基于Web的飛機裝配可視化系統(tǒng)研究

劉 劍， 趙 罡

（北京航空航天大學機械工程與自動化學院，北京 100191）

飛機制造過程的主要環(huán)節(jié)是飛機裝配。飛機裝配的過程就是將大量的飛機零件按圖紙、技術條件進行組合、連接的過程[1]。飛機裝配由于產品尺寸大、形狀復雜、零件以及連接件數(shù)量多，所以裝配工作的勞動量占飛機制造總工作量的50%～60%[2]。因此，在整個制造過程中飛機裝配生產是一項技術難度大、涉及學科領域多的綜合性集成技術，它在很大程度上決定了飛機的最終質量、制造成本和周期。

1 國內外研究現(xiàn)狀

國內外對裝配領域進行了多方面的研究，Sankar等基于面向裝配的設計(DFA,Design For Assembly)思想，介紹了基于虛擬現(xiàn)實技術的產品裝配工藝規(guī)劃[3]；Michel等提出了一種基于等價二叉樹數(shù)據(jù)結構的復雜產品裝配序列表達與最優(yōu)化方法[4]；趙慶丹闡述了基于產品預裝配功能自動生成飛機裝配工序的方法[5]；孫中雷對DELMIA仿真系統(tǒng)進行二次開發(fā)，構建了基于JAVA和VRML的裝配仿真與可視化環(huán)境[2]。但是，從應用角度來看，目前的研究大多都是面向產品設計制造的上游階段，缺少面向實際裝配生產過程方面的研究[6]。主要存在的問題有，缺乏與企業(yè)實際生產過程相結合，不能滿足生產異地協(xié)同和數(shù)據(jù)唯一性的要求，缺乏對生產過程進行管理與控制[2]；裝配仿真集中于產品零部件幾何樣機級別，忽略了大量裝配過程信息，如車間現(xiàn)場，工裝工具，人機工程等[5]，難以滿足生產培訓和示教需求。

裝配可視化(Assembly Visualization)是指將現(xiàn)實中的裝配流程和零部件的動態(tài)裝配過程在計算機上仿真出來[6]。本文針對上述問題，以國內航空制造企業(yè)裝配車間實際生產為出發(fā)點，設計開發(fā)車間級別，基于 Web的飛機裝配可視化系統(tǒng)，以指導和管理實際生產過程為目的，集成工藝資源，動態(tài)仿真裝配過程，發(fā)布可視化文件，提供操作規(guī)范；合理規(guī)范管理生產數(shù)據(jù)，開發(fā)面向不同角色成員的功能模塊，從而提高裝配水平和生產效率。

2 關鍵技術

2.1 異地協(xié)同的數(shù)據(jù)唯一性保持

飛機裝配生產工藝過程復雜，工作地點位置分散，需要不同部門、不同成員之間相互協(xié)同工作。因此，本系統(tǒng)利用現(xiàn)代計算機和網絡技術，在裝配車間局域網內架設Web系統(tǒng)，采用底層開放協(xié)議，可在企業(yè)局域網內做到無縫連接，從而有效地解決了部門、成員之間的異地協(xié)同問題，實現(xiàn)參與裝配生產人員之間適時的信息共享與數(shù)據(jù)傳遞。

實現(xiàn)車間裝配制造過程協(xié)同的關鍵是保證協(xié)同數(shù)據(jù)源的唯一性。 飛機裝配車間內存在大量繁多復雜的產品、工裝工具、工藝等數(shù)據(jù)，并且生產過程中還存在成員、批次、進度等其他信息。這些信息相對分散孤立，而且相互間的邏輯關系也不清晰。從應用角度考慮，不利于系統(tǒng)的使用和管理。因此，利用單一數(shù)據(jù)源思想管理裝配車間的各種信息，從而可以保障生產協(xié)同。單一產品數(shù)據(jù)源 SSPD (Single Source of Product Data)，通過建立產品數(shù)據(jù)的邏輯聯(lián)系，將物理上分布的數(shù)據(jù)形成邏輯上的統(tǒng)一整體，為數(shù)據(jù)的訪問與操作提供唯一的數(shù)據(jù)源。基于SSPD可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的一致性、完整性、最新性、可靠性和無冗余[7]。

裝配車間中常用的信息包括：裝配體/零件信息、資源信息（包括工藝裝備、工具、成員等）、工藝信息（包括仿真可視化文件、工藝規(guī)程、操作說明、標準規(guī)范、檢驗參數(shù)等）、成員信息、過程管理等生產信息。將車間中各種與生產相關的信息按照它們之間固有的邏輯關系組織在一起，應用單一數(shù)據(jù)源思想，按照車間單一數(shù)據(jù)源信息模型，建立車間單一數(shù)據(jù)源負責信息的管理和維護，同時作為信息發(fā)布平臺為其它系統(tǒng)提供底層信息支持，構成車間進行協(xié)同工作的基礎。按照裝配車間各種信息之間固有的邏輯關系，并考慮到本系統(tǒng)實際使用的需求，對車間各種信息進行統(tǒng)一管理，構建了如圖1所示的車間單一數(shù)據(jù)源信息模型。

圖1 裝配車間單一數(shù)據(jù)源信息模型

應用單一數(shù)據(jù)源思想，通過對現(xiàn)有的車間信息進行整合、組織，構建車間單一數(shù)據(jù)源信息模型，消除了原有分散管理模式中信息分散、邏輯關系不清晰、不利于管理與使用的弊端，既滿足了系統(tǒng)對信息數(shù)據(jù)唯一性的需求，又能利用數(shù)據(jù)庫技術對車間信息進行集中和高效的管理、提高車間生產效率、促進車間各個信息系統(tǒng)之間的信息共享和交換。

2.2 裝配流程劃分

裝配流程劃分是裝配工藝流程設計最核心的內容，它以裝配工藝樹為基礎[1]。裝配工藝樹以產品結構樹為基礎建立。飛機產品結構樹是按照其設計分離面進行劃分的，是從產品的構型上描述各零、組件的父子關系，表示飛機各零組件在結構上的關系，其節(jié)點全是實體-裝配件或者零件。但裝配工藝結構樹是按照其設計裝配工藝分離面進行劃分，它從工藝流程上描述產品的裝配過程，側重的是工作任務的安排，不僅體現(xiàn)了產品結構的父子關系，而其體現(xiàn)了零部件裝配的先后順序，其節(jié)點中既有實體，又有裝配工序。裝配工藝樹與產品結構樹相比，零件間及其數(shù)量均不發(fā)生變化，部件之間的安裝關系不發(fā)生變化，但是工藝結構樹增加或減少了工藝構型節(jié)點，并且修改或移動節(jié)點子樹。裝配工藝樹的確定，一方面要對產品結構進行細致的分析，另一方面也要考慮到互換協(xié)調性、裝配工藝設備的利用和節(jié)點完整性等問題。圖2所示為裝配工藝樹示例。

圖2 裝配工藝樹示例

裝配工藝樹形成之后，就需要對裝配的流程進行工藝劃分，依據(jù)裝配關系，按照裝配工作中相對獨立的工作內容、一定的工作量以及工位、工種等經行劃分。本文從裝配車間生產過程出發(fā)，以工作項目來劃分裝配流程，流程單元是按照生產過程本身來組織的，有利于組織生產的組織和管理。流程中的每一項工作，對應輸出其可視化指導文件。對劃分后的流程節(jié)點，按照基本進度計劃的要求，得出各節(jié)點的生產周期，并按照實際生產條件，經行周期的平衡和優(yōu)化，以此作為生產批次管理的基本單元。

2.3 裝配過程可視化

2.3.1 仿真系統(tǒng)

裝配過程仿真應當充分考慮裝配生產中場地、零部件、工裝工具、輔助設備、人機工程等因素，對裝配過程進行動態(tài)仿真，驗證裝配可行性，然后輸出可視化文件。裝配過程可視化文件，更符合人的認知規(guī)律，使現(xiàn)場工人能夠直觀、準確、迅速地獲得裝配過程中需要的信息，可以大大提高裝配的準確性和裝配效率，有效縮短裝配時間。

本文采用航空企業(yè)普遍使用的 DELMIA(Digital Enterprise Lean Manufacturing Interaction Application，數(shù)字企業(yè)精益制造交互式應用)解決方案對飛機裝配過程進行動態(tài)仿真。DEMMIA系統(tǒng)便于共享產品數(shù)字化模型，該系統(tǒng)以“數(shù)字化制造技術”為核心, 重點解決制造過程的仿真問題, 提供定義和模擬數(shù)字化制造流程的各項功能, DELMIA數(shù)字制造解決方案可以使制造部門設計數(shù)字化產品的全部生產流程，在部署實際材料和機器之前進行虛擬演示。

2.3.2 裝配過程仿真

應用 DELMIA系統(tǒng)仿真艙門裝配過程的流程如圖3所示，以數(shù)字化模型代替實體，在計算機虛擬現(xiàn)實環(huán)境下進行裝配過程的模擬及工藝流程分析, 確保產品的可裝配性, 并合理規(guī)劃及布置裝配資源[8]。

圖3 裝配仿真流程

首先，將數(shù)據(jù)規(guī)劃為產品和資源，并將規(guī)劃好裝配工藝導入 DELMIA系統(tǒng)中。包括車間現(xiàn)場布局，工裝、工具，待裝配零部件數(shù)模，以及虛擬人模型，并確定其初始狀態(tài)。利用已有的裝配工藝流程信息(Process)、產品信息(Product)，資源信息(Resource)在定義好每個零件所在裝配體約束定位的基礎上，在 DELMIA環(huán)境中基于拆卸法由外而內進行裝配順序規(guī)劃，由三維羅盤控制子裝配體的三維坐標，得到裝配體拆卸過程中的拆卸起點和終點，用仿真記錄器記錄該起點和終點即可得到一條初始拆卸路徑，在初始路徑上添加中間控制點，生成新的拆卸路徑。所添加的控制點是否合理需要通過觀察以及干涉檢查等手段來進行判斷，并不斷的進行優(yōu)化，最終得到較好的拆裝路徑。產品的裝配路徑通過對拆卸路徑進行反向操作得到。

在仿真過程中對每個零、組件、成品、工裝等進行干涉檢查，當系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)零件之間、零件與工裝之間存在干涉情況時予以報警，根據(jù)干涉區(qū)域和干涉量，進行查找、分析干涉的原因，進而排除問題。引入裝配工具的三維實體模型，對工具與產品、工裝進行三維動態(tài)仿真，有效驗證裝配協(xié)調性、工具的可達性、操作空間的開放性。

在產品和制造資源的仿真基礎上，再將于Human Builder模塊中定義好的三維人體模型引入設置好的環(huán)境中進行人體和其所制造、安裝、操作等與產品之間互動關系的動態(tài)仿真，分析操作人員在該環(huán)境中的姿態(tài)、負荷、舒適度等，驗證人體操作的可達性、舒適性，進一步優(yōu)化工藝流程和制造資源。 最后，利用以上裝配過程的三維數(shù)字化仿真功能，將整個裝配過程記錄下來，形成可以播放的影片格式，發(fā)布在系統(tǒng)頁面中。指導現(xiàn)場操作人員進行飛機裝配，幫助工人直觀認識操作全過程。圖4為子組件裝配中框中段的定位仿真過程，虛擬人將框放置于工裝上，并經行定位的過程。

圖4 仿真裝配過程

2.4 三維交互的實現(xiàn)方法

DELMIA裝配工藝仿真功能強大，但是所輸出的可視化演示視頻文件格式無法交互。因此使用3DVIA Composer解決方案，制作過程文檔動畫，與 DELMIA系統(tǒng)輸出的可視化文件結合應用于系統(tǒng)中。3DVIA Composer是由Dassault開發(fā)的圖形軟件，具備強大的幀動畫功能，可以制作內容豐富，直觀簡潔的說明文檔。并且提供ActiveX控件，易于實現(xiàn)與其他系統(tǒng)的集成，實現(xiàn)三維交互功能。瀏覽器端交互演示 3DVIA composer創(chuàng)建的動畫文檔，需在客戶端安裝3DVIA Player插件，主機端編程頁面內使用