基于CATIA Composer的飛機(jī)部件裝配進(jìn)度三維可視化技術(shù)研究

韓志仁，劉小誦，吳 蒙，劉寶明

（1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院，沈陽(yáng) 110136；2.航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110136）

飛機(jī)裝配是飛機(jī)制造的主要工作環(huán)節(jié)[1]，可分為部件裝配和整機(jī)總裝。飛機(jī)裝配過(guò)程涉及部門多、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、設(shè)計(jì)變更頻繁。對(duì)于飛機(jī)部件裝配而言，由于飛機(jī)部件裝配過(guò)程中涉及零部件數(shù)量多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，在裝配過(guò)程中需要保證各個(gè)組裝結(jié)構(gòu)間的相互對(duì)應(yīng)，這就對(duì)組織人員之間的信息溝通提出了較高的要求，各個(gè)管理環(huán)節(jié)都需要實(shí)時(shí)了解部件的裝配進(jìn)度和狀態(tài)。

目前，傳統(tǒng)的裝配進(jìn)度展現(xiàn)方式相對(duì)匱乏，多是文字圖表形式，無(wú)法直觀展示哪些零件已經(jīng)裝配完成，哪些零件還未裝配。為幫助車間管理人員快速了解車間裝配生產(chǎn)的實(shí)時(shí)執(zhí)行進(jìn)展，使裝配現(xiàn)場(chǎng)的問(wèn)題能夠及時(shí)得到解決，進(jìn)一步提高生產(chǎn)管控效率，需要一種直觀的飛機(jī)部件裝配進(jìn)度展示方案。

隨著MBD技術(shù)在我國(guó)的深入發(fā)展，三維模型已經(jīng)成為表達(dá)產(chǎn)品信息的主流工具。在此基礎(chǔ)上，基于三維模型的裝配現(xiàn)場(chǎng)信息可視化技術(shù)得到廣泛應(yīng)用[2]。胡保華等[3]實(shí)現(xiàn)了三維裝配工藝設(shè)計(jì)信息在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的可視化。王帥等[4]實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)裝配現(xiàn)場(chǎng)工藝信息在移動(dòng)終端的實(shí)時(shí)展現(xiàn)。賈憲水[5]和張翰方[6]利用HOOPS 圖形開(kāi)發(fā)平臺(tái)，分別針對(duì)飛機(jī)翼身對(duì)接與制孔過(guò)程實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信息的可視化。馬騰等[7]提出了一種飛機(jī)裝配生產(chǎn)線資源信息的可視化方法。但是，從應(yīng)用的角度看，缺少將三維模型應(yīng)用于裝配現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)度信息可視化的研究。段國(guó)齊等[8]采用 OSG 技術(shù)構(gòu)建三維場(chǎng)景，開(kāi)發(fā)了面向裝配現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)進(jìn)度可視化展示系統(tǒng)。但其三維場(chǎng)景沒(méi)有實(shí)現(xiàn)交互，無(wú)法進(jìn)一步操作數(shù)模和查看產(chǎn)品的局部細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)信息。

CATIA Composer是由達(dá)索公司開(kāi)發(fā)的圖形軟件，提供ActiveX 控件，易于實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)的集成，可實(shí)現(xiàn)三維交互功能，還提供了可靠的模型輕量化解決方案[9]?，F(xiàn)階段，基于Composer的輕量化三維模型可視化系統(tǒng)在許多行業(yè)已被廣泛使用[10–12]，但在航空制造企業(yè)應(yīng)用較為有限，大多是利用Composer來(lái)制作輕量化三維附圖和輕量化仿真動(dòng)畫(huà)來(lái)進(jìn)行三維工藝文件的編制輔助現(xiàn)場(chǎng)裝配[13]。

在MBD技術(shù)的背景下，為了準(zhǔn)確、高效地獲取并利用飛機(jī)部件裝配過(guò)程中的裝配進(jìn)度實(shí)時(shí)信息，以提高飛機(jī)部件裝配過(guò)程的管控水平和能力，本研究提出利用CATIA Composer軟件系統(tǒng)，通過(guò)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)信息三維模型實(shí)時(shí)展示飛機(jī)裝配進(jìn)度的方法。

1 飛機(jī)部件裝配進(jìn)度可視化信息模型

1.1 信息分析

目前，飛機(jī)裝配車間的裝配進(jìn)度等生產(chǎn)情況通常采用制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）控制和查看，只要用戶有賬號(hào)和權(quán)限，就可以在MES上通過(guò)站位編碼和工序號(hào)查看某工序完工狀態(tài)。MES主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度、制造資源管理、車間質(zhì)量管理、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理、裝配數(shù)據(jù)采集和制造進(jìn)度展示模塊等[14]。飛機(jī)部件裝配進(jìn)度三維可視化可以作為MES的一部分，其具體工作流程如圖1所示。

圖1 飛機(jī)部件裝配進(jìn)度三維可視化流程Fig.1 3D visual schedule of aircraft component assembly

在裝配準(zhǔn)備階段，由ERP系統(tǒng)導(dǎo)入裝配主生產(chǎn)計(jì)劃，再針對(duì)各個(gè)部裝車間下達(dá)車間裝配作業(yè)計(jì)劃，同時(shí)根據(jù)AO進(jìn)行裝配齊套性檢查, 然后結(jié)合生產(chǎn)計(jì)劃、各裝配AO和物料配套信息，對(duì)應(yīng)AO編號(hào)和站位安排時(shí)間，形成工序作業(yè)計(jì)劃，最后各工段或零件庫(kù)、物流部等憑此相關(guān)有效 AO，完成配送和領(lǐng)料的工作。在裝配執(zhí)行階段，車間裝配小組接收到裝配作業(yè)計(jì)劃后，根據(jù)AO進(jìn)行產(chǎn)品的裝配，操作者會(huì)在MES客戶端上確認(rèn)工序開(kāi)工、完工等操作信息，當(dāng)一道工序完工后方可進(jìn)入下一道。對(duì)于質(zhì)檢工序，在工序完工后應(yīng)提交相關(guān)部門進(jìn)行質(zhì)檢。對(duì)于檢驗(yàn)合格的工序進(jìn)行報(bào)完工操作并將裝配數(shù)據(jù)歸檔保存；對(duì)于檢驗(yàn)不合格的工序，應(yīng)判斷是否存在質(zhì)量問(wèn)題，若沒(méi)有質(zhì)量問(wèn)題，則通過(guò)相關(guān)技術(shù)處理（如讓步放行、臨時(shí)工藝、返修工藝等）后可再次裝配和提交檢驗(yàn)，若存在質(zhì)量問(wèn)題，則轉(zhuǎn)到不合格品處理流程進(jìn)行處理[15]。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)依據(jù)發(fā)布完畢的作業(yè)計(jì)劃進(jìn)行物料配套和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度派工生產(chǎn)，裝配計(jì)劃通過(guò)裝配數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能根據(jù)實(shí)際計(jì)劃的執(zhí)行情況實(shí)時(shí)反饋。

三維進(jìn)度顯示模塊是根據(jù)裝配件的裝配狀態(tài)控制每個(gè)裝配件的顯示屬性而實(shí)現(xiàn)的。

零件裝配狀態(tài)變化的過(guò)程整體上為在裝配執(zhí)行階段所有零組件的裝配狀態(tài)賦值為0（初始狀態(tài)），通過(guò)裝配數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)報(bào)工信息。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)該工序下零件的裝配狀態(tài)為1（待裝）時(shí)，工序報(bào)開(kāi)工；當(dāng)該工序下零件的裝配狀態(tài)為2（已裝且質(zhì)檢合格）時(shí)，工序報(bào)完工；當(dāng)零件裝配質(zhì)量檢查不合格需要返修時(shí)零件的裝配狀態(tài)仍為1（待裝），不合格的零件拆掉之后裝配狀態(tài)重新賦值為0（初始狀態(tài)）。三維進(jìn)度顯示系統(tǒng)從PDM提供的AO中獲得工序的零件配套信息，把工序的狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換成各裝配件的裝配狀態(tài)信息，根據(jù)裝配件的裝配狀態(tài)控制每個(gè)裝配件的數(shù)模的顯示屬性，將現(xiàn)場(chǎng)裝配過(guò)程予以直觀表達(dá)。裝配AO一般采用*.xml的文件格式來(lái)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)化的工藝信息，從工藝屬性描述xml文件中可以得到工序的零部件配套信息，零件圖號(hào)與工序關(guān)系如圖2所示。

圖2 工序?qū)傩悦枋鰔ml文件中零件圖號(hào)與工序關(guān)系Fig.2 Part number and process relationship in process attributes describing xml file

因此，基于AO中的零件配套信息，可以通過(guò)工序開(kāi)、完工狀態(tài)賦予每個(gè)裝配件裝配狀態(tài)（初始狀態(tài)、待裝、已裝）。數(shù)模中的零件圖號(hào)具有唯一性，實(shí)際裝配也是參考圖號(hào)，一道工序完成就說(shuō)明其下配套零件已經(jīng)被裝配。因此可以通過(guò)零件圖號(hào)將裝配狀態(tài)和三維數(shù)模進(jìn)行關(guān)聯(lián)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)用數(shù)模來(lái)展示裝配狀態(tài)。

1.2 零組件裝配進(jìn)度信息模型

為將三維輕量化模型與裝配進(jìn)度信息關(guān)聯(lián)起來(lái)，本文通過(guò)構(gòu)建零組件裝配信息模型的方式對(duì)零件裝配狀態(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)過(guò)濾和重新組織，其過(guò)程如圖3所示。從PDM可以獲得三維AO，其工藝屬性描述xml文件中包含制造工時(shí)、準(zhǔn)終工時(shí)等生產(chǎn)任務(wù)信息和零件清單信息等組件裝配指導(dǎo)工藝信息（靜態(tài)生產(chǎn)信息），從MES中的裝配數(shù)據(jù)采集模塊中可以實(shí)時(shí)獲得現(xiàn)場(chǎng)工序開(kāi)、完工操作信息、檢驗(yàn)記錄等組件裝配過(guò)程產(chǎn)生的信息（動(dòng)態(tài)生產(chǎn)信息）。通過(guò)工序號(hào)等信息可以將靜態(tài)生產(chǎn)信息和動(dòng)態(tài)生產(chǎn)信息關(guān)聯(lián)起來(lái)構(gòu)建零組件裝配信息模型，再通過(guò)零件圖號(hào)將組件輕量化模型與零組件裝配進(jìn)度信息模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)組件三維輕量化模型與裝配進(jìn)度信息的關(guān)聯(lián)。

圖3 零組件裝配進(jìn)度信息模型Fig.3 Component assembly progress information model

2 模型輕量化

原始設(shè)計(jì)CAD文檔包括的信息量大，占用的容量大，需要專門軟件打開(kāi)，并且數(shù)模加載比較耗時(shí)[16–17]。因此在管理層面不適合直接使用產(chǎn)品三維數(shù)模，需要采用一種輕量化的三維模型進(jìn)行表達(dá)，以提高三維模型的顯示與處理效率。

通過(guò)查閱資料，選擇了4種常見(jiàn)的數(shù)模輕量化工具：CATIA Composer、JT2GO、Cortona3D、CATIA,在考慮操作者對(duì)工具的熟練程度和計(jì)算機(jī)配置差異的情況下進(jìn)行數(shù)模的加載測(cè)試，測(cè)試分析結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明，Composer最省時(shí)。

圖4 常見(jiàn)輕量化數(shù)模工具對(duì)比試驗(yàn)分析結(jié)果Fig.4 Comparison of experimental results of common lightweight 3D model tools

CATIA Composer可讀取大部分3D CAD設(shè)計(jì)軟件的原始設(shè)計(jì)文檔(CATIA、UG、Creo、Solidworks、Inventor)，以及各類中間格式，還可以創(chuàng)建高度壓縮的輕量化文件格式。文獻(xiàn)[4]中是一種先進(jìn)的跨行業(yè)的2D和3D產(chǎn)品解決方案，在三維可視化領(lǐng)域具有顛覆性。使用了xml開(kāi)放架構(gòu)，CATIA Composer允許非技術(shù)用戶直接使用3D數(shù)字產(chǎn)品數(shù)據(jù)來(lái)創(chuàng)建聯(lián)合2D和3D技術(shù)的圖解、產(chǎn)品文檔、交互式產(chǎn)品體驗(yàn)等。其內(nèi)置的播放器Composer Player具備強(qiáng)大的播放控制及交互功能，提供Player ActiveX插件，易于實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)的集成。

3 飛機(jī)部件裝配進(jìn)度三維可視化模塊功能

3.1 裝配過(guò)程可視化展示功能

根據(jù)零組件裝配信息模型中的裝配狀態(tài)對(duì)模型進(jìn)行屬性設(shè)置，包括顯示或隱藏、模型顏色設(shè)置等，通過(guò)設(shè)置對(duì)三維簡(jiǎn)化模型進(jìn)行渲染展示。渲染的情況包括當(dāng)前裝配狀態(tài)、下一步裝配狀態(tài)（待裝件通過(guò)顏色區(qū)別）等。默認(rèn)展示的是當(dāng)前裝配狀態(tài)，如圖5所示。通過(guò)點(diǎn)擊右側(cè)界面上方的當(dāng)前裝配狀態(tài)、下一步裝配狀態(tài)按鈕可進(jìn)行裝配狀態(tài)的切換查看。此功能可以幫助調(diào)度人員、車間管理人員等直觀地了解掌握車間現(xiàn)場(chǎng)的裝配進(jìn)度情況，為管理人員分析及管控生產(chǎn)過(guò)程提供支持。

圖5 當(dāng)前裝配狀態(tài)展示Fig.5 Display of current assembly status

當(dāng)查看下一步裝配狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)周期性查詢工位庫(kù)存信息，結(jié)合裝配進(jìn)度及工序計(jì)劃，判斷下一步工序所需零組件是否齊備，如果庫(kù)存不滿足需求，記錄缺件信息及缺件原因。對(duì)于缺件的零件會(huì)顯示紅色和缺件標(biāo)記，并對(duì)缺件零件的缺件原因進(jìn)行彈窗提示，如圖6所示。此功能可及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺件信息，降低缺件情況對(duì)生產(chǎn)的影響。

圖6 存在缺件時(shí)下一步裝配狀態(tài)展示Fig.6 Next assembly status display in case of missing parts

另外，顯示窗口的工具菜單提供模型的切換視角、放大、縮小、平移、旋轉(zhuǎn)等交互操作并獲取工程數(shù)據(jù)功能，在細(xì)節(jié)展示方面可以利用 Digger 工具查看產(chǎn)品局部細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)信息，對(duì)零件細(xì)節(jié)進(jìn)行放大處理。

3.2 干涉狀態(tài)檢查功能

裝配信息的三維可視化模塊提供零件之間的裝配干涉檢查功能，可以進(jìn)一步驗(yàn)證裝配工藝的合理性。通過(guò)零件間隙檢查和交互式?jīng)_突檢測(cè)確定裝配過(guò)程中是否發(fā)生碰撞，零件重合被認(rèn)為是互相沖突的，干涉檢查過(guò)程如圖7所示。

圖7 利用Composer進(jìn)行干涉檢查Fig.7 Using Composer to check gap of static view

3.3 裝配進(jìn)度監(jiān)控功能

根據(jù)實(shí)際完工時(shí)間和裝配計(jì)劃中的完工時(shí)間計(jì)算出延誤時(shí)間，進(jìn)一步判斷出工序是否按時(shí)完工。工序完成情況包括提前完工、按時(shí)完工、延遲完工。根據(jù)當(dāng)前工序不同完成情況，進(jìn)度條控件顯示不同顏色予以提示。其中提前、延遲完工（如實(shí)際完工時(shí)間超過(guò)計(jì)劃完工時(shí)間30%的情況提前或延時(shí)，由專業(yè)工藝員規(guī)定）、正常的工序，進(jìn)度條會(huì)分別呈現(xiàn)綠色、紅色與黃色。通過(guò)裝配進(jìn)度條的顏色顯示、更新可以反映裝配工序的當(dāng)前裝配任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)，為生產(chǎn)管理提供依據(jù)。

3.4 三維標(biāo)注功能

裝配信息的三維可視化模塊具備三維標(biāo)注功能，提供工具欄菜單的箭頭圖像、標(biāo)簽、編號(hào)、尺寸、視圖變換等標(biāo)注工具。需要協(xié)調(diào)處理時(shí)，工藝人員可借助三維標(biāo)注繪制簡(jiǎn)圖對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)問(wèn)題進(jìn)行意見(jiàn)反饋，三維標(biāo)注如圖8所示。

圖8 三維標(biāo)注Fig.8 Three-dimensional model tagging

4 飛機(jī)部件裝配進(jìn)度三維可視化實(shí)現(xiàn)

4.1 飛機(jī)裝配現(xiàn)場(chǎng)裝配進(jìn)度可視化系統(tǒng)架構(gòu)

飛機(jī)裝配現(xiàn)場(chǎng)裝配進(jìn)度可視化系統(tǒng)架構(gòu)如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.9 Overall system architecture

顯示層通過(guò)Composer Player對(duì)組件*.smg模型進(jìn)行渲染展示，即可在PDA、瀏覽器、電子看板等顯示終端頁(yè)面展示出當(dāng)前裝配進(jìn)度下部件的三維形態(tài)，渲染的情況包括當(dāng)前裝配狀態(tài)、下一步裝配狀態(tài)等，實(shí)現(xiàn)車間管理人員直觀掌握裝配現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行情況。

數(shù)據(jù)層主要負(fù)責(zé)組織裝配狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，構(gòu)建零組件裝配進(jìn)度信息模型，將零組件裝配狀態(tài)與數(shù)模進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并將零組件裝配狀態(tài)信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于后臺(tái)Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)，加載數(shù)模時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境向業(yè)務(wù)層傳輸。

業(yè)務(wù)層主要是面向不同的裝配現(xiàn)場(chǎng)人員和用戶，說(shuō)明了基于顯示層實(shí)現(xiàn)的業(yè)務(wù)功能，包含進(jìn)度展示、進(jìn)度監(jiān)控、缺件提示、干涉檢查、三維標(biāo)注等，表征了飛機(jī)裝配進(jìn)度可視化的展示及反饋現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)問(wèn)題的過(guò)程。

支撐層表明了系統(tǒng)服務(wù)器端架設(shè)Windows Server 2008操作系統(tǒng)，配置Microsoft的IIS7.0（Internet Information Services）服務(wù)器軟件提供信息服務(wù)，進(jìn)行客戶端與服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫(kù)之間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸。產(chǎn)品數(shù)模及裝配工藝信息由PDM獲得，裝配車間裝配過(guò)程實(shí)時(shí)信息由MES獲得。

4.2 應(yīng)用實(shí)例

以某部裝車間中央翼的裝配過(guò)程為例,對(duì)提出的基于CATIA Composer的飛機(jī)部件裝配進(jìn)度三維可視化方法進(jìn)行了驗(yàn)證。裝配現(xiàn)場(chǎng)裝配進(jìn)度可視化軟件界面如圖10所示。左邊為中央翼裝配結(jié)構(gòu)樹(shù)，根據(jù)AO中零組件裝配順序展示該部件裝配流程，藍(lán)色高亮節(jié)點(diǎn)表示當(dāng)前正在進(jìn)行裝配的組件名稱。界面右邊為執(zhí)行過(guò)程中飛機(jī)部件裝配進(jìn)度的展示界面?？赏ㄟ^(guò)點(diǎn)擊Views標(biāo)簽下裝配狀態(tài)視圖切換查看當(dāng)前裝配的狀態(tài)、下一步裝配狀態(tài)和任意一步的裝配狀態(tài)，其中正在裝配的零件顯示為明亮的藍(lán)綠色，裝配進(jìn)度條顏色代表當(dāng)前裝配工序的執(zhí)行情況是否超出計(jì)劃工時(shí)。

圖10 當(dāng)前工序裝配進(jìn)度展示Fig.10 Display of assembly progress of current process

實(shí)例證明本研究提出的方法可以使管理人員直觀地了解中央翼的裝配進(jìn)度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)真正影響裝配進(jìn)度的問(wèn)題，進(jìn)一步提升生產(chǎn)管控效率，保證了車間生產(chǎn)計(jì)劃的順利實(shí)施。

5 結(jié)論

針對(duì)飛機(jī)部裝車間實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中裝配狀態(tài)信息反饋不直觀的問(wèn)題，本研究提出基于CATIA Composer的裝配進(jìn)度展示方法，建立飛機(jī)零組件裝配進(jìn)度信息模型，依托XML技術(shù)、ActiveX技術(shù)、MES技術(shù)開(kāi)發(fā)了基于B/S結(jié)構(gòu)的飛機(jī)裝配進(jìn)度三維可視化模塊，并以某型號(hào)飛機(jī)中央翼為對(duì)象，驗(yàn)證了該方案的可行性。該模塊可以與MES有效融合，有力地支撐了MES技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，有較好的實(shí)用價(jià)值。