集成環(huán)境下基于MBD的飛機零件數(shù)字化裝配工藝

林偉，羅群，陳龑斌

（1.航空工業(yè)西安飛機工業(yè)（集團）有限責任公司，制造工程部， 西安 710089；2.航空工業(yè)西安飛機工業(yè)（集團）有限責任公司，機翼裝配廠， 西安 710089）

引言

在飛機零件裝配工藝中，數(shù)字化制造技術應用得越來越廣泛，使得裝配技術漸漸從手工裝配向自動化裝配方向發(fā)展[1,2]。現(xiàn)代飛機產品中負載整體架構件的使用以及高質量機體架構壽命與高效率等要求越來越高，飛機零件的裝配要求更為精確、嚴格。而且現(xiàn)代飛機機體架構內鈦合金與復合材料的比重出現(xiàn)了大幅度提升，給飛機自動化裝配內自動質孔設備的質孔性能提出了更高要求。飛機零件數(shù)字化裝配主要是憑借自動鉆鉚系統(tǒng)經過離線編程系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)，依靠裝配指令使文件互相協(xié)作，完成飛機零件的數(shù)字化裝配任務[3]。

零件數(shù)字化裝配大致能夠分為兩種方法：一種是通過手工調控測量飛機零件的厚度、尺寸以進行裝配，另一種是通過離線編程軟件自動生成裝配序列。但第一種方法速度過慢，容易出現(xiàn)誤差，如今使用較多的是第二種方法。但由于這種方法主要針對傳統(tǒng)飛機CAD系統(tǒng)，加工對象的幾何模型大多是用在形象描述產品架構上。對于集成系統(tǒng)，幾何模型不僅僅需要讓其圖像顯著，還需要為集成系統(tǒng)提供所需的裝配加工生產數(shù)據(jù)。比如通過離線編程系統(tǒng)[4]對飛機零件進行數(shù)字化裝配，不僅需要加工目標零件的幾何模型，還需要對與加工對象存在關聯(lián)的孔徑、鉚釘以及空位種類等加工制造數(shù)據(jù)進行分析因此在飛機零件數(shù)字化裝配中存在一定不足。另外還有一種零件數(shù)字化裝配方法為數(shù)字化柔性裝配[5]，根據(jù)飛機機身部件的結構特點，分析數(shù)字化激光測量系統(tǒng)在其裝配過程中的應用。該方法存在一定優(yōu)勢，但同樣存在相應分析不足的問題。

針對上述問題，本文提出了集成環(huán)境下一種基于MBD的飛機零件數(shù)字化裝配工藝方法。該方法通過零件裝配工藝的特征模型對零件進行劃分，使之后的數(shù)字化裝配效率提高，并且通過本體論對整體的裝配工藝概念進行客觀表示，從而使數(shù)字化裝配的精準性能達到最大值。實驗證明，本文方法能夠有效改善集成環(huán)境下飛機零件的數(shù)字化裝配工藝，并且在裝配的同時提升零件材料的應變使用性能。

1 集成環(huán)境下基于MBD的飛機零件數(shù)字化裝配工藝

1.1 零件裝配工藝特征模型構建

基于模型定義的飛機零件裝配工藝特征，即按照飛機柔性裝配中零件的架構特征與自動裝配的工藝需求，對自動狀態(tài)下需要使用的加工工藝、幾何數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析以及抽象化處理，其中，幾何數(shù)據(jù)應盡可能具有零件所在的蒙皮表面中心點的方向與坐標矢量，加工工藝數(shù)據(jù)盡可能具有零件所在位置的材料、鉚丁與直徑孔等[6]。以模型定義的零件裝配工藝特征與飛機部件的MBD模型為基礎，綜合特征技術，將所有數(shù)據(jù)融入至產品的數(shù)模內，實現(xiàn)最終零件工藝模型的構建，同時在之后的離線編程系統(tǒng)中通過數(shù)據(jù)模型描述數(shù)據(jù)源，離線提取編程與自動識別系統(tǒng)工藝規(guī)劃所要求的幾何數(shù)據(jù)與非幾何數(shù)據(jù)，依靠提取的數(shù)據(jù)進行路徑規(guī)劃與自動工藝決策等，提升離線編程系統(tǒng)的自動化程度。

針對離線編程系統(tǒng)所需要使用的工藝規(guī)劃流程數(shù)據(jù)[7]，特別構建了面向飛機自動化裝配所需要的離線編程系統(tǒng)的零件工藝特征數(shù)據(jù)模型，如圖1所示。

零件的工藝特征數(shù)據(jù)模型具有數(shù)控工序模型、零件設計模型與裝配工藝數(shù)據(jù)三種部分[8]，把零件的工藝特征數(shù)據(jù)模型K描述成：

式中：

M—擬定發(fā)放的零件設計模型，即之后構建零件加工制造模型的唯一憑證；

Nl—第i種數(shù)控工序模型，其將應用于數(shù)控加工的輔助工藝內[9]，并且與零件加工工序相互對應，即工序MBD模型總量是通過零件加工工序的總量決定的；

—零件工藝模型的裝配工藝數(shù)據(jù)，即飛機自動化裝配系統(tǒng)所必須擁有的工藝規(guī)劃數(shù)據(jù)與工藝擬定數(shù)據(jù)。裝配工藝數(shù)據(jù)通常不會在三維模型內直線顯示，但是大致和三維特征存在一定的關聯(lián)，同時能夠通過查詢獲得。

為了使工藝規(guī)劃更為簡易，裝配工藝數(shù)據(jù)存在制孔集合數(shù)據(jù)[10]，鉚接輔助數(shù)據(jù)以及工藝輔助數(shù)據(jù)。因此，裝配工藝數(shù)據(jù)為：

式中：

Gi—第i種零件孔的集合數(shù)據(jù)；

圖1 零件工藝特征數(shù)據(jù)模型

Pi—第i種零件孔的工藝輔助數(shù)據(jù)；

Ri—第i種預鉚接零件孔的鉚接輔助數(shù)據(jù)。

制孔幾何數(shù)據(jù)大致應該存在預加工零件孔中心點的坐標數(shù)據(jù)以及預加工零件孔位的中心法向矢量數(shù)據(jù)兩種部分，將其描述為：

式中：

Ci—第i種零件孔的中心點的坐標數(shù)據(jù)集合；

Ni—第i種零件孔的中心法向矢量數(shù)據(jù)集合。

零件孔的坐標數(shù)據(jù)即零件孔在飛機數(shù)模中的三維坐標，將其描述為：

式中：

Xj,Yi,Zi—第i種零件孔的X,Y,Z坐標。

零件孔中心法向矢量數(shù)據(jù)集零件孔置信的法向矢量在飛機數(shù)模構建坐標系中的映射，能夠將其描述成：

式中：

Xdiri,Ydiri,Zdiri—第i種孔的法向矢量。

工藝輔助數(shù)據(jù)即零件孔加工數(shù)據(jù)，主要為飛機零件自動化裝配系統(tǒng)供給與制零件孔工藝之間存在關聯(lián)的數(shù)據(jù)。其中具有零件孔類型、零件孔深度、預加工零件孔直徑、孔的锪窩數(shù)據(jù)與零件孔所處的坐標飛機的厚度與材料。所以，工藝輔助數(shù)據(jù)能夠描述成：

式中：

Ti—第i種零件孔的種類；

Di—第i種零件孔的直徑；

Ei—第i種零件孔的[11]加工深度；

Zi—第i種零件孔的锪窩數(shù)據(jù)；

Si—第i種孔所處的坐標飛機的材料數(shù)據(jù)。

第i種孔的種類：

式中：

A—零件孔種類的集合；

Hole—基準零件孔的集合，具有局部基準孔與全局基準孔；

Rivet[12]—鉚丁孔的集合，存在已經具有臨時鉚丁孔與鉚丁孔兩種部分；

Other—每一種預加工零件孔的集合。

第i種零件孔的锪窩數(shù)據(jù)：

式中：

Ci—第i種零件孔的锪窩角度；

Pj—第i中零件孔的锪窩深度。

第i種零件孔所處坐標飛機的材料數(shù)據(jù)為：

式中：

Wi—第i種零件孔所處坐標飛機的材料種類；

Hi—第i種零件孔所處[13]坐標飛機的材料厚度。

鉚接輔助數(shù)據(jù)具有鉚釘種類數(shù)據(jù)與是否涂膠兩種能力。鉚釘種類數(shù)據(jù)即集成環(huán)境下飛機自動化裝配系統(tǒng)在自動鉚接流程內自動送釘系統(tǒng)挑選適合鉚釘?shù)膽{據(jù)，也是尾端運行器在鉚接之前需要的第二次確準的憑據(jù)[14]。涂膠能力主要針對復材產品，復材產品主要使用抽鉚進行裝配，在進行抽鉚之間一定要對抽定進行涂膠處理。綜上所述，鉚接輔助數(shù)據(jù)能夠描述成：

式中：

Ui—第i種需要進行鉚接的零件孔的鉚釘種類；

Qi—第i種零件孔在進行鉚接之前需不需要對其進行涂膠。

鉚釘種類：

式中：

Vi—第i種零件孔所需求的[15]鉚釘直徑；

Yi—第i種零件孔所需要的鉚釘尺寸；

Qi—一種評測數(shù)據(jù)，存在true與false兩種值，在Qi=true時，就代表需要對鉚釘進行涂膠，反之則不需要進行涂膠。

1.2 裝配工藝模型

集成環(huán)境下基于MBD的裝配工藝模型即把裝配流程內的工藝數(shù)據(jù)引入幾何模型中，用該模型當做零件生命周期內數(shù)據(jù)源的傳遞通道，直到裝配工作結束?；贛BD的裝配工藝模型是通過工序模型、工藝屬性與[16]集合模型形成的，因此，可以將模型C擬定成：

式中：

L—裝配體的幾何擬定模型，即基于MBD裝配工藝模型的承載；

Hi—第i種工序模型，是零件裝配流程里第i種工序所對應的模型，基于MBD的工序模型，往往都應用于輔助工藝的擬定中，存在參與裝配工藝數(shù)據(jù)與裝配工序的零件集合模型等；

Aj—工藝屬性數(shù)據(jù)，比如裝配的工藝規(guī)劃數(shù)據(jù)和分工路徑數(shù)據(jù)以及工藝設計數(shù)據(jù)。

1.3 工序模型定義

為了使集成環(huán)境下工藝設計能夠達到最大化的簡易，體現(xiàn)完整的裝配工藝流程，將整體狀態(tài)工藝與工序用在單位進行分割中，建造基于MBD的工序模型，因此需要剔除工序模型之外的零部件幾何數(shù)據(jù)，還需要使飛機零件、裝配順序與裝配方法等非幾何數(shù)據(jù)之間存在約束關系，因此能夠將基于MBD的工序模型設定成：

式中：

Oi—該道工序所具有的第i種基于MBD的零件工藝數(shù)據(jù)模型；

Cj—零件之間存在的約束關聯(lián)；

Pk—這道工序的裝配需求，例如裝配路徑、裝配方法與裝配順序等；

Rl[17]—工序屬性數(shù)據(jù)，例如工序命名與工序編號等。

基于MBD的工序模型架構能夠通過圖2描述。

1.4 構建裝配工藝本體

裝配工藝建模使基于本體理論，在整體工藝流程里的所有步驟中實現(xiàn)的都能夠在整個零件裝配過程中進行共享理論，進而保證零件裝配的協(xié)調、合理與平滑性，這就使得零件裝配的效率與裝配質量都得到了較大的提升。

圖2 基于MBD的工序模型

通過本體論的工藝模型，即依靠本文論對裝配工藝進行客觀概述，在分析整體裝配過程的基礎上，將裝配流程的知識理論分割為三種層次，即零件工藝數(shù)據(jù)層、工序層和工藝層，其分別對應零件工藝數(shù)據(jù)本體、工序本體和工藝本體，這其中工藝本體存在工序本體與零件工藝數(shù)據(jù)本，通過公理化與標準化的形式對工藝進行描述，含有裝配流程中的任何數(shù)據(jù)，工序本體即對某種具體工序的本體化進行表示，存在安裝順序、安裝方法、安裝動作、安裝路徑與約束關聯(lián)等，是定義、說明與深度剖析裝配工藝的一種方式，反映了基于MBD的工序模型，零件工藝數(shù)據(jù)本體存在材料、準度、尺寸與實體模型的精確語義關聯(lián)，與制造數(shù)據(jù)對剩余數(shù)據(jù)的影響以及自身隨著裝配效率增加出現(xiàn)的動態(tài)變化有關，例如零件材料的不同會對集成環(huán)境下飛機零件裝配的方式產生干擾，并且裝配流程中的準確度數(shù)據(jù)會對存在關聯(lián)的尺寸約束產生干擾。其中裝配確準度在裝配流程內的自身轉化，映射的是基于MBD的零件工藝數(shù)據(jù)模型，裝配工藝本體的架構，即將存在工序層、層零件工藝數(shù)據(jù)層與工藝含有關系的理念進行集合，以提升它們之間的顯著層次關聯(lián)，同時還需要明確所有層次之間的工藝數(shù)據(jù)的語義關聯(lián)。

憑借上述裝配工藝本體的擬定方法，可以組建基于本體的工藝模型架構，即裝配工藝本體的架構，該架構的圖解如圖3所示。

依靠本體的設定方法與裝配工藝本體模型架構，經過Prote′ge′本體構建工具利用對概念之間存在的約束關聯(lián)與概念進行設定，組建配工藝本體，合成裝配工藝本體的概念樹，之后依靠Prote′ge′本體建模工具里的OWL代碼輸出功能，就可以將零件裝配工藝本體的數(shù)據(jù)進行記錄。

1.5 MBD數(shù)據(jù)在飛機零件數(shù)字化裝配的應用

在上述得到的零件裝配工藝本體數(shù)據(jù)的基礎上，可以利用工裝協(xié)議建模、數(shù)字化產品與擬定數(shù)字化裝配工藝。另外，構造飛機零件數(shù)字化裝配的數(shù)據(jù)之前，需要組建相應的飛機多媒體裝配流程動畫與三維構架圖解，將其用于裝配現(xiàn)場的指導裝配內。

這些數(shù)字化產品、工裝數(shù)據(jù)與多媒體數(shù)據(jù)已經完全代替了紙質工藝指令與二維工程圖紙，依已然成為了對工人進行技術訓練的多媒體信息與集成環(huán)境下飛機零件數(shù)字化裝配現(xiàn)場指導工人操作的信息證明。因此需要建造面向飛機零件數(shù)字化裝配數(shù)據(jù)的裝配現(xiàn)場可視化系統(tǒng)，將工藝活動作為中心，將數(shù)字化轉配數(shù)據(jù)、運行過程工藝圖解、操作動畫與數(shù)字化工裝資源數(shù)據(jù)組合起來，憑借裝配現(xiàn)場中的每一種裝配工位建造網絡，擬定裝配現(xiàn)場數(shù)字化的使用終端裝置，將數(shù)字化數(shù)據(jù)傳遞至裝配操作現(xiàn)場中，依靠多媒體的裝配工藝數(shù)據(jù)、三維工裝數(shù)據(jù)與三維產品數(shù)據(jù)，在集成環(huán)境下指導工人對飛機的零件進行數(shù)字化裝配工作。

2 實驗證明

為了證明本文方法的實用性，選定如今選用較多的離線軟件法[4]以及數(shù)字化柔性裝配方法[5]與本文方法進行對比，并在本文方法中擬定一種控制系統(tǒng)對運行數(shù)據(jù)進行分析，通過軟PLC控制系統(tǒng)對飛機、飛機零件進行控制，零件控制系統(tǒng)采用KR-C2系列。

PLC控制系統(tǒng)通過插入計算機的PLC卡與操作面板接觸。在飛機零件的基礎上，選取另一種類的零件，用于控制線性導軌中。

圖3 裝配工藝本體模型架構

氣缸推動電主軸與壓腳同時移動，在壓腳抵住工件表面時，壓力傳感器識別出壓力值已到達擬定的閾值時，姿態(tài)傳感器開始運行，把目前坐標角度識別同時反饋，假如存在需要就將其進行微調，主軸快速運動至接近點，隨后憑借擬定的轉速進行旋轉，同時憑借擬定的遞進速度進行锪孔鉆，并且啟動真空除屑，到達擬定的锪孔深度時，主軸會返回初始位置，關閉真空，并識別鉆頭是否出現(xiàn)破損，等待零件移動至下一個鉆孔坐標時，進行下一種工作循環(huán)。壓腳壓力識別使用稱重傳感器，最大的識別壓力為198 N。

使用數(shù)字光纖傳感器來完成零件尺寸的自動測量與分解識別。不考慮零件尺寸與裝夾坐標如何，都可以實現(xiàn)零件尺寸的自動檢測，配合主軸遞進與壓腳遞進的光柵尺，完成锪孔深度的精確控制。

使用兩種增量式封閉式光柵尺，完成壓腳與中州遞進距離的識別，精確度的等級使用±3 μm，測量的步矩是0.1 μm。

通過數(shù)據(jù)估算處理，四排零件釘?shù)尼斴d分配如圖4所示。并且進行了間隙鏈接釘載測驗結果對比。

通過圖4能夠看出，使用離線軟件法以及數(shù)字化柔性裝配方法會使負荷材料在間隙鏈接時，外排釘和內排釘具有著較大的分配不均勻狀況，而通過本文方法對零件進行裝配就能夠把這種不均勻的狀況縮減至8 %以內，能夠最大限度的提升零件材料的應變使用性能，滿足了智能飛機的高壽命需求。

為了進一步驗證本文方法對集成環(huán)境下飛機零件數(shù)字化裝配時的優(yōu)勢，本文接下來對飛機零件裝配準確性進行實驗。實驗結果見圖5。

通過圖5能夠看出，使用本文方法使集成環(huán)境下飛機零件數(shù)字化裝配的準確性要高于離線軟件法以及數(shù)字化柔性裝配方法，從而證明了應用本文方法在飛機零件數(shù)字化配置工作中的重要性。

3 結論

圖4 不同方法的釘載分配結果

圖5 不同方法的裝配準確率對比結果

為了改進集成環(huán)境下飛機零件數(shù)字化裝配工藝方法，使消耗的人力、物力與資源降至最低，本文提出了一種集成環(huán)境下基于MBD的飛機零件數(shù)字化裝配工藝方法，首先以零件裝配工藝特征與飛機部件的MBD模型為基礎，構建零件裝配工藝的特征模型，分割整體狀態(tài)工藝與工序，建造基于MBD的工序模型，改善工藝設計達到簡易程度，隨后利用本體論對整體的裝配工藝概念進行客觀表示，同時把裝配流程知識分化成三種層次：工序層、工藝層與零件工藝數(shù)據(jù)層，憑借層次分化構建工藝本體模型，最后將上述特征模型與工序模型進行融合，同時將其應用至工藝本體模型內，進而實現(xiàn)對飛機零件數(shù)字化的裝配工藝。結果顯示本文方法不僅符合智能飛機的高壽命要求，還能最大限度提升零件材料的應變使用性能。