基于Windchill的三維裝配大綱編輯及流程控制技術(shù)研究

董可靜，陳偉，萬渝，陳一鳴

(上海航空工業(yè)(集團(tuán))有限公司，上海 200232)

0 引言

裝配大綱(assembly outline, AO)是由飛機(jī)裝配工藝設(shè)計人員編制的指令性文件，主要包含架次和版本控制、工藝標(biāo)準(zhǔn)、所需工裝、零件清單、裝配工序、更改說明、質(zhì)量記錄、檢驗要求、說明配圖等內(nèi)容。裝配大綱按照飛機(jī)架次生效，每一架飛機(jī)有一套裝配大綱。裝配工人依據(jù)裝配大綱工序以及引用的工藝規(guī)范/標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行裝配操作，并如實記錄裝配關(guān)鍵控制測量點、緊固件安裝轉(zhuǎn)矩、涂膠密封環(huán)境等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。質(zhì)量檢驗人員對每條操作和數(shù)據(jù)記錄的符合性進(jìn)行審查。因此，裝配大綱是適航當(dāng)局重點核查的工藝文件之一，也是以后質(zhì)量追溯、問題分析的重要文件。在傳統(tǒng)的三維模型+二維工程圖樣的飛機(jī)研制模式下，裝配大綱為二維紙制文件，飛機(jī)裝配現(xiàn)場工人按照裝配大綱的內(nèi)容，對照二維工程圖樣進(jìn)行飛機(jī)裝配。隨著基于模型的定義(model based definition，MBD)技術(shù)在飛機(jī)研制中的應(yīng)用，對飛機(jī)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的管理、傳遞、裝配工藝規(guī)劃、工藝文件的編制、裝配現(xiàn)場操作都提出了新的要求。以前需要三維數(shù)模和二維圖樣同時表達(dá)的各種信息，現(xiàn)在全部集中到MBD數(shù)據(jù)集中，各部門獲得信息的來源只有MBD數(shù)據(jù)集。在MBD數(shù)據(jù)集中怎樣表達(dá)以及通過什么方法和工具獲取信息，這對制造、裝配各個環(huán)節(jié)中對產(chǎn)品信息的需求至關(guān)重要[1-2]。

用更直觀、生動且過程可控的技術(shù)實現(xiàn)飛機(jī)裝配工藝的設(shè)計、工藝文件的編制一直是國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)研究的熱點。國內(nèi)對用于指導(dǎo)飛機(jī)裝配工藝文件的研究與應(yīng)用更多地關(guān)注于將裝配仿真動畫與裝配大綱的配合使用。裝配仿真是工藝設(shè)計人員在裝配方案制定的基礎(chǔ)上，應(yīng)用DELMIA等三維裝配仿真軟件對詳細(xì)裝配過程進(jìn)行仿真的活動。所生成的仿真文件記錄了裝配過程，可指導(dǎo)裝配現(xiàn)場的實際裝配操作[3-4]。裝配仿真動畫是對二維裝配大綱中裝配操作順序的生動表達(dá)，方便了飛機(jī)裝配現(xiàn)場工人的操作，但仿真動畫與二維裝配大綱還未很好地集成到統(tǒng)一的平臺中，三維裝配模型的輕量化處理不夠，對裝配大綱的審批流程管控研究較少。國內(nèi)有些企業(yè)、高校在網(wǎng)頁形式的裝配大綱中以附件的形式嵌入裝配仿真視頻，如上海大學(xué)的吳東琦等[5]將三維仿真視頻與基于Winchill開發(fā)的二維裝配大綱集成；南京航空航天大學(xué)的馮廷廷[6]、河北科技大學(xué)的耿翔宇等[7]將三維輕量化裝配仿真與office軟件(excel)進(jìn)行集成，實現(xiàn)了飛機(jī)裝配仿真的輕量化與二維文件的集成；西北工業(yè)大學(xué)的孫中雷等[8]提出基于JAVA和VRML的裝配工藝文件可視化；西北工業(yè)大學(xué)的王建旗[9]對飛機(jī)AO系統(tǒng)的作用和流程進(jìn)行了分析，基于VC++開發(fā)了MBOM信息集成、AO流程審批系統(tǒng)，實現(xiàn)AO的電子化；沈陽航空航天大學(xué)吳建忠[10]研究了格式化輸出AO文件中信息的方法，引用PPR模型概念，基于CATIA進(jìn)行了二次開發(fā)，研發(fā)了飛機(jī)裝配三維AO編輯輔助設(shè)計系統(tǒng)；中國電子科技集團(tuán)公司的田富君等[11]開發(fā)了基于Tecnomatix系統(tǒng)的三維裝配工藝文件編制工具。在國外飛機(jī)制造領(lǐng)域中，以法國達(dá)索公司的PLM系列軟件為代表，實現(xiàn)了裝配工藝設(shè)計、裝配仿真、輕量化裝配工藝文件生成的集成化，以PPR HUB 為核心，將三維CAD(CATIA)、裝配仿真軟件(DELMIA-DPM)、數(shù)字化工藝規(guī)劃軟件(DELMIA-DPE)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理軟件(ENOVIA)有機(jī)地集成在一起，其解決方案在波音787、A350項目中都有較好的應(yīng)用。對工藝文件的簽審、發(fā)布一般基于Windchill平臺開發(fā)專門的PDM系統(tǒng)來實現(xiàn)。

針對采用MBD技術(shù)進(jìn)行飛機(jī)研制模式下，傳統(tǒng)的二維裝配大綱存在表達(dá)不夠直觀、工藝表達(dá)難、流程審批信息難確認(rèn)等問題，結(jié)合國內(nèi)外技術(shù)研究的現(xiàn)狀，本文研究了三維輕量化裝配可視化技術(shù)及與裝配大綱的集成技術(shù)，對裝配工藝信息進(jìn)行結(jié)構(gòu)化管理，構(gòu)建飛機(jī)產(chǎn)品信息和AO中工藝信息的關(guān)聯(lián)，并對AO編制和使用進(jìn)行結(jié)構(gòu)化、流程化管理。建立適應(yīng)MBD技術(shù)應(yīng)用下的三維數(shù)字化裝配大綱設(shè)計和管理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)業(yè)務(wù)的梳理，系統(tǒng)包含AO編制、AO簽審、AO更改/升版、AO發(fā)放的功能，實現(xiàn)三維輕量化文件的關(guān)聯(lián)、工裝選用、工藝標(biāo)注選用、與CATIA的在線交互操作等，所有工裝所需資源來自底層的數(shù)據(jù)庫。該系統(tǒng)采用三層架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 基于輕量化模型的三維裝配信息表達(dá)

飛機(jī)產(chǎn)品基于CATIA進(jìn)行設(shè)計，所形成的MBD數(shù)據(jù)集除了包含三維幾何模型外，還包含了材料、緊固件、工藝標(biāo)準(zhǔn)、尺寸公差、注釋等的各種信息。下游各制造部門所需要的信息及表達(dá)形式是不同的，考慮成本及技術(shù)條件因素，不能統(tǒng)一通過全信息的MBD數(shù)據(jù)集來獲取。若把MBD數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)化為輕量化的模型(不丟失MBD的各種信息)，把每個工位、站位、工步裝配需要的零部件及裝配信息合理地通過輕量化模型表示出來并和AO合理的進(jìn)行集成，在裝配過程中可以對輕量化模型進(jìn)行測量、剖切、消隱、旋轉(zhuǎn)等交互操作。這樣既滿足了對AO信息的表達(dá)又滿足了MBD數(shù)據(jù)集信息設(shè)計意圖表達(dá)的需求。輕量化模型的瀏覽大大降低了對計算機(jī)的要求，同時降低了對操作人員的要求，而且可以為現(xiàn)場裝配人員配置便攜式移動終端，來操作輕量化模型、瀏覽AO，方便裝配工作的進(jìn)行。

本文選擇3DVIA Composer軟件為三維裝配大綱的輕量化軟件。圖2所示是三維裝配大綱示例——飛機(jī)客艙組件裝配AO。對CATIA模型進(jìn)行輕量化后，對關(guān)鍵的孔位信息、邊距信息進(jìn)行三維標(biāo)識，通過多個視圖順序播放實現(xiàn)裝配過程仿真指導(dǎo)，通過模型的動態(tài)消隱和明暗處理更清晰表達(dá)零部件間的裝配關(guān)系。

圖2 基于3DVIA Composer 的三維裝配大綱示例

3 裝配工藝信息的結(jié)構(gòu)化

EBOM到MBOM的重構(gòu)是AO編輯的基礎(chǔ)。在EBOM到MBOM的重構(gòu)中，根據(jù)裝配工作實際需要，通過MBOM編輯器劃分好各AO間的結(jié)構(gòu)層次和所需要裝配的零件，實現(xiàn)飛機(jī)裝配零件即參裝零件的結(jié)構(gòu)化MBOM重構(gòu)后，基于MBOM中的節(jié)點開始AO的編輯，如圖3所示。AO編輯中通過與工裝PDM系統(tǒng)的接口調(diào)用獲得所需工裝的編號和模型等相關(guān)文件，實現(xiàn)工裝的結(jié)構(gòu)化管理。

圖3 BOM重構(gòu)

4 基于XML的裝配大綱結(jié)構(gòu)化

XML(extensible markup language)是一種簡單的可擴(kuò)展標(biāo)記語言，可進(jìn)行不同數(shù)據(jù)格式之間的互操作。為解決飛機(jī)裝配工藝文件編制異構(gòu)信息化系統(tǒng)間的裝配工藝信息交互問題，本文提出了基于XML 的工藝信息模型及交換架構(gòu)。根據(jù)AO的功能及包含的信息類型，通過母本的形式對AO進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計，提高了AO編制的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，進(jìn)而提高AO的編制效率。

設(shè)計符合工藝要求的AO母本，對AO中各內(nèi)容按照工藝要求進(jìn)行歸類，設(shè)計適應(yīng)所有零件裝配、部件對接、系統(tǒng)件裝配、功能試驗等不同類型裝配工作的統(tǒng)一母本，工藝人員只需根據(jù)實際需要填寫相關(guān)內(nèi)容即可。參裝零件通過結(jié)構(gòu)樹的形式，按層次關(guān)系顯示；所需工裝、所需規(guī)范、所需工程圖樣可通過搜索獲得，以文本形式顯示；工序內(nèi)容由文本編輯器進(jìn)行編輯、輸入；仿真動畫通過附件形式添加。

5 裝配大綱的編輯器設(shè)計

在飛機(jī)MBD研制的模式下，三維模型作為唯一數(shù)據(jù)源后，工藝人員對三維模型信息的掌握顯得更加重要。在AO編輯過程中，要使得工藝設(shè)計人員能更加直接、直觀、方便地了解所參裝零件的三維模型幾何形狀、零部件間的裝配連接關(guān)系。本文在AO編輯器的設(shè)計中，實現(xiàn)了參裝零件在AO編輯器中的三維實時顯示、編輯器與CATIA的互操作等新功能。

1)AO編輯工作啟動。工藝人員在進(jìn)行EBOM到MBOM的重構(gòu)時，根據(jù)實際裝配需要設(shè)計相應(yīng)的AO節(jié)點，在MBOM簽審發(fā)布后，在AO編輯平臺上找到對應(yīng)的AO號處即可啟動編輯工作。為了避免對AO的重復(fù)編輯，設(shè)計相應(yīng)的控制功能，對MBOM重構(gòu)到AO編輯的流程進(jìn)行有效的管控。將審簽流程掛于生命周期的第一個節(jié)點上，對象創(chuàng)建或修訂成功后，自動啟動審簽流程，創(chuàng)建者即為流程“AO審簽流程”環(huán)節(jié)的參與者，設(shè)計了AO初始化規(guī)則。

2)AO編輯。本文采用AO母本的形式為AO編輯提供結(jié)構(gòu)化、標(biāo)準(zhǔn)化、電子化的平臺，啟動AO編輯后，即啟動了AO母本編輯器，在MBOM重構(gòu)時關(guān)聯(lián)的參裝零件能自動與AO編輯器關(guān)聯(lián)，并以樹狀結(jié)構(gòu)組織顯示，工藝人員可在編輯器上編輯相關(guān)內(nèi)容，如圖4所示。

圖4 AO編輯器界面

3)AO編輯與CATIA互操作。單一數(shù)據(jù)源是飛機(jī)研制過程中的基本要求，在三維裝配大綱的編制和流程控制中，如何保證所有操作基于的是單一數(shù)據(jù)源對裝配大綱內(nèi)容的準(zhǔn)確性尤為重要。在裝配大綱編輯過程中，工藝設(shè)計人員往往要對三維模型進(jìn)行尺寸、注釋等的標(biāo)注，為了保證此過程是基于工程單一數(shù)據(jù)源進(jìn)行的，本文應(yīng)用Windchill平臺的COBI技術(shù)，實現(xiàn)了在裝配大綱編輯器中直接啟動CATIA，并把所需操作的零件打開進(jìn)行三維標(biāo)注操作，標(biāo)注完畢后保存到PDM系統(tǒng)，供三維輕量化軟件調(diào)用和編輯，實現(xiàn)裝配大綱編輯和CAITA間的互操作，如圖5所示。

圖5 裝配大綱編輯與CATIA的互操作

4)裝配大綱的流程控制設(shè)計。裝配大綱作為飛機(jī)裝配工人進(jìn)展裝配工作的指令性文件，有其生命周期。在編制過程中、裝配現(xiàn)場使用中以及工程更改后的維護(hù)中，都要經(jīng)過一系列的流程進(jìn)行控制，以保證裝配大綱中信息的正確性。在流程控制過程中，每個節(jié)點都按照權(quán)限和職責(zé)對大綱內(nèi)容進(jìn)行審核、批準(zhǔn)或駁回。本文基于Windchill PDMLink平臺內(nèi)置生命周期管理器和工作流管理器實現(xiàn)了流程控制。

5)AO編輯器與MES的交互。本文通過WebService設(shè)計開發(fā)交互接口，具體的交互接口如圖6所示。PDM發(fā)放一份AO，需將一份AO的數(shù)據(jù)定義為一份XML文件，這樣通過調(diào)用MES系統(tǒng)中發(fā)放AO的WebService接口，就可以將一份AO從PDM系統(tǒng)中完好地發(fā)放到MES系統(tǒng)中。MES系統(tǒng)的WebService接口定義好輸出值，根據(jù)輸出的信息，PDM就能輕松地掌握發(fā)放的情況。

圖6 MES與PDM系統(tǒng)交互接口關(guān)系

6 基于Winchill平臺的系統(tǒng)實現(xiàn)

本文系統(tǒng)基于PTC公司的Windchill平臺開發(fā)。

Windchill是三層體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用程序，由PDMLink服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器和客戶計算機(jī)組成，構(gòu)建了一個三層體系結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的客戶服務(wù)器環(huán)境相比，這種體系結(jié)構(gòu)具有可伸縮性，且更易于管理，更容易實現(xiàn)數(shù)據(jù)保護(hù)和安全性。開發(fā)系統(tǒng)在C919大型客機(jī)的AO編制中進(jìn)行實驗應(yīng)用，圖7是AO編輯和管理功能界面，圖8是三維AO實例。

圖7 AO編輯和管理功能界面

圖8 三維AO實例

7 結(jié)語

本文針對民機(jī)的研制全面采用MBD技術(shù)、全三維數(shù)字化設(shè)計，分析了裝配大綱的表達(dá)形式、編制方法以及編制流程控制方法，通過構(gòu)建飛機(jī)產(chǎn)品信息和AO中工藝信息的關(guān)聯(lián)，對AO編制和使用進(jìn)行結(jié)構(gòu)化、流程化管理，建立適應(yīng)MBD技術(shù)應(yīng)用下的三維數(shù)字化裝配大綱設(shè)計和管理系統(tǒng)。相關(guān)技術(shù)和軟件在C919大型客機(jī)研制中得到應(yīng)用，可供MBD研制模式下的飛機(jī)裝配工藝表達(dá)、執(zhí)行和管理借鑒。