韓志仁，劉小誦，吳 蒙，劉寶明

（1.沈陽航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院，沈陽 110136；2.航空制造工藝數(shù)字化國防重點學(xué)科實驗室，沈陽 110136）

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

目前，傳統(tǒng)的裝配進度展現(xiàn)方式相對匱乏，多是文字圖表形式，無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)的實時執(zhí)行進展，使裝配現(xiàn)場的問題能夠及時得到解決，進一步提高生產(chǎn)管控效率，需要一種直觀的飛機部件裝配進度展示方案。

隨著MBD技術(shù)在我國的深入發(fā)展，三維模型已經(jīng)成為表達產(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)場信息可視化技術(shù)得到廣泛應(yīng)用[2]。胡保華等[3]實現(xiàn)了三維裝配工藝設(shè)計信息在生產(chǎn)現(xiàn)場的可視化。王帥等[4]實現(xiàn)了飛機裝配現(xiàn)場工藝信息在移動終端的實時展現(xiàn)。賈憲水[5]和張翰方[6]利用HOOPS 圖形開發(fā)平臺，分別針對飛機翼身對接與制孔過程實現(xiàn)現(xiàn)場信息的可視化。馬騰等[7]提出了一種飛機裝配生產(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)場進度信息可視化的研究。段國齊等[8]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)進度可視化展示系統(tǒng)。但其三維場景沒有實現(xiàn)交互，無法進一步操作數(shù)模和查看產(chǎn)品的局部細節(jié)結(jié)構(gòu)信息。

CATIA Composer是由達索公司開發(fā)的圖形軟件，提供ActiveX 控件，易于實現(xiàn)與其他系統(tǒng)的集成，可實現(xiàn)三維交互功能，還提供了可靠的模型輕量化解決方案[9]。現(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來制作輕量化三維附圖和輕量化仿真動畫來進行三維工藝文件的編制輔助現(xiàn)場裝配[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部件裝配過程中的裝配進度實時信息，以提高飛機部件裝配過程的管控水平和能力，本研究提出利用CATIA Composer軟件系統(tǒng)，通過企業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)信息三維模型實時展示飛機裝配進度的方法。

1 飛機部件裝配進度可視化信息模型

1.1 信息分析

目前，飛機裝配車間的裝配進度等生產(chǎn)情況通常采用制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）控制和查看，只要用戶有賬號和權(quán)限，就可以在MES上通過站位編碼和工序號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)計劃與調(diào)度、制造資源管理、車間質(zhì)量管理、生產(chǎn)現(xiàn)場管理、裝配數(shù)據(jù)采集和制造進度展示模塊等[14]。飛機部件裝配進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 飛機部件裝配進度三維可視化流程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)計劃，再針對各個部裝車間下達車間裝配作業(yè)計劃，同時根據(jù)AO進行裝配齊套性檢查, 然后結(jié)合生產(chǎn)計劃、各裝配AO和物料配套信息，對應(yīng)AO編號和站位安排時間，形成工序作業(yè)計劃，最后各工段或零件庫、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)計劃后，根據(jù)AO進行產(chǎn)品的裝配，操作者會在MES客戶端上確認工序開工、完工等操作信息，當(dāng)一道工序完工后方可進入下一道。對于質(zhì)檢工序，在工序完工后應(yīng)提交相關(guān)部門進行質(zhì)檢。對于檢驗合格的工序進行報完工操作并將裝配數(shù)據(jù)歸檔保存；對于檢驗不合格的工序，應(yīng)判斷是否存在質(zhì)量問題，若沒有質(zhì)量問題，則通過相關(guān)技術(shù)處理（如讓步放行、臨時工藝、返修工藝等）后可再次裝配和提交檢驗，若存在質(zhì)量問題，則轉(zhuǎn)到不合格品處理流程進行處理[15]。生產(chǎn)現(xiàn)場依據(jù)發(fā)布完畢的作業(yè)計劃進行物料配套和現(xiàn)場調(diào)度派工生產(chǎn)，裝配計劃通過裝配數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能根據(jù)實際計劃的執(zhí)行情況實時反饋。

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

零件裝配狀態(tài)變化的過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)），通過裝配數(shù)據(jù)采集模塊實時獲取現(xiàn)場報工信息。當(dāng)現(xiàn)場該工序下零件的裝配狀態(tài)為1（待裝）時，工序報開工；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，工序報完工；當(dāng)零件裝配質(zhì)量檢查不合格需要返修時零件的裝配狀態(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)控制每個裝配件的數(shù)模的顯示屬性，將現(xiàn)場裝配過程予以直觀表達。裝配AO一般采用*.xml的文件格式來存儲結(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，可以通過工序開、完工狀態(tài)賦予每個裝配件裝配狀態(tài)（初始狀態(tài)、待裝、已裝）。數(shù)模中的零件圖號具有唯一性，實際裝配也是參考圖號，一道工序完成就說明其下配套零件已經(jīng)被裝配。因此可以通過零件圖號將裝配狀態(tài)和三維數(shù)模進行關(guān)聯(lián)，進而實現(xiàn)用數(shù)模來展示裝配狀態(tài)。

1.2 零組件裝配進度信息模型

為將三維輕量化模型與裝配進度信息關(guān)聯(lián)起來，本文通過構(gòu)建零組件裝配信息模型的方式對零件裝配狀態(tài)信息進行數(shù)據(jù)過濾和重新組織，其過程如圖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、準(zhǔn)終工時等生產(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)采集模塊中可以實時獲得現(xiàn)場工序開、完工操作信息、檢驗記錄等組件裝配過程產(chǎn)生的信息（動態(tài)生產(chǎn)信息）。通過工序號等信息可以將靜態(tài)生產(chǎn)信息和動態(tài)生產(chǎn)信息關(guān)聯(lián)起來構(gòu)建零組件裝配信息模型，再通過零件圖號將組件輕量化模型與零組件裝配進度信息模型進行關(guān)聯(lián)，從而實現(xiàn)組件三維輕量化模型與裝配進度信息的關(guān)聯(lián)。

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

2 模型輕量化

原始設(shè)計CAD文檔包括的信息量大，占用的容量大，需要專門軟件打開，并且數(shù)模加載比較耗時[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行表達，以提高三維模型的顯示與處理效率。

通過查閱資料，選擇了4種常見的數(shù)模輕量化工具：CATIA Composer、JT2GO、Cortona3D、CATIA,在考慮操作者對工具的熟練程度和計算機配置差異的情況下進行數(shù)模的加載測試，測試分析結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明，Composer最省時。

圖4 常見輕量化數(shù)模工具對比試驗分析結(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)計軟件的原始設(shè)計文檔(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[4]中是一種先進的跨行業(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)品體驗等。其內(nèi)置的播放器Composer Player具備強大的播放控制及交互功能，提供Player ActiveX插件，易于實現(xiàn)與其他系統(tǒng)的集成。

3 飛機部件裝配進度三維可視化模塊功能

3.1 裝配過程可視化展示功能

根據(jù)零組件裝配信息模型中的裝配狀態(tài)對模型進行屬性設(shè)置，包括顯示或隱藏、模型顏色設(shè)置等，通過設(shè)置對三維簡化模型進行渲染展示。渲染的情況包括當(dāng)前裝配狀態(tài)、下一步裝配狀態(tài)（待裝件通過顏色區(qū)別）等。默認展示的是當(dāng)前裝配狀態(tài)，如圖5所示。通過點擊右側(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)場的裝配進度情況，為管理人員分析及管控生產(chǎn)過程提供支持。

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，系統(tǒng)周期性查詢工位庫存信息，結(jié)合裝配進度及工序計劃，判斷下一步工序所需零組件是否齊備，如果庫存不滿足需求，記錄缺件信息及缺件原因。對于缺件的零件會顯示紅色和缺件標(biāo)記，并對缺件零件的缺件原因進行彈窗提示，如圖6所示。此功能可及時發(fā)現(xiàn)缺件信息，降低缺件情況對生產(chǎn)的影響。

圖6 存在缺件時下一步裝配狀態(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，在細節(jié)展示方面可以利用 Digger 工具查看產(chǎn)品局部細節(jié)結(jié)構(gòu)信息，對零件細節(jié)進行放大處理。

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，可以進一步驗證裝配工藝的合理性。通過零件間隙檢查和交互式?jīng)_突檢測確定裝配過程中是否發(fā)生碰撞，零件重合被認為是互相沖突的，干涉檢查過程如圖7所示。

圖7 利用Composer進行干涉檢查Fig.7 Using Composer to check gap of static view

3.3 裝配進度監(jiān)控功能

根據(jù)實際完工時間和裝配計劃中的完工時間計算出延誤時間，進一步判斷出工序是否按時完工。工序完成情況包括提前完工、按時完工、延遲完工。根據(jù)當(dāng)前工序不同完成情況，進度條控件顯示不同顏色予以提示。其中提前、延遲完工（如實際完工時間超過計劃完工時間30%的情況提前或延時，由專業(yè)工藝員規(guī)定）、正常的工序，進度條會分別呈現(xiàn)綠色、紅色與黃色。通過裝配進度條的顏色顯示、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、尺寸、視圖變換等標(biāo)注工具。需要協(xié)調(diào)處理時，工藝人員可借助三維標(biāo)注繪制簡圖對現(xiàn)場生產(chǎn)問題進行意見反饋，三維標(biāo)注如圖8所示。

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

4 飛機部件裝配進度三維可視化實現(xiàn)

4.1 飛機裝配現(xiàn)場裝配進度可視化系統(tǒng)架構(gòu)

飛機裝配現(xiàn)場裝配進度可視化系統(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Composer Player對組件*.smg模型進行渲染展示，即可在PDA、瀏覽器、電子看板等顯示終端頁面展示出當(dāng)前裝配進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，實現(xiàn)車間管理人員直觀掌握裝配現(xiàn)場執(zhí)行情況。

數(shù)據(jù)層主要負責(zé)組織裝配狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，構(gòu)建零組件裝配進度信息模型，將零組件裝配狀態(tài)與數(shù)模進行關(guān)聯(lián)，并將零組件裝配狀態(tài)信息數(shù)據(jù)存儲于后臺Oracle數(shù)據(jù)庫，加載數(shù)模時通過網(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)場人員和用戶，說明了基于顯示層實現(xiàn)的業(yè)務(wù)功能，包含進度展示、進度監(jiān)控、缺件提示、干涉檢查、三維標(biāo)注等，表征了飛機裝配進度可視化的展示及反饋現(xiàn)場生產(chǎn)問題的過程。

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)，進行客戶端與服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫之間實時數(shù)據(jù)的傳輸。產(chǎn)品數(shù)模及裝配工藝信息由PDM獲得，裝配車間裝配過程實時信息由MES獲得。

4.2 應(yīng)用實例

以某部裝車間中央翼的裝配過程為例,對提出的基于CATIA Composer的飛機部件裝配進度三維可視化方法進行了驗證。裝配現(xiàn)場裝配進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，根據(jù)AO中零組件裝配順序展示該部件裝配流程，藍色高亮節(jié)點表示當(dāng)前正在進行裝配的組件名稱。界面右邊為執(zhí)行過程中飛機部件裝配進度的展示界面?？赏ㄟ^點擊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綠色，裝配進度條顏色代表當(dāng)前裝配工序的執(zhí)行情況是否超出計劃工時。

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

實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度，及時發(fā)現(xiàn)真正影響裝配進度的問題，進一步提升生產(chǎn)管控效率，保證了車間生產(chǎn)計劃的順利實施。

5 結(jié)論

針對飛機部裝車間實際生產(chǎn)現(xiàn)場中裝配狀態(tài)信息反饋不直觀的問題，本研究提出基于CATIA Composer的裝配進度展示方法，建立飛機零組件裝配進度信息模型，依托XML技術(shù)、ActiveX技術(shù)、MES技術(shù)開發(fā)了基于B/S結(jié)構(gòu)的飛機裝配進度三維可視化模塊，并以某型號飛機中央翼為對象，驗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，有較好的實用價值。