基于模型定義的裝配工藝信息系統集成方法

曾鵬飛，蒿宇宇，邵偉平，郝永平

(1.沈陽理工大學 機械工程學院， 沈陽 110159；2.沈陽理工大學 CAD/CAM技術研究與開發中心， 沈陽 110159)

隨著數字化設計與制造技術的推廣應用[1]，提升了企業產品研制的快速響應能力和水平；但是，產品全生命周期的各個階段和環節之間的聯系并不是很順暢[2，3]，產品數據流和信息流在不同應用間的傳遞還存在一定的障礙，降低了數字化制造的應用效果?；谀Ｐ投x(MBD)技術將產品的所有相關設計定義、工藝描述、屬性和管理等信息都附著在產品三維模型中來提高產品研制并行協同的程度和系統集成水平[4-6]。MBD技術在國內外的航空航天、兵器和電科等行業企業得到了應用[7-10]。

田錫天等[11]構建了飛機三維數字化裝配工藝設計與管理系統并與PDM系統進行有效集成。李聯輝等[12]基于單一產品數據源構建了任務驅動的裝配BOM和裝配數據組織網絡模型來提高數據組織效率。劉曉軍等[12]建立了裝配工藝設計階段模型及輔助工藝信息的表達方法和模型信息間的映射機制。周陽等[13]采用二次開發技術提取MBD模型特征參數，結構化表達MBD模型信息，構建有向無環圖來匹配幾何信息層的相似性實現模型檢索。靳江艷等[14]建立了面向裝配工藝設計的MBD模型以及在飛機裝配工藝設計中的應用。袁偉等利用Unity3D開發了虛擬裝配環境以實現人機交互和裝配信息顯示。但是，圍繞彈藥研制裝配工藝MBD與裝配車間生產系統的信息集成研究還不夠深入，特別是跨域裝配工藝信息集的構建、關聯層次關系及其系統集成與實踐。

本文針對兵器工業集團某企業軍品研制的實際需求，提出了基于模型定義的彈箭裝配工藝信息系統集成技術與方法。通過基于全三維數字化模型的定義及應用，構建基于統一產品數據源的全三維環境下的裝配工藝設計與車間生產制造的數據流與信息流的融合體系，提高裝配生產質量和效率，推進MBD技術在彈藥裝配中的應用，為我國智能彈藥的數字化研制提供重要參考。

1 裝配工藝設計過程

1.1 裝配工藝設計過程活動描述

彈箭的裝配從零部件、電子元器件等開始，形成若干部件或組件，部件、組件和相關零件裝配完成之后進入總裝階段，直至形成最終可交付的產品。其裝配工藝設計從研制的初期開始，經歷試制前的工藝準備、研制試生產、小批量生產和定型生產等相關過程。裝配設計活動過程包含的主要內容有：

1) 裝配單元劃分和裝配順序規劃：根據彈箭設計結構及相關的工藝特征，合理地進行工藝分解、劃分工藝分離面，依據產品結構將各個艙段的相應部件劃分為各自的裝配單元。

2) 裝配基準和定位方法選擇：采用合理的工藝方法和工藝裝備來保證裝配基準的實現，選擇適合的定位方法來確定裝配單元中各組成零部件要素間的相互關系。

3) 裝配協調與方案制定：制定裝配工藝的協調方案和協調路線，明確協調要素、裝配尺寸鏈與控制環節，確定工裝與工裝以及工裝與結構件、元器件、殼體之間的協調關系，合理實施工藝補償或互換協調。

4) 裝配工序與工步確定：明確各工序工步裝配前的準備工作，零件、部件和艙段、舵片、尾翼等的定位、夾緊、連接、密封、潤滑、調整、試驗、檢查和稱重等，以及工序檢驗和總檢。

5) 工具工裝及設備選擇：編制工具清單、設備清單和工裝清單，明確通用設備和專用設備的型號、數量、典型結構、具體用途等，提出請制工裝的數量、類型和技術要求等。

6) 零部件、標準件、元器件、輔助材料的配套：按照裝配工序對所需的零部件、標準件、電子元器件等進行配套，計算相關材料和輔料的定額以及按部裝進行匯總。

7) 分裝、部裝和總裝的測試與檢驗：電子元器件、導引裝置、舵機和彈載計算單元等在裝配前、分裝和部裝前后都需要安排相應的測試和試驗，聯機調試、測試和相關的測量與數據記錄。

8) 工作場地布置與人員分配：依據彈種、彈長、彈重和結構特性等安排部署相應的場地，協調安全設施的布置和現場管理，對各個工作站及工位的工作要求、裝配動作、運輸路線和安全事項進行明確。

1.2 裝配工藝設計過程建模

本文構建了彈箭裝配工藝設計的一般過程，如圖1所示。裝配工藝設計從獲取產品設計數據開始，工藝技術部門進行工藝性審查，然后是涉及裝配各部門的技術簽審和會簽，再依據產品結構分析結果確定總裝工藝方案及組織形式，劃分裝配單元和確定裝配順序，同時選擇保證裝配精度的協調方法和關鍵要素及控制環節，再進行詳細的工藝規劃，確定裝配基準及定位方法，編制工序和工步內容、關鍵特征及具體技術要求等。根據裝配工藝規程或裝配指令進行裝配工藝仿真，驗證或修正工藝規劃方案；最后，將與其相關的設計模型、工藝模型、裝配指令、設備與工裝需求、配套資源需求以及測試、檢驗、質量、安全及現場管理等要求一并發放到裝配車間，指導實際裝配生產過程。

圖1 彈箭裝配工藝設計過程框圖

2 裝配工藝信息集定義

彈箭裝配工藝設計人員將設計數據和裝配工藝信息傳遞至下游的各個環節以指導裝配車間的生產作業。通過與裝配分廠技術主管與和生產主管等企業工藝與生產專家的研討與交流，本文對裝配工藝設計與裝配生產過程中需要共享與交換的相關裝配工藝的信息進行了綜合歸納，構建了如圖2所示的彈箭類產品裝配工藝信息集。

彈箭類產品裝配信息集主要包括了被裝配的產品信息、裝配工藝信息和附帶的其他屬性信息等三個部分。產品信息源至于產品設計時所產生的與后續裝配工藝設計相關的信息，像裝配關系、裝配結構特征和管理信息等。裝配工藝信息來源于工藝設計階段所產生的與裝配工藝相關的信息，像裝配的設計、裝配工藝的設計和裝配工裝等作業信息。其他屬性裝配信息圍繞裝配作業生產的實際需求而產生。通過產品裝配信息集的定義，結構化和規范化描述彈箭裝配設計與生產各階段創建和使用的各種信息，從而服務于整個裝配生產過程，為構建裝配工藝MBD模型做準備，也為與車間生產管理系統集成奠定了基礎。

圖2 彈箭類產品裝配工藝信息集框圖

3 裝配工藝MBD模型構建與分析

3.1 裝配工藝MBD模型構建

以彈箭設計MBD模型為基礎，以裝配工藝結構為主干，對裝配結構及約束關系、管理信息、工藝信息和資源信息以及其他工藝屬性進行結構化描述和標識，構建了適用于裝配工藝設計與信息集成的MBD模型，從而實現由裝配工藝信息集合向面向MBD模型為載體的結構化工藝信息表達，并以此單一數據源為基礎構建指導車間裝配生產的全三維工藝信息集。參考相關國內外標準和行業標準，結合企業應用的實際需求，面向裝配工藝設計過程建立了基于MBD的裝配工藝信息模式，如圖3所示。

裝配工藝MBD模型M主要由設計MBD模型、裝配工藝信息和其他工藝屬性等三部分組成，由此可表示為：

M=MD∪MA∪ASI

(1)

式中，MD表示產品設計MBD模型，包含了產品設計的所有相關信息，是裝配工藝設計和裝配MBD模型構建的基礎和唯一依據；MA表示裝配工藝信息，是進行裝配工藝設計的主要信息集，部分來源信息與對設計MBD模型MD的提取、解釋、細化和特定補充，以用于裝配工藝規劃；而ASI表示其他相關聯的工藝屬性信息集，包括裝配管理信息、彈藥及裝藥的批次、變更說明及相關裝配作業的標準化的時間定額等。

借助于參考文獻[14]并結合彈箭裝配設計的企業實際情況，本文將裝配工藝信息集MA可定義為：

MA=SP∪PF∪PA∪RSP

(2)

式中，SP代表相應的裝配工藝結構，主要來源與設計結構并包含了裝配單元劃分結果和裝配順序的表達；PF代表裝配工藝中的工藝特征信息定義集，包括基準特征、協調特征、工裝特征、測量特征和密封特征；PA代表附加的工藝特征，主要是指裝配中需要的工藝孔、定位圓柱面、裝配工藝尺寸鏈等；RSP代表進行裝配工藝過程中所需要的配套資源信息，描述裝配生產中所需的標準件、零件和配套部件相關的信息。

將裝配工藝MBD模型中其他相關聯的工藝屬性信息集ASI表示為：

ASI=MI∪BN∪CA∪MH

(3)

式中，MI表示相關的管理信息，主要用來管理裝配工藝MBD模型被設計時所包含的一些屬性信息；BN表示相關聯的應用于裝配生產過程的批量屬性信息的定義，在特定需求條件下，批次數量的定義差異對裝配活動的規劃有一定的影響；CA表示變更情況的更改說明，是關于工藝變更、臨時工藝和工藝劃改的描述；MH表示工時定額的相關要求，依據企業的標準化工藝規程給出可參考的相應零部件裝配的時間定額。

3.2 裝配工藝MBD模型的層次關聯分析

裝配工藝MBD模型表達了在全三維裝配工藝設計環境下基于單一數據源及模型的涉及裝配的信息集及其規范化、結構化的關聯關系。所有這些相關的工藝信息集圍繞裝配工藝的工序與工步等活動過程被集成在裝配工藝MBD模型之中，按需求將不同的信息表達在裝配工藝MBD模型結構樹中的不同層次，從而形成一個相對完整的整體，這也是裝配工藝設計的主要任務。由此，建立了彈箭裝配工序工步的層次關聯關系，如圖4所示。

圖3 裝配工藝MBD模型框圖

圖4 裝配層次關聯關系框圖

裝配單元信息主要體現所裝配產品及零部件信息。裝配工藝整體結構信息主要體現裝配單元間的隸屬關系以及裝配順序，它確定了每個部分的歸屬問題，即某一個零件歸哪一級的哪個部件，通過樹狀目錄的形式展現出零部件隸屬關系，結合子裝配確定裝配順序。裝配工藝過程信息主要對裝配基準、尺寸(公差)標注、工藝屬性、工裝設備等信息的體現，將PMI(產品制造信息)及非幾何信息(技術標準、管理信息)融為一體，使技術人員清晰使用MBD模型獲取所需信息，部分定義在模型中的信息將體現在裝配車間管理系統的裝配工藝規程之中。根據彈箭裝配工藝過程信息管理需求，形成工序信息集、工步信息集、工裝信息集、工藝結構信息集等，并保存在數據庫中，并形成裝配工藝過程卡和裝配工序卡等。

4 裝配工藝MBD信息系統開發

4.1 裝配工藝MBD信息系統設計

通過上述分析并結合彈箭類產品的實際特點，開發了基于MBD的裝配工藝信息管理系統，系統的功能結構框圖如圖5所示。系統設計及功能模塊的設置包括裝配模型檢索、產品裝配結構樹、MBD模型信息提取、裝配零部件屬性表、附屬工藝屬性管理、裝配工藝規程卡、裝配工藝設計信息、裝配工序工步信息和裝配工裝明細表。

圖5 MBD裝配工藝系統功能結構框圖

零部件屬性信息管理裝配工藝編制的產品、裝配體、裝配零件等的標識信息，從設計MBD模型中直接提取。利用上下層(父項和子項)裝配單元之間的關系，按照裝配順序用裝配序號標識各層的裝配體，識別和補充該裝配單元相應零部件信息，獲得裝配單元下各個模型。通過對MBD模型信息檢索和定義的工序信息組織到裝配工藝規程卡中，并形成相應的工序的作業內容、要求以及方法。工序卡的生成需要調用工步信息和確定的各工步使用的設備、工裝和輔助材料等信息。

4.2 裝配MBD模型節點信息遍歷算法

在設計MBD向裝配MBD環境轉換的過程中，為了能夠表達一定層次結構的數據關系，同時反映零部件之間的裝配隸屬關系，需要建立相應的算法來遍歷裝配MBD模型的結構樹節點，識別裝配結構組成及裝配節點之間的隸屬、約束和層次關系，如圖6所示。通過算法遍歷整個裝配結構的所有節點，識別和獲取與該裝配節點相關聯的零部件信息、裝配工藝特征、裝配約束信息、附加工藝特征和附著其上的配套資源信息等，為后續的信息系統集成奠定基礎。首先，通過裝配MBD系統提供的函數來獲取裝配樹根節點的事件標識；其次，利用函數來獲取裝配樹根節點下的所有子節點；然后，對于每一個子節點重復執行上一步驟，直到得到的子節點都是零件節點之后結束循環。

圖6 裝配MBD信息遍歷算法框圖

4.3 裝配工藝MBD信息管理系統實現

依據企業產品研制實際，在UG NX 8.0三維設計軟件環境下，通過其提供的UG/OPEN API利用Visual C++編程語言并在系統提供的MFC類庫下進行了系統實現。底層以SQL Server 2008作為數據庫管理系統，通過ADO(ActiveX Data Object)控件接口實現數據的操縱。該MBD裝配工藝信息管理系統的實例界面，如圖7所示。

圖7 MBD裝配工藝信息管理系統界面

5 裝配工藝MBD模型的系統集成

5.1 裝配車間生產的工藝信息集成需求

在裝配工藝設計階段產生的各種信息和數據也即裝配工藝MBD模型必須有序集成到裝配生產過程，才能夠更好地指導車間裝配活動。實現車間裝配生產指令的電子化，裝配工藝所需的零部件信息、結構信息、管理及配置信息、審核檢驗信息等通過系統集成方式獲得，全數字化的裝配工藝規程、工序文檔、相關聯的設計MBD模型等按需推送到裝配現場的各個工位和工作站。班組人員可以得到產品以及零部件信息，提高裝配信息可靠性，減少裝配錯誤。

由設計MBD為數據源引入裝配工藝相關信息而形成的裝配工藝結構進行規范化和集成化，逐步向生命周期后續階段和下游的車間裝配生產過渡，通過信息識別和自動提取依據集成規則無縫接入裝配車間生產管理系統。裝配環境下的信息系統集成需求定義，如圖8所示。裝配生產管理過程中，車間系統中裝配工藝信息管理需要的信息均由相應的裝配工藝MBD系統中提取。

圖8 裝配生產管理信息集成需求定義框圖

5.2 裝配工藝信息集成過程數據集

借助于UG/OPEN API及二次開發技術構建裝配MBD工藝信息管理系統，利用ADO接口將相關的裝配信息存入SQL Server數據庫中并補充相應的零部件信息。數據結構依據所需的內容精確定義，便于車間生產管理系統按照訪問規則進行二次重構和安排裝配生產作業而使用。圍繞裝配工藝規程，工序工步信息管理，裝配零部件明細、工裝明細等內容，從數據庫提取屬性信息，導入到車間生產管理系統中。裝配工藝MBD和裝配生產所需信息數據集交換過程，如圖9所示。

圖9 系統集成信息數據集定義框圖

5.3 裝配工藝MBD信息集成實現

面向彈箭裝配車間生產管理數字化的需求，實現了裝配MBD工藝信息系統與先前開發的車間生產管理系統[15]的集成，構建了基于MBD的裝配工藝與車間生產的信息集成。以某型號為例，如圖10所示說明了整個系統集成的實現過程。首先將裝配設計MBD模型導入系統環境，通過開發的系統功能模塊提取相關的零部件信息；通過開發的遍歷算法遍歷裝配結構樹，對其PMI三維標注、工藝屬性信息、工序工步相關操作信息等進行提取和識別，使裝配工藝模型以樹形圖結構顯示出來、裝配工藝特征與附加工藝特征，其他工藝屬性信息等存入后臺數據庫。

裝配車間生產管理系統對數據庫和服務器內存放的信息檢索，并根據裝配生產管理要求進行工藝信息歸集和完善，生成車間裝配生產作業所需的裝配工序卡、裝配工藝規程卡、裝配工裝明細、裝配仿真等信息。按照實際車間裝配生產作業計劃，將上述生成的數據和信息推送到車間現場的各個工位和工作站，裝配作業人員即可利用在位計算機查看裝配工藝文件，在數字化裝配工藝信息集的指導下進行實際的裝配操作。

圖10 MBD裝配工藝信息系統集成實例

6 結論

本文在分析了裝配車間生產的工藝信息集成需求的基礎上，構建了面向裝配工藝設計與裝配生產集成的產品裝配信息集，定義了裝配工藝MBD模型及其裝配層次關聯關系，實現了MBD裝配工藝信息管理系統與裝配車間生產管理系統的集成。從裝配設計MBD模型開始，構建了裝配工藝設計與車間生產的集成技術，為彈箭全三維數字化研制搭建了數字化設計與制造集成的一體化環境。