段國齊，田錫天，黃利江

（西北工業(yè)大學(xué)CAPP與制造工程軟件研究所，西安 710072）

飛機(jī)裝配過程是一個(gè)復(fù)雜的過程，與一般的機(jī)械產(chǎn)品相比，飛機(jī)裝配過程有其獨(dú)特之處，如飛機(jī)裝配過程中包含大量的零部件、大量工裝制造和協(xié)調(diào)工作，飛機(jī)裝配質(zhì)量要求嚴(yán)格，生產(chǎn)管理又嚴(yán)格按照批架次進(jìn)行管理，另外飛機(jī)裝配涉及部門眾多，工作量大，周期長，設(shè)計(jì)更改頻繁[1]。目前國內(nèi)外整個(gè)飛機(jī)生產(chǎn)過程中的飛機(jī)裝配過程都處于非常重要的地位，在歐美等發(fā)達(dá)國家，飛機(jī)裝配的勞動(dòng)量占飛機(jī)生產(chǎn)總勞動(dòng)量的一半左右（40%～60%），就飛機(jī)生產(chǎn)的總?cè)肆Y源而言，參與裝配的人員就占總?cè)藛T的1/3左右，而飛機(jī)裝配所用的時(shí)間占飛機(jī)生產(chǎn)總時(shí)間的1/2～3/4[2]。在飛機(jī)裝配過程中，飛機(jī)裝配進(jìn)度作為基礎(chǔ)信息，為車間任務(wù)的計(jì)劃、調(diào)度提供客觀依據(jù)，因此能否直觀、有效地查看飛機(jī)裝配進(jìn)度，對(duì)飛機(jī)裝配過程的好與壞、快與慢起著關(guān)鍵性的作用。

隨著制造企業(yè)信息化的深入，以及三維CAD軟件的普及，將三維模型應(yīng)用于裝配現(xiàn)場，利用三維模型的可視化特性提高裝配效率已是一種趨勢。目前，國內(nèi)外對(duì)如何利用三維模型來支持現(xiàn)場裝配過程進(jìn)行了大量的研究。田富君等[3]提出了一種基于輕量化模型的三維裝配工藝文件生成技術(shù)，將三維輕量化模型應(yīng)用于裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真信息的現(xiàn)場發(fā)布。胡保華等[4]提出了基于MBD的三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)，并將已完成的工藝設(shè)計(jì)信息傳遞到生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)可視化裝配。但是，從應(yīng)用的角度看，缺少將三維模型應(yīng)用于裝配進(jìn)度的研究。主要存在的問題有裝配現(xiàn)場產(chǎn)生的生產(chǎn)信息與三維模型關(guān)聯(lián)性差，無法實(shí)現(xiàn)根據(jù)生產(chǎn)信息用三維模型實(shí)時(shí)地展示飛機(jī)裝配進(jìn)度。

本文在分析飛機(jī)裝配車間裝配進(jìn)度可視化需求的基礎(chǔ)上，提出依據(jù)飛機(jī)裝配車間生產(chǎn)信息，用三維簡化模型展示飛機(jī)裝配進(jìn)度的方法，并對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

1 飛機(jī)裝配進(jìn)度三維可視化方法

目前飛機(jī)裝配車間裝配進(jìn)度用二維圖形進(jìn)行展示，如進(jìn)度條、餅形圖等，這種方式是已完成任務(wù)比例的圖形展示，缺乏直觀性，無法直觀展示哪些零件已經(jīng)裝配完成，哪些零件正在裝配，哪些零件還未裝配，而飛機(jī)裝配進(jìn)度三維可視化技術(shù)可直觀展示各個(gè)組件的裝配狀態(tài)。飛機(jī)裝配進(jìn)度三維可視化是指在虛擬環(huán)境下，采用基于顏色的可視化表示方法，用三維模型展示飛機(jī)裝配進(jìn)度，即不同裝配狀態(tài)的組件用不同的顏色顯示出來。在飛機(jī)裝配進(jìn)度三維展示時(shí)，先根據(jù)車間裝配任務(wù)，對(duì)三維模型進(jìn)行簡化處理；再將三維簡化模型與處理后的工藝數(shù)據(jù)綁定，建立飛機(jī)裝配進(jìn)度信息模型；最后在此信息模型的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)根據(jù)提取到的組件裝配狀態(tài)對(duì)三維簡化模型進(jìn)行渲染展示。飛機(jī)裝配進(jìn)度三維可視化方法如圖1所示。

圖1 飛機(jī)裝配進(jìn)度三維可視化展示方法Fig.1 3D visualization display method on aircraft assembly schedule

（1） 三維模型簡化。由于飛機(jī)包含的零組件多，為了提高飛機(jī)裝配進(jìn)度三維可視化效率，需對(duì)三維模型進(jìn)行簡化處理。先對(duì)飛機(jī)裝配結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，再對(duì)簡化后的飛機(jī)裝配結(jié)構(gòu)中的組件進(jìn)行外形簡化和輕量化處理。

（2） 工藝數(shù)據(jù)的處理。飛機(jī)裝配是按照裝配工藝進(jìn)行的，同時(shí)裝配任務(wù)與工藝規(guī)程是一一對(duì)應(yīng)的，因此需要將一部分工藝信息映射為靜態(tài)生產(chǎn)信息（生產(chǎn)任務(wù)信息中的工藝屬性信息，如規(guī)程信息、工序信息等），以實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)生產(chǎn)信息（生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的任務(wù)操作者、任務(wù)時(shí)間、任務(wù)狀態(tài)等信息）的管理。生產(chǎn)信息由靜態(tài)生產(chǎn)信息和動(dòng)態(tài)生產(chǎn)信息共同構(gòu)成。

（3） 飛機(jī)裝配進(jìn)度信息模型建立。先按一定的規(guī)則將三維簡化模型同飛機(jī)裝配靜態(tài)生產(chǎn)信息關(guān)聯(lián)起來，而裝配過程產(chǎn)生的信息（動(dòng)態(tài)生產(chǎn)信息）可根據(jù)映射關(guān)系關(guān)聯(lián)到三維簡化模型，從而實(shí)現(xiàn)將生產(chǎn)信息與三維簡化模型關(guān)聯(lián)起來。

（4） 裝配進(jìn)度展示。裝配進(jìn)度展示是根據(jù)組件的裝配狀態(tài)，對(duì)組件三維簡化模型進(jìn)行渲染展示，以實(shí)現(xiàn)用三維簡化模型展示飛機(jī)裝配進(jìn)度。在飛機(jī)裝配進(jìn)度展示時(shí)可以展示車間的裝配進(jìn)度和某一個(gè)組件的裝配進(jìn)度。

整個(gè)飛機(jī)裝配進(jìn)度三維可視化過程涉及的關(guān)鍵技術(shù)有三維模型簡化、基于三維簡化模型的飛機(jī)裝配進(jìn)度信息模型建立以及組件裝配狀態(tài)提取。本文主要針對(duì)這3方面進(jìn)行研究。

2 三維模型簡化

飛機(jī)包含的零組件種類多，零組件幾何外形、裝配結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如ARJ21機(jī)頭包含9000多種零件，裝配完成需要幾千道工序[5]。在飛機(jī)裝配進(jìn)度三維展示時(shí)，如直接利用上游發(fā)布的設(shè)計(jì)模型勢必造成計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度慢，為了提高飛機(jī)裝配進(jìn)度三維展示效率，需對(duì)三維模型進(jìn)行簡化處理。三維模型簡化是指以車間裝配任務(wù)和車間裝配進(jìn)度可視化需求為基礎(chǔ)對(duì)三維設(shè)計(jì)模型進(jìn)行簡化處理。在對(duì)三維模型進(jìn)行簡化處理時(shí)遵循以下規(guī)則。

規(guī)則1：在同一本裝配任務(wù)中，如果有多個(gè)沒有裝配任務(wù)的子組件，則應(yīng)將這些子組件合并成一個(gè)子組件，合并后的子組件信息取第一個(gè)子組件信息（按照裝配關(guān)系第一個(gè)沒有裝配任務(wù)的子組件）；

規(guī)則2：在不影響展示效果的前提下，簡化零組件的構(gòu)建結(jié)構(gòu)，去除一些小零件，如螺栓、墊片等；

規(guī)則3：在不影響組件大體外觀的前提下，對(duì)所有組件的幾何外形進(jìn)行簡化處理，如去除一些小孔、倒角等；

規(guī)則4：去除每個(gè)組件的所有文本信息，只保留組件的幾何信息。

3 飛機(jī)裝配進(jìn)度信息建模

在傳統(tǒng)飛機(jī)裝配生產(chǎn)信息保存過程中，裝配過程中產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)生產(chǎn)信息，如操作者信息、時(shí)間信息、資源信息、記錄信息等非幾何信息通常與三維模型相分離。本文以三維簡化模型為基礎(chǔ)，建立飛機(jī)裝配進(jìn)度信息模型，將生產(chǎn)信息與三維簡化模型關(guān)聯(lián)起來。根據(jù)飛機(jī)裝配過程對(duì)信息的不同需求，對(duì)飛機(jī)裝配過程中所涉及的信息進(jìn)行分析，建立面向飛機(jī)裝配現(xiàn)場的飛機(jī)裝配進(jìn)度信息模型，如圖2所示。

裝配進(jìn)度信息模型包含有幾何信息和生產(chǎn)信息。在裝配進(jìn)度信息模型中將組件三維簡化模型與生產(chǎn)信息關(guān)聯(lián)起來，構(gòu)建組件可視化模型。三維簡化模型表達(dá)了組件的幾何外形。生產(chǎn)信息表達(dá)了組件裝配指導(dǎo)工藝信息（靜態(tài)生產(chǎn)信息）和組件裝配過程產(chǎn)生的信息（動(dòng)態(tài)生產(chǎn)信息）。生產(chǎn)信息包括生產(chǎn)任務(wù)信息、操作信息以及零件配套信息。生產(chǎn)任務(wù)對(duì)應(yīng)一個(gè)裝配任務(wù)進(jìn)行時(shí)產(chǎn)生的信息，包括工藝信息、開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間、任務(wù)狀態(tài)信息等，生產(chǎn)任務(wù)與工藝規(guī)程是一一對(duì)應(yīng)的，它們與對(duì)應(yīng)的組件三維簡化模型進(jìn)行綁定。操作信息對(duì)應(yīng)一個(gè)工序操作時(shí)產(chǎn)生的信息，包括工藝信息、人員信息、完成時(shí)間信息、工具信息、操作記錄信息、檢驗(yàn)記錄信息。零件配套是指每個(gè)零件、組件配套產(chǎn)生的信息，包括零件、組件信息、人員信息、配套時(shí)間信息。在生產(chǎn)信息中，每個(gè)生產(chǎn)任務(wù)包括多個(gè)操作信息以及零件配套信息。

圖2 飛機(jī)裝配進(jìn)度信息模型Fig.2 Information model of aircraft assembly schedule

4 組件裝配狀態(tài)信息提取

飛機(jī)裝配進(jìn)度三維可視化是通過循環(huán)遍歷組件裝配狀態(tài)（組件可視化模型中的裝配狀態(tài)屬性），并根據(jù)組件裝配狀態(tài)對(duì)組件三維簡化模型進(jìn)行渲染，不同裝配狀態(tài)的組件所對(duì)應(yīng)的三維簡化模型用不同的顏色展示，以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)裝配進(jìn)度的展示。組件裝配狀態(tài)根據(jù)裝配任務(wù)生產(chǎn)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，又由于組件裝配狀態(tài)信息是以屬性的形式定義在組件可視化模型中，故需要單獨(dú)提取。

飛機(jī)裝配結(jié)構(gòu)是以結(jié)構(gòu)樹的形式將組件組織起來。在組件裝配狀態(tài)提取時(shí)，采用廣度優(yōu)先遍歷算法獲取結(jié)構(gòu)對(duì)象唯一標(biāo)識(shí)，通過標(biāo)識(shí)從組件可視化模型中抽取裝配狀態(tài)屬性信息。以3層裝配結(jié)構(gòu)為例，具體過程如下：

（1） 獲取裝配結(jié)構(gòu)樹中選中的節(jié)點(diǎn)對(duì)象（組件模型）的標(biāo)識(shí)；

（2） 根據(jù)上步獲取的節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)，采用廣度優(yōu)先遍歷方法，遍歷節(jié)點(diǎn)的所有子節(jié)點(diǎn)，獲取第一個(gè)子節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)，通過標(biāo)識(shí)和屬性名提取屬性值；

（3） 重復(fù)步驟（2），繼續(xù)遍歷第2個(gè)到第n個(gè)子組件，提取它們的裝配狀態(tài)屬性值；

（4） 重復(fù)步驟（2）、步驟（3），遍歷第二層子組件，提取它們的裝配狀態(tài)屬性值，數(shù)據(jù)提取基本過程如圖3所示。

5 實(shí)例分析

根據(jù)上述方法，以某直升機(jī)生產(chǎn)企業(yè)裝配車間為基礎(chǔ)，本研究以Visual C++集成開發(fā)環(huán)境為開發(fā)工具，采用OSG技術(shù)構(gòu)建三維場景，開發(fā)了面向裝配現(xiàn)場的生產(chǎn)進(jìn)度可視化展示原型系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以企業(yè)MES為平臺(tái)，進(jìn)行二次開發(fā)。系統(tǒng)基于三維簡化模型，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)生產(chǎn)信息展示飛機(jī)裝配車間裝配進(jìn)度的功能。圖4為飛機(jī)總裝車間裝配進(jìn)度顯示界面，界面左邊為車間裝配結(jié)構(gòu)樹，在裝配結(jié)構(gòu)樹上可選擇要查看裝配進(jìn)度的組件，界面右邊為飛機(jī)裝配進(jìn)度展示界面，可通過查看、刷新按鈕查看當(dāng)前的裝配進(jìn)度。通過采用三維模型展示飛機(jī)裝配進(jìn)度的方法，裝配車間人員能夠直觀地了解總車間的裝配進(jìn)度。圖5為直升機(jī)過渡段裝配進(jìn)度展示。

圖3 裝配狀態(tài)信息提取過程Fig.3 Assembly state information extraction process

圖4 車間裝配進(jìn)度展示Fig.4 Workshop assembly progress

圖5 組件裝配進(jìn)度展示Fig.5 Components assembly progress

6 結(jié)束語

針對(duì)傳統(tǒng)飛機(jī)裝配現(xiàn)場的生產(chǎn)數(shù)據(jù)與三維模型關(guān)聯(lián)性差，車間裝配進(jìn)度展示不夠直觀等問題，本文提出了依據(jù)生產(chǎn)信息，用三維簡化模型實(shí)時(shí)地展示飛機(jī)裝配進(jìn)度的方法。首先，研究三維設(shè)計(jì)模型的簡化方法；其次，在研究了飛機(jī)裝配進(jìn)度三維可視化模型表示方法的基礎(chǔ)上，建立飛機(jī)裝配進(jìn)度信息模型，在此信息模型的基礎(chǔ)上研究了組件裝配狀態(tài)信息提取技術(shù)；最后，通過某飛機(jī)制造企業(yè)裝配車間的實(shí)際應(yīng)用證明該方法容易實(shí)現(xiàn)，并達(dá)到提升裝配狀態(tài)表達(dá)的直觀性和準(zhǔn)確性的目的。

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