(diào)環(huán)的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由兩部分內(nèi)容組成：一部分記錄制造協(xié)調(diào)單元間的移形過程和協(xié)調(diào)關(guān)系；另一部分記錄制造協(xié)調(diào)單元的容差和移形誤差等信息。圖5展示了協(xié)調(diào)環(huán)的提取過程，根據(jù)圖符智能捕捉功能可知，連接單元圖符的首尾端點必然為協(xié)調(diào)單元圖符的邊界點；利用連接單元圖符和協(xié)調(diào)單元圖符的位置關(guān)系，可得到協(xié)調(diào)單元的協(xié)調(diào)關(guān)系和制造容差信息，提取這些信息并存儲到協(xié)調(diào)環(huán)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。

圖3 圖符庫層次結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Figure library architecture model

圖4 “熱點”定位過程Fig.4 Geting “Hot Point”

2 構(gòu)建信息模型

構(gòu)建協(xié)調(diào)路線信息模型的過程如圖6所示。首先遍歷連接單元圖符，提取出飛機制造協(xié)調(diào)路線中的所有組成環(huán)和封閉環(huán)。這些協(xié)調(diào)環(huán)包含了飛機制造協(xié)調(diào)路線中的所有協(xié)調(diào)關(guān)系和容差信息，這些信息還需要結(jié)構(gòu)化處理，才能作為工藝尺寸鏈輸出，為此建立了制造協(xié)調(diào)路線的統(tǒng)一信息模型來規(guī)范協(xié)調(diào)工藝文件的輸出。分析協(xié)調(diào)路線的移形特點可知，協(xié)調(diào)路線具有單向傳遞和多分支的特點，可采用回溯求源的方法將孤立的協(xié)調(diào)環(huán)串聯(lián)起來構(gòu)建協(xié)調(diào)路線信息模型，具體步驟如下。

圖5 協(xié)調(diào)環(huán)提取示意圖Fig.5 Coordination link collection sketch map

圖6 協(xié)調(diào)路線信息模型創(chuàng)建示意圖Fig.6 Coordination route information model creating sketch map

（1）獲取協(xié)調(diào)路徑。

·從封閉環(huán)10的協(xié)調(diào)單元J開始，在組成環(huán)鏈表中尋找以J為移形結(jié)束狀態(tài)的組成環(huán)，從而找到組成環(huán)9。根據(jù)9中的協(xié)調(diào)關(guān)系，在組成環(huán)鏈表中尋找以I為移形結(jié)束狀態(tài)的組成環(huán)，從而找到組成環(huán)8。根據(jù)8中的協(xié)調(diào)關(guān)系，在組成環(huán)鏈表中尋找以B為移形結(jié)束狀態(tài)的組成環(huán)，從而找到組成環(huán)1。根據(jù)1中的協(xié)調(diào)關(guān)系，在組成環(huán)鏈表中尋找以A為移形結(jié)束狀態(tài)的組成環(huán)，無法找到，結(jié)束尋找。得到協(xié)調(diào)路徑“1-8-9”。

·從封閉環(huán)10的協(xié)調(diào)單元E開始，重復上述過程得到協(xié)調(diào)路徑“1-2-3-4”。

·同理，從封閉環(huán)11中得到協(xié)調(diào)路徑“1-2-5-6-7”和協(xié)調(diào)路徑“1-2-3-4”。

（2）對協(xié)調(diào)路徑進行整理，得到3 條 協(xié) 調(diào)路徑“1-8-9”、“1-2-3-4”和“1-2-5-6-7”。

（3）將協(xié)調(diào)路徑按樹形結(jié)構(gòu)排列，合并相同組成環(huán)，形成制造協(xié)調(diào)路線信息模型。

（4）對該結(jié)構(gòu)進行遍歷，輸出封閉節(jié)點信息，即可得到規(guī)范化尺寸協(xié)調(diào)工藝文件，即工藝尺寸鏈文件。

系統(tǒng)實現(xiàn)

根據(jù)上述方法，采用Visual Studio C++開發(fā)了基于知識的飛機制造協(xié)調(diào)路線設計系統(tǒng)。以叉耳配合交點中心距的典型協(xié)調(diào)路線為例，說明系統(tǒng)的工作流程。首先，確定協(xié)調(diào)路線的類型，利用快速設計模板，設置各協(xié)調(diào)路徑上的工裝數(shù)目和起始工裝情況，生成協(xié)調(diào)路線原型，同時可利用圖符庫提供的圖符工具對協(xié)調(diào)路線原型進行修改，如圖7所示。然后，利用容差分配標準和公差配合尺寸等知識，通過公差代號搜索出極限偏差值，完成工裝制造信息的定義，最終生成規(guī)范化協(xié)調(diào)工藝文件，如圖8所示。最后，將工程文件保存。

圖7 系統(tǒng)界面和協(xié)調(diào)路線原型的生成Fig.7 System interface and coordination route prototype creating

圖8 規(guī)范化尺寸協(xié)調(diào)工藝文件的生成Fig.8 Generation of standardized size coordination process documents

結(jié)束語

基于知識工程的思想，建立了飛機制造協(xié)調(diào)路線設計中基本協(xié)調(diào)模型、快速設計模板、設計規(guī)范知識和圖符4類知識模型，進而提出了基于知識的飛機制造協(xié)調(diào)路線設計方法。開發(fā)了飛機制造協(xié)調(diào)路線數(shù)字化設計系統(tǒng)，以制造協(xié)調(diào)單元和連接單元的圖符庫為基礎，采用圖形智能捕捉算法實現(xiàn)了制造協(xié)調(diào)路線的快速創(chuàng)建。建立了制造協(xié)調(diào)路線的信息模型，在此基礎上設計了規(guī)范化尺寸協(xié)調(diào)工藝文件的自動生成算法，從而實現(xiàn)了面向制造準確度計算和容差分配的數(shù)據(jù)集成。本文的研究打通了飛機制造工藝設計中互換協(xié)調(diào)方案制訂和容差分配的數(shù)字化橋梁，為飛機數(shù)字化工藝的深入開展提供了技術(shù)條件。

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