中航工業(yè)北京航空制造工程研究所 潘 青

隨著時(shí)代的發(fā)展，科技的進(jìn)步，人們對產(chǎn)品的需求日趨多樣化，市場競爭也日趨激烈，對制造業(yè)及制造技術(shù)提出了更高的要求。特別是飛機(jī)產(chǎn)品，零件數(shù)目眾多，協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)多，尤其是飛機(jī)裝配過程的工作量要占到整個(gè)飛機(jī)制造勞動量的40%～50%。因此，要快速響應(yīng)市場需求，保證高標(biāo)準(zhǔn)的裝配準(zhǔn)確度，完全控制裝配過程中的裝配誤差，必須要大力發(fā)展飛機(jī)的柔性裝配、數(shù)字化裝配等先進(jìn)裝配技術(shù)。以波音為首的國外飛機(jī)制造企業(yè)平均每10年就推出新一代軍民機(jī)型，并一直引領(lǐng)國際最先進(jìn)的飛機(jī)裝配技術(shù)水平。

要想掌握柔性裝配技術(shù)，使其在實(shí)際的生產(chǎn)制造中發(fā)揮作用，就應(yīng)該將自動制孔技術(shù)、數(shù)字化裝配工藝及仿真技術(shù)，柔性工裝、先進(jìn)連接等關(guān)鍵技術(shù)作為突破點(diǎn)，對這些技術(shù)涉及到的設(shè)備、工藝等方面完全吃透，然后以此作為基礎(chǔ)，再以軍或民機(jī)某部件裝配作為應(yīng)用對象，建立以自動鉆鉚制孔、機(jī)器人制孔為核心的自動化/半自動化裝配生產(chǎn)線。另一方面，為填補(bǔ)國內(nèi)的技術(shù)空白，提高制孔效率和制孔精度，需要對自動化柔性制孔技術(shù)進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)部件裝配過程中的自動化柔性制孔[1]。

在飛機(jī)裝配過程中，有大量的連接孔需要加工，目前一架大型飛機(jī)上約有150～200萬個(gè)連接件，其互連方法仍多采用機(jī)械連接。在國內(nèi)，飛機(jī)零部件裝配仍以手工制孔為主，這對人力、物力的要求是巨大的，更重要的是制孔質(zhì)量低，連接質(zhì)量難以滿足較高疲勞壽命的要求，并且加工效率也低。國外飛機(jī)先進(jìn)裝配技術(shù)的應(yīng)用證明，采用自動化柔性制孔技術(shù)不僅能夠提高制孔效率和精度，還能夠節(jié)約成本，改善勞動條件，并能大大減少人為因素造成的影響，更好地保證裝配質(zhì)量。

2 數(shù)字化裝配的MBD模型

MBD（Model Based Definition）技術(shù)，即基于模型定義，是一個(gè)用集成的三維實(shí)體模型來完整表達(dá)產(chǎn)品定義信息的方法，在三維實(shí)體模型中包含產(chǎn)品尺寸、公差等的制造信息定義和表達(dá)。MBD 使三維實(shí)體模型作為生產(chǎn)制造過程中的唯一依據(jù)，改變了傳統(tǒng)以二維工程圖紙為主，而以三維實(shí)體模型為輔的制造方法。將產(chǎn)品的所有相關(guān)設(shè)計(jì)、工藝、制造屬性以及管理等信息附著在產(chǎn)品三維模型中的產(chǎn)品數(shù)字化定義方法[2]。

MBD數(shù)據(jù)模型是通過圖形和文字表達(dá)的方式，直接地或通過引用間接地揭示了一個(gè)物料項(xiàng)的物理和功能需求。MBD數(shù)據(jù)模型分為裝配數(shù)據(jù)模型和零件數(shù)據(jù)模型。MBD零件數(shù)據(jù)模型由以簡單幾何元素構(gòu)成的、用圖形方式表達(dá)的設(shè)計(jì)模型和以文字表達(dá)的注釋、屬性數(shù)據(jù)組成。MBD裝配數(shù)據(jù)模型則由一系列MBD零件數(shù)據(jù)模型組成的裝配零件列表加上以文字表達(dá)的注釋和屬性數(shù)據(jù)組成[3]。

當(dāng)前，我國航空制造業(yè)的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用發(fā)展迅速，MBD 技術(shù)的引入和工程實(shí)踐也已開展多年，并且三維數(shù)字化設(shè)計(jì)和MBD 技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中已得到了成功深入的應(yīng)用，這對下游的航空制造企業(yè)提出了新的迫切要求。建立適應(yīng)我國航空制造企業(yè)的MBD 技術(shù)應(yīng)用推廣路線和技術(shù)體系，使得MBD 數(shù)字化模型貫穿于整個(gè)產(chǎn)品生命周期的數(shù)字化制造過程中，建立基于MBD 模型的數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化集成應(yīng)用體系，達(dá)到無圖紙、無紙質(zhì)工作指令的三維數(shù)字化集成制造，是縮短產(chǎn)品研制周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，保證產(chǎn)品研制節(jié)點(diǎn)的迫切需求。

3 CATIA模型裝配制孔孔位信息提取方法

飛機(jī)產(chǎn)品的模型均采用CATIA進(jìn)行設(shè)計(jì)，CATIA模型文件有兩種類型，一種為單個(gè)零件的模型文件，后綴名為CATPart，該類型文件中只有一個(gè)零件對象；另一種為多個(gè)零件裝配模型文件，后綴名為CATProduct。每一CATIA模型文件中均包含有一個(gè)產(chǎn)品特征樹，該特征樹以樹狀結(jié)構(gòu)組織產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)生的各種不同類型的元素對象，包括各種幾何信息和文本信息，既可以清晰地顯示產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的層次結(jié)構(gòu)，又可以保存設(shè)計(jì)元素之間的相互關(guān)系。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行飛機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合飛機(jī)制造裝配過程中所需要信息，對數(shù)模的特征樹進(jìn)行規(guī)范化定義，將同一類信息保存在相同的根結(jié)點(diǎn)中，供工藝人員、編程人員使用。

在進(jìn)行飛機(jī)部件組裝和總裝時(shí)，最需要知道的信息就是哪兩個(gè)部件要進(jìn)行連接，連接區(qū)域要使用何種類型、何種規(guī)格的緊固件以及緊固件的排列方式和數(shù)量。根據(jù)緊固件的規(guī)格確定所制孔的大小和深度，孔口是否需要?jiǎng)澠?。在采用基于MBD的三維模型建模技術(shù)后，這些信息都分類保存在產(chǎn)品裝配模型文件的特征樹中。因此，采用CATIA的二次開發(fā)技術(shù)對特征樹進(jìn)行遍歷、根據(jù)預(yù)定的關(guān)鍵字進(jìn)行搜索，找到相應(yīng)的結(jié)點(diǎn)，再進(jìn)行分析，便可得到相應(yīng)的裝配制孔孔位信息。

3.1 CATIA 零件模型文件的獲取

要從 CATIA 裝配模型文件中提取信息, 首先要遍歷模型文件中唯一存在的特征樹, 獲取裝配件模型指針，根據(jù)裝配件模型指針獲取裝配件所包含的所有零件的模型文件指針, 根據(jù)各個(gè)零件的模型文件指針獲取記錄緊固件定義的幾何圖形集指針，再通過幾何圖形集指針獲得進(jìn)一步的信息。

在獲得CATIA 模型結(jié)構(gòu)樹的根指針時(shí)，首先得到裝配件模型文件名稱，通過文件名稱獲得模型文檔指針（CATIDocument），再由模型文檔指針取得裝配件模型指針（CATIProduct），調(diào)用 CATIProduct 的函數(shù) GetChildren（）獲得根目錄結(jié)點(diǎn)，循環(huán)判斷每個(gè)結(jié)點(diǎn)是否為零件模型（CATPART）。如果是，則獲得零件模型指針；如果不是，則該節(jié)點(diǎn)為裝配體模型指針（CATIProduct），遞歸調(diào)用CATIProduct 的GetChildren函數(shù)得到次級裝配體根目錄下的結(jié)點(diǎn)，重復(fù)此操作直到獲得所有的零件模型指針。獲得零件模型指針（CATIProduct）之后，據(jù)此獲得零件模型的文檔對象（CATDocument），初始化零件結(jié)點(diǎn)，并調(diào)用函數(shù)GetRootContainer可以獲得零件結(jié)點(diǎn)的容器，再調(diào)用函數(shù)GetPart（）獲得零件結(jié)點(diǎn)對象（CATIPrtPart），根據(jù)零件結(jié)點(diǎn)對象的CATIDescendants接口獲取零件的所有子零件，獲得子零件的特征接口（CATISpecObject）后，對所有特征進(jìn)行遍歷判斷其是否還有下一級子結(jié)點(diǎn)，如果有，則遞歸取次級零件。對次級零件再取其所有子結(jié)點(diǎn)并獲得子結(jié)點(diǎn)零件的特征接口，再對所有子特征進(jìn)行遍歷判斷其是否還有子特征，重復(fù)此操作直到所有的零件特征都被提取。

3.2 CATIA模型對象裝配孔位信息的獲取

飛機(jī)零部件裝配連接孔位信息分散保存在各個(gè)連接件的零件模型中。CATIA零件模型的特征樹（見圖1）中包含兩種類型的結(jié)點(diǎn)，一種是系統(tǒng)固有的，不可刪除，如圖1中所示的xy plane、yz plane、zx plane和PartBody結(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)創(chuàng)建的所有幾何均保存在該結(jié)點(diǎn)中，此外，設(shè)計(jì)人員還可根據(jù)實(shí)際需要?jiǎng)?chuàng)建幾何圖形集，為其命名，然后在自行創(chuàng)建的圖形集中存放相同類型的幾何信息或一些相關(guān)的文本等屬性信息，如將使用同一種規(guī)格緊固件的孔位點(diǎn)保存在一起，因此需要在已經(jīng)獲得零件特征的基礎(chǔ)上，遍歷搜索該特征樹，獲取指定名稱的幾何圖形集特征。針對零件模型文件獲取指定幾何圖形集對象的步驟如下所示。

圖1 CATIA零件模型文件特征樹結(jié)構(gòu)Fig.1 Feature tree structure of CATIA part model file

（1）針對每一個(gè)零件模型文件，根據(jù)CATIDescendants接口的GetDirectChildren函數(shù)獲取該零件中所有次一級幾何圖形集特征對象；

（2）根據(jù)CATIAlias接口獲得每一個(gè)幾何圖形集對象的名稱；

（3）與預(yù)先指定的名稱進(jìn)行比較，如果二者名稱相同，則該幾何圖形集特征為存儲裝配孔位信息結(jié)點(diǎn)。

3.3 幾何點(diǎn)特征的判斷方式

在獲取指定幾何圖形集特征對象的基礎(chǔ)上利用CATIDescendants接口的GetDirectChildren函數(shù)接口獲得該幾何圖形集的所有子結(jié)點(diǎn)，然后依次對每一個(gè)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行判斷，判斷子結(jié)點(diǎn)是否為幾何點(diǎn)。在設(shè)計(jì)人員進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，生成點(diǎn)的方式通常有直接定義、相交、投影、對稱等方式，因此在判斷子結(jié)點(diǎn)是否為幾何點(diǎn)時(shí)，要考慮到上述幾種情形，否則就會有遺漏。對于直接定義方式生成的幾何點(diǎn)，即利用CATIA創(chuàng)建點(diǎn)功能得到的幾何點(diǎn)，在用戶不做更改的情況下，會在特征樹上有類似“點(diǎn).XXX”的名稱顯示，其中名稱中的XXX為數(shù)字，按照創(chuàng)建的順序從1開始，依次增加，因而可以通過幾何的名稱判斷是否是幾何點(diǎn)。對由相交、投影、對稱等方式創(chuàng)建的幾何點(diǎn)，相應(yīng)地在特征樹上有“相交.XXX”、“投影.XXX”、“對稱.XXX”的名稱顯示，此時(shí)，單純通過名稱判斷無法，因?yàn)橥ㄟ^相交、投影、對稱等方式創(chuàng)建的幾何還可能是線或面，而此時(shí)它們在特征樹上的名稱也具有上述形式，因此不能只依據(jù)名稱進(jìn)行判斷，需要另僻稀徑，即通過特征內(nèi)部的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行判斷。綜上所述，得到對點(diǎn)判斷的方式如圖2所示。對所有的子結(jié)點(diǎn)進(jìn)行判斷，記錄通過判斷的點(diǎn)位坐標(biāo)、名稱信息進(jìn)行輸出，便可得到自動制孔信息表。

圖2 CATIA格式幾何點(diǎn)判斷方式Fig.2 Judgement styles of CATIA geometry points

4 應(yīng)用實(shí)例

利用CATIA進(jìn)行二次開發(fā)工具CAA，基于CATIA V5平臺實(shí)現(xiàn)了上述制孔信息提取方式，可以非常容易地得到產(chǎn)品中的自動制孔孔位信息。用戶交互界面如圖3所示。

圖3 “自動搜索編程孔”功能用戶交互界面Fig.3 User interface of automatically searching programming point

對話框的主體為列表框，用于顯示當(dāng)前打開文件中所有幾何點(diǎn)特征對象的名稱。此外還包括4個(gè)功能按鈕。一個(gè)是“開始”命令按鈕，用于在指定的模型文件中自動搜索孔位信息。由于實(shí)際建模的復(fù)雜性，模型中可能會存在利用除前文提到的方式以外的幾何點(diǎn)特征，這樣會導(dǎo)致在遍歷模型特征樹進(jìn)行孔位信息的自動提取時(shí)遺漏一些幾何點(diǎn)特征，需要手工補(bǔ)充，另外，根據(jù)自動制孔設(shè)備的工作能力范圍，會有一些自動提取到的點(diǎn)不需要進(jìn)行自動制孔，需要手工刪除。根據(jù)這些實(shí)際使用需要，設(shè)計(jì)了兩個(gè)命令按鈕，一個(gè)用于手工添加點(diǎn)，一個(gè)用于手工刪除點(diǎn)。此外還有一個(gè)“保存”命令按鈕，用于將自動制孔孔位信息保存至數(shù)據(jù)庫表中。

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，首先利用CATIA自身的功能導(dǎo)入裝配件模型文件，然后單擊工具條中的“制孔孔位自動搜索”命令按鈕，在彈出的“自動搜索編程孔”對話框中單擊“開始”命令按鈕，程序開始執(zhí)行，自動搜索當(dāng)前打開模型文件中所有零件中的連接定義信息，將得到信息的名稱依次列在“孔列表”列表框中，單擊“保存”命令按鈕，當(dāng)前所有點(diǎn)的信息保存至數(shù)據(jù)庫表中。

5 結(jié)束語

基于模型的設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)逐步成為一種設(shè)計(jì)規(guī)范，得到越來越廣泛的應(yīng)用。它的最大優(yōu)勢在于可以統(tǒng)一產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制造的數(shù)據(jù)，成為單一的數(shù)據(jù)源。當(dāng)數(shù)據(jù)的定義規(guī)范之后，對于數(shù)據(jù)的使用者，也有了新的要求，即如何快速準(zhǔn)確從MBD模型中得到自己需要的數(shù)據(jù)。針對MBD模型進(jìn)行制孔孔位等裝配信息的自動提取方法研究可以大大節(jié)省工藝編程人員的工作量，用戶只需要簡單的操作，便可快速得到所需的制孔孔位幾何名稱、坐標(biāo)，作為后續(xù)的離線編程工作的依據(jù)。

[1]歐陽，鄒成，劉繼紅.面向機(jī)翼柔性制孔的多層次數(shù)控程序結(jié)構(gòu).計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2011(8)： 1806-1807.

[2]梅中義. 基于MBD的飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù). 航空制造技術(shù)，2010(18)： 42-45.

[3]余志強(qiáng)，陳嵩，孫煒，等. 基于MBD的三維數(shù)模在飛機(jī)制造過程中的應(yīng)用. 航空制造技術(shù)，2009(25)： 82-85.