竇亞冬,王 青,李江雄 柯映林

（浙江大學(xué)流體傳動(dòng)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江杭州310027）

飛機(jī)數(shù)字化裝配系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成技術(shù)

竇亞冬,王 青,李江雄 柯映林

（浙江大學(xué)流體傳動(dòng)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江杭州310027）

針對(duì)飛機(jī)數(shù)字化裝配系統(tǒng)中裝配數(shù)據(jù)零散、關(guān)系復(fù)雜、難于管理等特點(diǎn),提出一種基于多重結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)關(guān)系模型,實(shí)現(xiàn)飛機(jī)數(shù)字化裝配系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成.結(jié)合裝配工藝需求對(duì)數(shù)字化裝配數(shù)據(jù)的來(lái)源進(jìn)行分析,基于工藝意圖對(duì)裝配數(shù)據(jù)分類組織.建立邏輯上獨(dú)立又互相關(guān)聯(lián)的多重結(jié)構(gòu)任務(wù)樹(shù)、對(duì)象樹(shù)和設(shè)備樹(shù),并給出多重結(jié)構(gòu)的語(yǔ)義化定義.基于關(guān)系理論,建立完整的多重結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)關(guān)系模型.裝配數(shù)據(jù)集成技術(shù)已應(yīng)用于飛機(jī)數(shù)字化裝配系統(tǒng),結(jié)果表明,該數(shù)據(jù)模型能夠有效集成裝配數(shù)據(jù),并支持?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的重用和擴(kuò)展.

飛機(jī)數(shù)字化裝配；裝配數(shù)據(jù)；集成管理；多重結(jié)構(gòu)；關(guān)系模型

隨著激光測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用集成技術(shù)的飛速發(fā)展,國(guó)外波音、空客等先進(jìn)飛機(jī)制造公司率先從人工裝配和半自動(dòng)化裝配進(jìn)入自動(dòng)化、柔性化、數(shù)字化裝配時(shí)代,將飛機(jī)裝配技術(shù)推向了一個(gè)新的高度［1］.飛機(jī)數(shù)字化裝配以數(shù)字量作為產(chǎn)品定位與協(xié)調(diào)的依據(jù),一般由激光跟蹤儀、激光雷達(dá)等數(shù)字化測(cè)量設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)部件的姿態(tài)測(cè)量,通過(guò)數(shù)控定位器組的協(xié)同運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)部件的入位支撐、調(diào)姿與對(duì)接,由機(jī)器人或數(shù)控鉆鉚機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)壁板的自動(dòng)化鉆鉚,由數(shù)控機(jī)床完成對(duì)接交點(diǎn)孔的精加工.多個(gè)子系統(tǒng)或設(shè)備協(xié)同工作,共同實(shí)現(xiàn)飛機(jī)產(chǎn)品的調(diào)姿、對(duì)合、鉆鉚、精加工、質(zhì)量檢測(cè)等工藝過(guò)程.各系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中用到眾多的裝配對(duì)象及工藝設(shè)計(jì)參數(shù),也產(chǎn)生了大量的工裝運(yùn)行數(shù)據(jù)、測(cè)量數(shù)據(jù)、裝配質(zhì)量評(píng)價(jià)等數(shù)據(jù),為有效地管理這些結(jié)構(gòu)上離散的裝配工藝參數(shù),需要為數(shù)字化裝配系統(tǒng)構(gòu)建單一的數(shù)據(jù)源［2］,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜離散制造過(guò)程的裝配數(shù)據(jù)集成及裝配任務(wù)的統(tǒng)一調(diào)度.

Sebastien等［3］就物料清單（bill of material, BOM）進(jìn)行介紹,為不同BOM視圖建立了關(guān)聯(lián)關(guān)系,并以BOM為核心來(lái)組織工程數(shù)據(jù)；Scott等［4］為波音747建立了數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),系統(tǒng)包含三維測(cè)量數(shù)據(jù)的收集、分析及存儲(chǔ)模塊,并對(duì)測(cè)量關(guān)鍵信息統(tǒng)計(jì)分析,指導(dǎo)裝配工藝改進(jìn)；陳哲涵等［5］將產(chǎn)品設(shè)計(jì)特性、工藝特性映射為測(cè)量特性,分析測(cè)量特性間的幾何關(guān)系并對(duì)飛機(jī)裝配廣義尺寸鏈進(jìn)行數(shù)學(xué)表達(dá),構(gòu)建裝配過(guò)程檢測(cè)數(shù)據(jù)模型；靳江艷等［6］定義了飛機(jī)設(shè)計(jì)域、工藝域和工裝域的信息構(gòu)成,基于多色集理論建立設(shè)計(jì)-工藝-工裝的分層映射模型,為工裝設(shè)計(jì)奠定理論和實(shí)踐基礎(chǔ)；張佳朋等［7］提出面向離散型裝配的過(guò)程建模方法,描述了數(shù)據(jù)-過(guò)程互動(dòng)的復(fù)雜關(guān)系,建立了裝配過(guò)程的理論結(jié)構(gòu)和對(duì)象模型.

上述研究主要針對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)BOM設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)、工裝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及裝配過(guò)程數(shù)據(jù)等單領(lǐng)域數(shù)據(jù)的定義、建模和管理,缺乏融合多系統(tǒng)領(lǐng)域數(shù)據(jù)的裝配工藝統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型,無(wú)法全面表達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)、工裝數(shù)據(jù)、任務(wù)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)關(guān)系,難以為數(shù)字化系統(tǒng)集成提供通用的數(shù)據(jù)管理方法.本文針對(duì)飛機(jī)數(shù)字化裝配多個(gè)子系統(tǒng)協(xié)同工作的實(shí)際需求,提煉出裝配過(guò)程中需要用到的數(shù)據(jù),用多重結(jié)構(gòu)對(duì)裝配數(shù)據(jù)進(jìn)行表達(dá),并給出語(yǔ)義化定義.基于關(guān)系理論,建立多重結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的關(guān)系模型,保證裝配數(shù)據(jù)的單一數(shù)據(jù)源應(yīng)用模式.最后用工程實(shí)例展示了該數(shù)據(jù)模型對(duì)裝配數(shù)據(jù)的組織和應(yīng)用效果.

1 數(shù)字化裝配數(shù)據(jù)分析

飛機(jī)數(shù)字化裝配數(shù)據(jù)是為了協(xié)調(diào)多個(gè)系統(tǒng)工作,根據(jù)裝配工藝路線和目的歸納出來(lái)輔助數(shù)字化裝配順利進(jìn)行的數(shù)據(jù)集合.按其性質(zhì)可以分為工裝設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)、裝配對(duì)象相關(guān)數(shù)據(jù)和裝配任務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù).工裝設(shè)備是對(duì)飛機(jī)產(chǎn)品測(cè)量、調(diào)整、加工的終端,由獨(dú)立的數(shù)字化子系統(tǒng)控制,工裝設(shè)備數(shù)據(jù)與坐標(biāo)相關(guān),包括坐標(biāo)系統(tǒng)、輔助測(cè)量點(diǎn)等數(shù)據(jù)；裝配對(duì)象是裝配的飛機(jī)產(chǎn)品,可以是不同尺寸、數(shù)量及外形的組件、段件、部件及大部件,裝配對(duì)象數(shù)據(jù)包括產(chǎn)品關(guān)鍵特性和裝配工藝參數(shù)；裝配任務(wù)是裝配車間進(jìn)行裝配的行為指令,它控制了飛機(jī)的裝配順序及工藝路線,任務(wù)需要配置相關(guān)工藝參數(shù),并在執(zhí)行過(guò)程中產(chǎn)生實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù).數(shù)字化裝配數(shù)據(jù)的組成與分類如圖1所示.

圖1 裝配數(shù)據(jù)分類Fig.1 Assembly data classification

1.1 工裝設(shè)備數(shù)據(jù)

工裝設(shè)備的位置數(shù)據(jù)是產(chǎn)品模型數(shù)字量向?qū)嵨飩鬟f的中間媒介,為了統(tǒng)一各類設(shè)備數(shù)據(jù)的度量基準(zhǔn),首先建立飛機(jī)裝配全局坐標(biāo)系,再將設(shè)備局部坐標(biāo)系向該裝配坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換.這一過(guò)程包括：激光跟蹤儀建站、數(shù)控設(shè)備及鉆鉚機(jī)器人標(biāo)定.因?yàn)檠b配全局坐標(biāo)系是由坐標(biāo)原點(diǎn)和坐標(biāo)軸組成的坐標(biāo)系統(tǒng),不便于直接測(cè)量,在坐標(biāo)系統(tǒng)所定義的裝配空間布置公共觀測(cè)點(diǎn)Dc（ x,y,z）,將其作為裝配坐標(biāo)系的可測(cè)數(shù)據(jù)集中管理.

激光跟蹤儀轉(zhuǎn)站時(shí)根據(jù)共線、共面、對(duì)稱等原則選擇一定數(shù)量的公共觀測(cè)點(diǎn),用其測(cè)量值 ｛｝和裝配坐標(biāo)系下的理論值 ｛｝ 做綜合誤差最小匹配［8］,優(yōu)化求解測(cè)量坐標(biāo)系與裝配坐標(biāo)系的位姿關(guān)系Tm,記錄該關(guān)系參數(shù),測(cè)量子系統(tǒng)據(jù)此獲得幾何要素的裝配坐標(biāo)值.其中,坐標(biāo)系位姿參數(shù)用六元組（θx,θy,θz,tx,ty,tz）表示,矩陣形式為

式中：t＝［tx,ty,tz］為坐標(biāo)原點(diǎn)的平移向量,ω＝［θx,θy,θz］為坐標(biāo)軸間的偏角向量,R為關(guān)于ω的變換矩陣.

伺服定位設(shè)備的標(biāo)定是由跟蹤儀精確測(cè)量零點(diǎn)位姿Td和仿射坐標(biāo)向量Vd的過(guò)程,標(biāo)定后設(shè)備在局部坐標(biāo)系的相對(duì)位移和轉(zhuǎn)角能夠轉(zhuǎn)換到裝配坐標(biāo)系下,實(shí)現(xiàn)工裝的全局定位與跟蹤.Td的定義如式（1）,仿射坐標(biāo)向量由起點(diǎn)Ds（ xs,ys,zs） 和終點(diǎn)De（ xe,ye,ze） 定義,向量形式為

鉆鉚機(jī)器人借助跟蹤儀實(shí)現(xiàn)制孔位置全閉環(huán)控制［9］,原理是利用機(jī)器人base坐標(biāo)系位姿Tb、工具坐標(biāo)系位姿Tt及模型孔位信息,反求出機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)角度,從而精確控制機(jī)器人的刀具位姿.對(duì)機(jī)器人坐標(biāo)位姿Tb、Tt集中管理,其參數(shù)由式（1）定義.

根據(jù)以上分析,工裝設(shè)備集成管理的數(shù)據(jù)與坐標(biāo)系統(tǒng)相關(guān),組成的數(shù)據(jù)集合如下：

式中：D為輔助點(diǎn)集合、V為仿射向量集合、T為坐標(biāo)位姿集合.

1.2 裝配對(duì)象數(shù)據(jù)

飛機(jī)產(chǎn)品是數(shù)字化裝配的對(duì)象,為了對(duì)裝配質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制,從產(chǎn)品模型中選取飛機(jī)結(jié)構(gòu)和外形的主要幾何特征參數(shù),比如交點(diǎn)孔、中心軸、對(duì)接面等參數(shù),作為飛機(jī)的關(guān)鍵特性［10］在裝配過(guò)程中跟蹤評(píng)價(jià),關(guān)鍵特性包括位姿特性、測(cè)量特性和控制特性.其中,位姿特性（posture characteristics,PC）用來(lái)綜合評(píng)價(jià)飛機(jī)零部件間相對(duì)位姿,是確定同軸度、外形階差等裝配關(guān)系的三維位姿尺寸［11］,一般由零部件幾何中心和中心線所確定的局部坐標(biāo)系參數(shù)來(lái)表達(dá),如圖2所示,參數(shù)為六元組（θx,θy,θz,tx,ty,tz）.

圖2 裝配對(duì)象關(guān)鍵特性Fig.2 Key characteristics of assembly object

測(cè)量特性（measure characteristics,MC）是能代表飛機(jī)外形準(zhǔn)確度的型面、軸線、交點(diǎn)、叉耳、接頭、孔等關(guān)鍵幾何特征,因?yàn)閷?shí)際裝配過(guò)程中采用基于坐標(biāo)測(cè)量的方法來(lái)監(jiān)控測(cè)量特性,因此常將測(cè)量特性分解為關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)［12］,由測(cè)點(diǎn)對(duì)復(fù)雜幾何要素間接評(píng)價(jià).對(duì)接面的孔位若超差將會(huì)影響裝配協(xié)調(diào)度,除了采取修配或加墊的補(bǔ)償工藝來(lái)協(xié)調(diào)裝配,也可將孔位作為測(cè)量特性,重新調(diào)姿勻化容差,如圖2右端面孔.測(cè)點(diǎn)參數(shù)是關(guān)于坐標(biāo)及容差的九元組（x, y,z,xu,xd,yu,yd,zu,zd）,下標(biāo)u,d分別表示坐標(biāo)位置的上下極限偏差.

控制特性（control characteristics,CC）是實(shí)現(xiàn)工裝與飛機(jī)柔性連接的部位,一般指工藝球頭或者工藝耳片.數(shù)控設(shè)備通過(guò)改變控制特性的位置,來(lái)調(diào)整飛機(jī)位姿特性,從而達(dá)到控制飛機(jī)定位精度和外形準(zhǔn)確度的目的.控制特性參數(shù)選取球頭或耳片的幾何中心位置,用三元組（x,y,z） 表示.

飛機(jī)的關(guān)鍵特性與產(chǎn)品幾何模型相關(guān),是數(shù)字化裝配過(guò)程中監(jiān)測(cè)控制的直接目標(biāo),關(guān)鍵特性數(shù)據(jù)如下：

式中：P為位姿特性集合、M為測(cè)量特性集合、C為控制特性集合.

飛機(jī)的裝配工藝參數(shù)則與工藝規(guī)程相關(guān),是用來(lái)指導(dǎo)相關(guān)設(shè)備初始化和位置配置,并規(guī)定相關(guān)工藝精度和條件的數(shù)據(jù).按照工藝內(nèi)容的不同,將工藝參數(shù)分為吊裝配置參數(shù)H、調(diào)姿位姿參數(shù)A、姿態(tài)評(píng)價(jià)參數(shù)E、對(duì)接路徑參數(shù)J和制孔程序及工藝參數(shù)K.

裝配對(duì)象吊裝入位前,數(shù)控定位設(shè)備在裝配坐標(biāo)系下所處的位置是該裝配對(duì)象的吊裝配置參數(shù).該參數(shù)根據(jù)裝配對(duì)象下架后控制特性的實(shí)測(cè)值來(lái)設(shè)計(jì),一般將飛機(jī)組部件的工藝球頭中心坐標(biāo)作為吊裝配置的參數(shù)記作（xb,yb,zb）；裝配對(duì)象入位后,指導(dǎo)多個(gè)數(shù)控設(shè)備多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃的數(shù)據(jù),包括裝配對(duì)象位姿特性的目標(biāo)值（θx,θy,θz,tx, ty,tz）、位姿容差范圍Tθ以及對(duì)位姿評(píng)價(jià)的測(cè)量特性列表Ld,是調(diào)姿位姿參數(shù)；處于任意裝配階段的裝配對(duì)象,其姿態(tài)評(píng)價(jià)參數(shù)除容差Tθ外與調(diào)姿一致；對(duì)接路徑參數(shù)是指導(dǎo)多個(gè)裝配對(duì)象協(xié)同運(yùn)動(dòng)完成對(duì)合插配的數(shù)據(jù),由多條移動(dòng)記錄組成,每條移動(dòng)記錄包括移動(dòng)次序Ss、裝配對(duì)象So、移動(dòng)方向Sd、移動(dòng)步距Si；制孔程序及工藝參數(shù)以文件形式存在,機(jī)器人根據(jù)設(shè)計(jì)的程序Fp以規(guī)定的工藝參數(shù)Fc對(duì)裝配對(duì)象制孔或加工.裝配對(duì)象的工藝參數(shù)是H,A,J,E,K的集合如下：

式中：H為吊裝參數(shù)集合、A為調(diào)姿參數(shù)結(jié)集合、J為對(duì)接參數(shù)集合、E為評(píng)價(jià)參數(shù)集合、K為制孔參數(shù)集合.

1.3 裝配任務(wù)數(shù)據(jù)

飛機(jī)的裝配以流程為主進(jìn)行生產(chǎn)組織,裝配工藝流程由串并聯(lián)混合而成的裝配任務(wù)組成.裝配任務(wù)是指導(dǎo)數(shù)控設(shè)備或人員執(zhí)行的一道道工序,它規(guī)定了飛機(jī)對(duì)象的裝配順序、規(guī)程及工藝路線,體現(xiàn)設(shè)計(jì)者的裝配意圖和計(jì)劃.以是否產(chǎn)生新數(shù)據(jù),將裝配任務(wù)分為配置任務(wù)和動(dòng)態(tài)任務(wù).

偷偷拿走我的畫(huà)的人是秦晴，因?yàn)樗灿泻臀乙粯拥膼?ài)好，卻只能背著爸媽進(jìn)行。爸媽發(fā)現(xiàn)后，一怒之下將其“毀尸滅跡”。

配置任務(wù)是對(duì)具體任務(wù)內(nèi)容的描述記為Ts,它包含了任務(wù)標(biāo)記、執(zhí)行對(duì)象標(biāo)記、任務(wù)結(jié)構(gòu)、執(zhí)行狀態(tài)、傳輸協(xié)議.其中,任務(wù)標(biāo)記Tflag是某一任務(wù)區(qū)別于其他任務(wù)的特征標(biāo)志,每個(gè)任務(wù)都有一個(gè)獨(dú)立的任務(wù)標(biāo)記,同時(shí)根據(jù)執(zhí)行對(duì)象標(biāo)記Oflag,確定一套裝配對(duì)象數(shù)據(jù)與之對(duì)應(yīng),裝配任務(wù)的唯一性保證了裝配過(guò)程預(yù)定的計(jì)劃進(jìn)行生產(chǎn)、組織和控制.任務(wù)結(jié)構(gòu)Tsa是任務(wù)的組織形式,大任務(wù)可以分解為多個(gè)小任務(wù),小任務(wù)又可以分為更小的任務(wù),形成父子、兄弟關(guān)系并存的嵌套結(jié)構(gòu),便于將復(fù)雜裝配流程劃分為較小粒度的單元進(jìn)行控制.執(zhí)行狀態(tài)是對(duì)任務(wù)完成效果的描述,包括新建、就緒、執(zhí)行、掛起、回滾和完成狀態(tài).傳輸協(xié)議是指參與本任務(wù)的相關(guān)子系統(tǒng)互傳數(shù)據(jù)和命令的一種約定,它定義了數(shù)據(jù)包文中各數(shù)據(jù)段所代表的意義.

動(dòng)態(tài)任務(wù)Td是配置任務(wù)的運(yùn)行實(shí)例,將測(cè)量、調(diào)姿等任務(wù)派發(fā)至相應(yīng)子系統(tǒng)后,需要以動(dòng)態(tài)任務(wù)來(lái)建立各種設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的關(guān)系,比如姿態(tài)評(píng)價(jià)值與哪些測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)值相關(guān).還需要記錄執(zhí)行裝配任務(wù)時(shí)的車間工裝環(huán)境,比如溫度At、壓強(qiáng)Ap及始末時(shí)間Ast,Aet等.動(dòng)態(tài)任務(wù)數(shù)據(jù)管理的是與裝配架次相關(guān)的飛機(jī)測(cè)量值Md、裝配質(zhì)量評(píng)價(jià)值Pd及設(shè)備位置值Cd等,在積累多架次動(dòng)態(tài)任務(wù)數(shù)據(jù)后,可以對(duì)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,支持設(shè)計(jì)、工藝技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量的持續(xù)改進(jìn).裝配任務(wù)數(shù)據(jù)如下：

式中：Ts為配置任務(wù)集合、Td為動(dòng)態(tài)任務(wù)集合、Md為測(cè)量值集合、Pd為位姿評(píng)價(jià)值集合、Cd為設(shè)備位置集合,

2 裝配數(shù)據(jù)多重結(jié)構(gòu)定義

第1節(jié)結(jié)合數(shù)字化裝配的工藝背景和需求,對(duì)裝配數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容包括數(shù)據(jù)項(xiàng)、數(shù)據(jù)意義進(jìn)行了詳細(xì)的分析,并將其分為工裝、產(chǎn)品、任務(wù)3類領(lǐng)域數(shù)據(jù),一定程度上將離散數(shù)據(jù)有序化.為了對(duì)同領(lǐng)域數(shù)據(jù)間的組成關(guān)系和不同領(lǐng)域數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系更全面的描述、管理和存儲(chǔ),還需要對(duì)裝配數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理.

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括線性結(jié)構(gòu)、樹(shù)形結(jié)構(gòu)和圖形結(jié)構(gòu),利用產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)形成的結(jié)構(gòu)樹(shù),基于層次關(guān)系將裝配數(shù)據(jù)細(xì)分為多重關(guān)聯(lián)的任務(wù)結(jié)構(gòu)樹(shù)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)和設(shè)備結(jié)構(gòu)樹(shù),以便于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的重用和擴(kuò)展.如圖3所示為裝配數(shù)據(jù)的樹(shù)結(jié)構(gòu)及其互相間的引用關(guān)系.

圖3 任務(wù)、產(chǎn)品及設(shè)備結(jié)構(gòu)樹(shù)Fig.3 Task tree,object tree and device tree

1）任務(wù)結(jié)構(gòu)樹(shù)從工藝流程角度對(duì)裝配活動(dòng)進(jìn)行描述,將配置任務(wù)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)任務(wù)數(shù)據(jù)層次化組織,反映產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的裝配路線和工程實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù).

2）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)按照設(shè)計(jì)分離面將飛機(jī)產(chǎn)品逐級(jí)分解,從而形成一棵完整的結(jié)構(gòu)樹(shù).樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)是最終產(chǎn)品,過(guò)渡節(jié)點(diǎn)是中間裝配體,葉節(jié)點(diǎn)是零組件,體現(xiàn)產(chǎn)品的包含和裝配關(guān)系.樹(shù)節(jié)點(diǎn)屬性由關(guān)鍵特性和工藝參數(shù)組成.

3）設(shè)備結(jié)構(gòu)樹(shù)以裝配過(guò)程中所處的工位對(duì)工裝資源進(jìn)行組織,規(guī)定指定裝配對(duì)象所需要的一套設(shè)備,如測(cè)量跟蹤儀、調(diào)姿定位器組和鉆鉚機(jī)器人等,設(shè)備樹(shù)節(jié)點(diǎn)屬性是與坐標(biāo)系統(tǒng)相關(guān)的參數(shù).

式中：Tm,To,Td分別為任務(wù)、產(chǎn)品及設(shè)備結(jié)構(gòu)樹(shù)代表的局部結(jié)構(gòu),Rmo,Rod,Rdm分別表示任務(wù)與產(chǎn)品、產(chǎn)品與設(shè)備、設(shè)備與任務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)間的相互關(guān)系.

2.1 局部樹(shù)結(jié)構(gòu)定義

對(duì)式（7）中的局部樹(shù)結(jié)構(gòu)及其相互關(guān)系分別定義,定義局部樹(shù)結(jié)構(gòu)是由節(jié)點(diǎn)屬性A,節(jié)點(diǎn)關(guān)系Re和結(jié)構(gòu)約束C的集合如下：

式中：m,o,d分別表示任務(wù)、對(duì)象及設(shè)備局部樹(shù),其中：

1）節(jié)點(diǎn)屬性A〈t,a,v〉：屬性是節(jié)點(diǎn)所包含全部種類數(shù)據(jù)的集合,按照式（3）～（6）的定義,節(jié)點(diǎn)屬性Ai?｛D,V,T,P,M,C,H,A,J,E,K,Ts,Td, Md,Pd,Cd｝.每類屬性數(shù)據(jù)又是由多個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)組成的子集合,數(shù)據(jù)項(xiàng)是對(duì)屬性內(nèi)容的具體描述,包括類型t、名稱a和取值v.比如設(shè)備樹(shù)節(jié)點(diǎn)屬性Ad?｛D,V,T｝,其中子集D有數(shù)據(jù)項(xiàng)＜字符,點(diǎn)編號(hào), LU＃1ERS＞,＜實(shí)數(shù),x坐標(biāo),100＞,＜實(shí)數(shù),y坐標(biāo),－300＞,＜實(shí)數(shù),z坐標(biāo),400＞.

2）節(jié)點(diǎn)關(guān)系Re〈b,p〉：樹(shù)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的有2種關(guān)系,一是兄弟關(guān)系b,表達(dá)同層節(jié)點(diǎn)間的并列關(guān)系；二是父子關(guān)系p,表達(dá)上層節(jié)點(diǎn)與次級(jí)節(jié)點(diǎn)間的包含關(guān)系.比如任務(wù)樹(shù)的調(diào)姿節(jié)點(diǎn)分解出準(zhǔn)備、測(cè)量、評(píng)價(jià)、規(guī)劃、調(diào)整等幾個(gè)子節(jié)點(diǎn),子任務(wù)按一定的次序執(zhí)行,體現(xiàn)裝配工藝順序.

3）結(jié)構(gòu)約束C：樹(shù)結(jié)構(gòu)的約束是對(duì)節(jié)點(diǎn)關(guān)系的一種強(qiáng)化,即一個(gè)子節(jié)點(diǎn)只能有一個(gè)父節(jié)點(diǎn),一個(gè)父節(jié)點(diǎn)可以擁有多個(gè)子節(jié)點(diǎn),樹(shù)結(jié)構(gòu)只能有一個(gè)根節(jié)點(diǎn),父節(jié)點(diǎn)必須先與子節(jié)點(diǎn)而存在.

2.2 樹(shù)結(jié)構(gòu)間關(guān)系定義

式（7）中樹(shù)結(jié)構(gòu)間的關(guān)系Ri,i∈（mo,od,dm）與樹(shù)內(nèi)的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系不同,描述的是不同領(lǐng)域數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的引用關(guān)系,通過(guò)這種關(guān)系來(lái)確保裝配數(shù)據(jù)的完整性和關(guān)聯(lián)性.數(shù)字化裝配過(guò)程按照裝配任務(wù)集中調(diào)度指定站位設(shè)備工作,來(lái)完成特定裝配對(duì)象的裝配工藝,所以樹(shù)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系.以某型飛機(jī)中機(jī)身前下壁板姿態(tài)調(diào)整為例,展示多重結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)如何互相參引來(lái)形成完整的裝配數(shù)據(jù).

在任務(wù)樹(shù)Tm中,“姿態(tài)調(diào)整”節(jié)點(diǎn)擁有屬性子集TS,TS包含數(shù)據(jù)項(xiàng)“執(zhí)行對(duì)象標(biāo)記”,記作為＜枚舉,前下壁板,PA_PART_FB＞；在產(chǎn)品樹(shù)To中搜索標(biāo)記為PA_PART_FB的裝配對(duì)象,其節(jié)點(diǎn)為“前下壁板”,獲取前下壁板的調(diào)姿工藝參數(shù)子集A,包括目標(biāo)位姿和調(diào)姿容差等；根據(jù)PA_PART_ FB標(biāo)記在設(shè)備樹(shù)Td中搜索相對(duì)應(yīng)工位的“定位器組”節(jié)點(diǎn),將目標(biāo)位姿和調(diào)姿容差發(fā)送至指定控制系統(tǒng),控制數(shù)控定位器多軸協(xié)同運(yùn)動(dòng)完成對(duì)前下壁板的位姿調(diào)整.

3 多重結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的關(guān)系模型

式（7）表達(dá)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是對(duì)樹(shù)形結(jié)構(gòu)符號(hào)化的定義描述,不利于裝配數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ).基于此,借鑒關(guān)系理論的相關(guān)知識(shí),對(duì)多重結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的定義進(jìn)行細(xì)化表達(dá),以符合關(guān)系理論對(duì)離散數(shù)據(jù)的描述規(guī)范,從而將裝配數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為易被理解和存儲(chǔ)的形式.

式（8）中的數(shù)據(jù)屬性子集是具有相同類型和性質(zhì)的數(shù)據(jù)集合,用關(guān)系理論的弱實(shí)體來(lái)表達(dá)這類子集,而結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)組成的集合則用強(qiáng)實(shí)體來(lái)表達(dá),弱實(shí)體高度依賴于強(qiáng)實(shí)體,體現(xiàn)出節(jié)點(diǎn)集對(duì)屬性子集的包含關(guān)系.如裝配對(duì)象是強(qiáng)實(shí)體,關(guān)鍵檢測(cè)點(diǎn)是弱實(shí)體,若裝配對(duì)象消失了,則關(guān)鍵檢測(cè)點(diǎn)變的沒(méi)有意義；屬性子集中的數(shù)據(jù)項(xiàng)則由實(shí)體屬性來(lái)表達(dá),實(shí)體屬性是對(duì)實(shí)體所具有的某一性質(zhì)特性的描述；節(jié)點(diǎn)間的層次和引用關(guān)系用實(shí)體彼此之間的聯(lián)系來(lái)表達(dá).

由第1.3節(jié)的分析可知,任務(wù)樹(shù)包含配置任務(wù)和動(dòng)態(tài)任務(wù)2類節(jié)點(diǎn),其節(jié)點(diǎn)屬性是不相同的,因此為了避免數(shù)據(jù)冗余,以符合關(guān)系理論的第3范式要求,設(shè)計(jì)配置任務(wù)和動(dòng)態(tài)任務(wù)2個(gè)強(qiáng)實(shí)體來(lái)描述任務(wù)樹(shù)節(jié)點(diǎn)集合,其中配置任務(wù)強(qiáng)實(shí)體屬性由式（6）中的Ts定義,動(dòng)態(tài)任務(wù)強(qiáng)實(shí)體屬性由式（6）中的Td定義.為了將設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)與動(dòng)態(tài)任務(wù)關(guān)聯(lián)起來(lái),設(shè)計(jì)檢測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值,定位器位置值和裝配對(duì)象位姿評(píng)價(jià)值等弱實(shí)體,其實(shí)體屬性分別由式（6）中的Md, Cd,Pd來(lái)定義.基于此,設(shè)計(jì)任務(wù)結(jié)構(gòu)樹(shù)的實(shí)體-關(guān)系模型如圖4所示,為了使模型清晰簡(jiǎn)單只列出了具有代表性的實(shí)體屬性.

產(chǎn)品樹(shù)中的節(jié)點(diǎn)擁有相同的屬性,即產(chǎn)品關(guān)鍵特性和工藝參數(shù).將產(chǎn)品樹(shù)的節(jié)點(diǎn)集合用裝配對(duì)象強(qiáng)實(shí)體來(lái)表達(dá),其實(shí)體屬性包括對(duì)象ID、對(duì)象標(biāo)記等唯一性屬性.而節(jié)點(diǎn)的屬性子集合分別用測(cè)量特性、控制特性、位姿特性、吊裝參數(shù)、調(diào)姿參數(shù)、對(duì)接參數(shù)和制孔參數(shù)等弱實(shí)體表達(dá),這些弱實(shí)體依賴于裝配對(duì)象強(qiáng)實(shí)體,弱實(shí)體屬性分別由式（4）、（5）中P,M,C,H,A,E,J,K定義.基于此,設(shè)計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)的實(shí)體-關(guān)系模型如圖5所示.

圖4 任務(wù)結(jié)構(gòu)樹(shù)實(shí)體-關(guān)系模型Fig.4 Entity-Relation model of task tree

圖5 對(duì)象結(jié)構(gòu)樹(shù)實(shí)體-關(guān)系模型Fig.5 Entity-Relation model of object tree

設(shè)備樹(shù)中的節(jié)點(diǎn)屬性子集由設(shè)備類型來(lái)確定,根據(jù)不同的設(shè)備類型,分別設(shè)計(jì)激光跟蹤儀參數(shù)、數(shù)控定位器參數(shù)、移動(dòng)平臺(tái)參數(shù)和制孔設(shè)備參數(shù)弱實(shí)體來(lái)描述設(shè)備屬性集,弱實(shí)體屬性則由式（3）中的D,V,T定義.設(shè)備樹(shù)節(jié)點(diǎn)組成的集合由工裝設(shè)備強(qiáng)實(shí)體表達(dá),其實(shí)體屬性包括設(shè)備所屬工位、設(shè)備類別和設(shè)備標(biāo)記等簡(jiǎn)單類型數(shù)據(jù),所定義的弱實(shí)體隸屬于工裝設(shè)備強(qiáng)實(shí)體.基此,設(shè)計(jì)設(shè)備結(jié)構(gòu)樹(shù)的實(shí)體-關(guān)系模型如圖6所示.

圖6 設(shè)備結(jié)構(gòu)樹(shù)實(shí)體-關(guān)系模型Fig.6 Entity-Relation model of device tree

圖4～6是用關(guān)系理論的實(shí)體概念對(duì)樹(shù)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)集和屬性子集的細(xì)分描述,并沒(méi)有對(duì)樹(shù)結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)關(guān)系Re、結(jié)構(gòu)約束C和樹(shù)節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系R進(jìn)行表達(dá),因此,還需要為圖4～6中的相關(guān)強(qiáng)實(shí)體創(chuàng)建特殊的實(shí)體屬性,來(lái)確定實(shí)體內(nèi)以及實(shí)體間的聯(lián)系.由于樹(shù)節(jié)點(diǎn)關(guān)系Re〈b,p〉包含2層意義,一是同級(jí)節(jié)點(diǎn)的兄弟關(guān)系,二是上下級(jí)節(jié)點(diǎn)的父子關(guān)系,因此為配置任務(wù)強(qiáng)實(shí)體、裝配對(duì)象強(qiáng)實(shí)體和工裝設(shè)備強(qiáng)實(shí)體添加主鍵屬性ID和非空屬性ParentID,用相同的ParentID表達(dá)兄弟關(guān)系,用ID與ParentID相等來(lái)表達(dá)父子關(guān)系；其中,ParentID的值必須比ID小,且唯一根節(jié)點(diǎn)的ParentID為0；由于樹(shù)節(jié)點(diǎn)彼此之間的關(guān)系R是一對(duì)一的關(guān)系,在配置任務(wù)強(qiáng)實(shí)體中增加裝配對(duì)象標(biāo)記,在裝配對(duì)象強(qiáng)實(shí)體中添加關(guān)聯(lián)工位標(biāo)記,通過(guò)標(biāo)記的唯一性來(lái)實(shí)現(xiàn)樹(shù)與樹(shù)之間一一對(duì)應(yīng)的聯(lián)系.基于此,設(shè)計(jì)任務(wù)樹(shù)、產(chǎn)品樹(shù)和設(shè)備樹(shù)之間實(shí)體-關(guān)系模型,如圖7所示.

圖7 任務(wù)樹(shù)、對(duì)象樹(shù)和設(shè)備樹(shù)實(shí)體-關(guān)系模型Fig.7 Entity-Relation model of task,object and device trees

圖4～7創(chuàng)建了符合關(guān)系理論的多重樹(shù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的實(shí)體-關(guān)系模型,將其組合起來(lái)則構(gòu)成完整的裝配數(shù)據(jù)關(guān)系模型,根據(jù)關(guān)系理論對(duì)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)原則,設(shè)計(jì)裝配數(shù)據(jù)的完整表結(jié)構(gòu).將配置任務(wù)、裝配對(duì)象和工裝設(shè)備強(qiáng)實(shí)體分別用3張主結(jié)構(gòu)表來(lái)存儲(chǔ),主結(jié)構(gòu)表的屬性列由主鍵、外聯(lián)鍵及一般屬性構(gòu)成.而與強(qiáng)實(shí)體相關(guān)聯(lián)的弱實(shí)體則用數(shù)據(jù)表來(lái)存儲(chǔ),數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)樹(shù)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際屬性和數(shù)值,如點(diǎn)的坐標(biāo)、部件的位姿等.

4 工程實(shí)例

針對(duì)飛機(jī)數(shù)字化裝配中,多個(gè)協(xié)同工作的子系統(tǒng)數(shù)據(jù)基準(zhǔn)各異、結(jié)構(gòu)離散,導(dǎo)致數(shù)據(jù)難以管理的現(xiàn)狀,利用提出的裝配數(shù)據(jù)分類方法、結(jié)構(gòu)定義形式及關(guān)系模型,以oracle關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)為后臺(tái),建立了飛機(jī)數(shù)字化裝配單一數(shù)據(jù)源,并開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)管理客戶端,實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)數(shù)字化裝配數(shù)據(jù)的有效管理.

如圖8所示以某型飛機(jī)中機(jī)身數(shù)字化裝配為例,表示了裝配任務(wù)、對(duì)象、設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式及其相互關(guān)系.工藝操作人員選擇工具欄的“任務(wù)管理”并在功能區(qū)點(diǎn)擊“前下壁板調(diào)姿”,彈出任務(wù)信息屬性框,顯示基本信息和調(diào)姿參數(shù)2個(gè)標(biāo)簽頁(yè),基本信息頁(yè)面中的“組件”屬性與裝配對(duì)象樹(shù)中的“下壁板”節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng),據(jù)此建立起任務(wù)與裝配對(duì)象的關(guān)系.裝配對(duì)象的支撐球頭參數(shù)標(biāo)簽頁(yè)中的“定位器”與設(shè)備樹(shù)中的“前下壁板定位器組”節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng),從而將設(shè)備資源與前下壁板關(guān)聯(lián)起來(lái).

圖8 飛機(jī)數(shù)字化裝配數(shù)據(jù)集成管理實(shí)例Fig.8 Application of data integration in aircraft digital assembly

如圖9所示為某型飛機(jī)3段對(duì)接裝配對(duì)象發(fā)生變更時(shí),數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)根據(jù)本文模型對(duì)裝配數(shù)據(jù)管理的實(shí)例.系統(tǒng)在保持?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不變的情況下,只需要修改樹(shù)結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量和名稱,來(lái)適應(yīng)新裝配對(duì)象和新工藝的改變.因?yàn)闃?shù)節(jié)點(diǎn)屬性集合和相互關(guān)系是類似的,只需對(duì)系統(tǒng)少量修改,即可滿足不同飛機(jī)裝配項(xiàng)目數(shù)據(jù)管理要求,保證數(shù)據(jù)模型的復(fù)用性.對(duì)于裝配對(duì)象的特定工藝需求,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)支持對(duì)新數(shù)據(jù)的靈活添加,如ERJ這3段對(duì)接項(xiàng)目中需要對(duì)全機(jī)水平測(cè)量,則在裝配任務(wù)樹(shù)中添加全機(jī)水平測(cè)量評(píng)價(jià)任務(wù)節(jié)點(diǎn)如圖9所示.

5 結(jié) 語(yǔ)

飛機(jī)數(shù)字化裝配系統(tǒng)是由測(cè)量、控制、加工及集成管理等多個(gè)子系統(tǒng)組合而成,系統(tǒng)中涉及到的裝配數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)離散、關(guān)系復(fù)雜,難于統(tǒng)一管理.本文針對(duì)各子系統(tǒng)的工藝需求,歸納裝配所需數(shù)據(jù),提出一種通用的數(shù)據(jù)分類方法.建立邏輯上獨(dú)立但又互相關(guān)聯(lián)的任務(wù)樹(shù)、對(duì)象樹(shù)及設(shè)備樹(shù),形成多重結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),從而支持裝配數(shù)據(jù)模型的復(fù)用和可擴(kuò)展,滿足新機(jī)型研制的時(shí)間要求.對(duì)多重結(jié)構(gòu)語(yǔ)義化定義,為關(guān)系模型的建立提供依據(jù).基于關(guān)系理論,建立完整的多重結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)關(guān)系模型,由此確定關(guān)系型數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)及表的關(guān)聯(lián)關(guān)系,對(duì)測(cè)量、定位、調(diào)姿及評(píng)價(jià)相關(guān)的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性存儲(chǔ)維護(hù),為數(shù)字化裝配順利進(jìn)行奠定基礎(chǔ).

圖9 裝配對(duì)象變更實(shí)例Fig.9 Applicability for different assembly project

（References）：

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Data integration for aircraft digital assembly system

DOU Ya-dong,WANG Qing,LI Jiang-xiong,KE Ying-lin
（State Key Laboratory of Fluid Power Transmission and Control,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China）

Aircraft assembly data consist of large amount of scattered data,which represents complex assembly relationships as well as other important assembly information.Analysis,classification and integration of this information has become the major challenge in developing aircraft digital assembly system.A novel efficient framework was proposed to integrate this multi-dimensional data in aircraft assembly system based on cascade structure.Firstly,the assembly information was analyzed and classified according to different assembly requirements and scenarios.The cascade structure tree of task,object and device was then created respectively combined with the semantic definition of the structure.Finally,a complete integrated data model for the entire assembly process was established using relational theory.This data integration method has already been applied in aircraft assembly projects,the results show that the proposed data model has good versatility and flexibility,which can increase the efficiency of the assembly process.

aircraft digital assembly；assembly data；integration management；cascade structure；relational model

10.3785／j.issn.1008-973X.2015.05.007

TP 273

A

1008-973X（2015）05-0858-08

2014-08-02. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版）網(wǎng)址：www.journals.zju.edu.cn／eng

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51375442）.

竇亞冬（1987－）,男,博士生,從事飛機(jī)數(shù)字化裝配數(shù)據(jù)管理的研究.E-mail：dou_yd＠163.com

王青,男,副教授.E-mail：wqing＠zju.edu.cn

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