基于Windchill的三维装配大纲编辑及流程控制技术研究
董可静，陈伟，万渝，陈一鸣
(上海航空工业(集团)有限公司，上海 200232)
装配大纲(assembly outline, AO)是由飞机装配工艺设计人员编制的指令性文件，主要包含架次和版本控制、工艺标准、所需工装、零件清单、装配工序、更改说明、质量记录、检验要求、说明配图等内容。装配大纲按照飞机架次生效，每一架飞机有一套装配大纲。装配工人依据装配大纲工序以及引用的工艺规范/标准进行装配操作，并如实记录装配关键控制测量点、紧固件安装转矩、涂胶密封环境等关键数据。质量检验人员对每条操作和数据记录的符合性进行审查。因此，装配大纲是适航当局重点核查的工艺文件之一，也是以后质量追溯、问题分析的重要文件。在传统的三维模型+二维工程图样的飞机研制模式下，装配大纲为二维纸制文件，飞机装配现场工人按照装配大纲的内容，对照二维工程图样进行飞机装配。随着基于模型的定义(model based definition，MBD)技术在飞机研制中的应用，对飞机产品数据的管理、传递、装配工艺规划、工艺文件的编制、装配现场操作都提出了新的要求。以前需要三维数模和二维图样同时表达的各种信息，现在全部集中到MBD数据集中，各部门获得信息的来源只有MBD数据集。在MBD数据集中怎样表达以及通过什么方法和工具获取信息，这对制造、装配各个环节中对产品信息的需求至关重要[1-2]。
用更直观、生动且过程可控的技术实现飞机装配工艺的设计、工艺文件的编制一直是国内外科研机构、企业研究的热点。国内对用于指导飞机装配工艺文件的研究与应用更多地关注于将装配仿真动画与装配大纲的配合使用。装配仿真是工艺设计人员在装配方案制定的基础上，应用DELMIA等三维装配仿真软件对详细装配过程进行仿真的活动。所生成的仿真文件记录了装配过程，可指导装配现场的实际装配操作[3-4]。装配仿真动画是对二维装配大纲中装配操作顺序的生动表达，方便了飞机装配现场工人的操作，但仿真动画与二维装配大纲还未很好地集成到统一的平台中，三维装配模型的轻量化处理不够，对装配大纲的审批流程管控研究较少。国内有些企业、高校在网页形式的装配大纲中以附件的形式嵌入装配仿真视频，如上海大学的吴东琦等[5]将三维仿真视频与基于Winchill开发的二维装配大纲集成；
南京航空航天大学的冯廷廷[6]、河北科技大学的耿翔宇等[7]将三维轻量化装配仿真与office软件(excel)进行集成，实现了飞机装配仿真的轻量化与二维文件的集成；
西北工业大学的孙中雷等[8]提出基于JAVA和VRML的装配工艺文件可视化；
西北工业大学的王建旗[9]对飞机AO系统的作用和流程进行了分析，基于VC++开发了MBOM信息集成、AO流程审批系统，实现AO的电子化；
沈阳航空航天大学吴建忠[10]研究了格式化输出AO文件中信息的方法，引用PPR模型概念，基于CATIA进行了二次开发，研发了飞机装配三维AO编辑辅助设计系统；
中国电子科技集团公司的田富君等[11]开发了基于Tecnomatix系统的三维装配工艺文件编制工具。在国外飞机制造领域中，以法国达索公司的PLM系列软件为代表，实现了装配工艺设计、装配仿真、轻量化装配工艺文件生成的集成化，以PPR HUB 为核心，将三维CAD(CATIA)、装配仿真软件(DELMIA-DPM)、数字化工艺规划软件(DELMIA-DPE)、产品数据管理软件(ENOVIA)有机地集成在一起，其解决方案在波音787、A350项目中都有较好的应用。对工艺文件的签审、发布一般基于Windchill平台开发专门的PDM系统来实现。
针对采用MBD技术进行飞机研制模式下，传统的二维装配大纲存在表达不够直观、工艺表达难、流程审批信息难确认等问题，结合国内外技术研究的现状，本文研究了三维轻量化装配可视化技术及与装配大纲的集成技术，对装配工艺信息进行结构化管理，构建飞机产品信息和AO中工艺信息的关联，并对AO编制和使用进行结构化、流程化管理。建立适应MBD技术应用下的三维数字化装配大纲设计和管理系统。
根据业务的梳理，系统包含AO编制、AO签审、AO更改/升版、AO发放的功能，实现三维轻量化文件的关联、工装选用、工艺标注选用、与CATIA的在线交互操作等，所有工装所需资源来自底层的数据库。该系统采用三层架构，如图1所示。
图1 系统架构图
飞机产品基于CATIA进行设计，所形成的MBD数据集除了包含三维几何模型外，还包含了材料、紧固件、工艺标准、尺寸公差、注释等的各种信息。下游各制造部门所需要的信息及表达形式是不同的，考虑成本及技术条件因素，不能统一通过全信息的MBD数据集来获取。若把MBD数据集转化为轻量化的模型(不丢失MBD的各种信息)，把每个工位、站位、工步装配需要的零部件及装配信息合理地通过轻量化模型表示出来并和AO合理的进行集成，在装配过程中可以对轻量化模型进行测量、剖切、消隐、旋转等交互操作。这样既满足了对AO信息的表达又满足了MBD数据集信息设计意图表达的需求。轻量化模型的浏览大大降低了对计算机的要求，同时降低了对操作人员的要求，而且可以为现场装配人员配置便携式移动终端，来操作轻量化模型、浏览AO，方便装配工作的进行。
本文选择3DVIA Composer软件为三维装配大纲的轻量化软件。图2所示是三维装配大纲示例——飞机客舱组件装配AO。对CATIA模型进行轻量化后，对关键的孔位信息、边距信息进行三维标识，通过多个视图顺序播放实现装配过程仿真指导，通过模型的动态消隐和明暗处理更清晰表达零部件间的装配关系。
图2 基于3DVIA Composer 的三维装配大纲示例
EBOM到MBOM的重构是AO编辑的基础。在EBOM到MBOM的重构中，根据装配工作实际需要，通过MBOM编辑器划分好各AO间的结构层次和所需要装配的零件，实现飞机装配零件即参装零件的结构化MBOM重构后，基于MBOM中的节点开始AO的编辑，如图3所示。AO编辑中通过与工装PDM系统的接口调用获得所需工装的编号和模型等相关文件，实现工装的结构化管理。
图3 BOM重构
XML(extensible markup language)是一种简单的可扩展标记语言，可进行不同数据格式之间的互操作。为解决飞机装配工艺文件编制异构信息化系统间的装配工艺信息交互问题，本文提出了基于XML 的工艺信息模型及交换架构。根据AO的功能及包含的信息类型，通过母本的形式对AO进行结构化设计，提高了AO编制的标准化和规范化，进而提高AO的编制效率。
设计符合工艺要求的AO母本，对AO中各内容按照工艺要求进行归类，设计适应所有零件装配、部件对接、系统件装配、功能试验等不同类型装配工作的统一母本，工艺人员只需根据实际需要填写相关内容即可。参装零件通过结构树的形式，按层次关系显示；
所需工装、所需规范、所需工程图样可通过搜索获得，以文本形式显示；
工序内容由文本编辑器进行编辑、输入；
仿真动画通过附件形式添加。
在飞机MBD研制的模式下，三维模型作为唯一数据源后，工艺人员对三维模型信息的掌握显得更加重要。在AO编辑过程中，要使得工艺设计人员能更加直接、直观、方便地了解所参装零件的三维模型几何形状、零部件间的装配连接关系。本文在AO编辑器的设计中，实现了参装零件在AO编辑器中的三维实时显示、编辑器与CATIA的互操作等新功能。
1)AO编辑工作启动。工艺人员在进行EBOM到MBOM的重构时，根据实际装配需要设计相应的AO节点，在MBOM签审发布后，在AO编辑平台上找到对应的AO号处即可启动编辑工作。为了避免对AO的重复编辑，设计相应的控制功能，对MBOM重构到AO编辑的流程进行有效的管控。将审签流程挂于生命周期的第一个节点上，对象创建或修订成功后，自动启动审签流程，创建者即为流程“AO审签流程”环节的参与者，设计了AO初始化规则。
2)AO编辑。本文采用AO母本的形式为AO编辑提供结构化、标准化、电子化的平台，启动AO编辑后，即启动了AO母本编辑器，在MBOM重构时关联的参装零件能自动与AO编辑器关联，并以树状结构组织显示，工艺人员可在编辑器上编辑相关内容，如图4所示。
图4 AO编辑器界面
3)AO编辑与CATIA互操作。单一数据源是飞机研制过程中的基本要求，在三维装配大纲的编制和流程控制中，如何保证所有操作基于的是单一数据源对装配大纲内容的准确性尤为重要。在装配大纲编辑过程中，工艺设计人员往往要对三维模型进行尺寸、注释等的标注，为了保证此过程是基于工程单一数据源进行的，本文应用Windchill平台的COBI技术，实现了在装配大纲编辑器中直接启动CATIA，并把所需操作的零件打开进行三维标注操作，标注完毕后保存到PDM系统，供三维轻量化软件调用和编辑，实现装配大纲编辑和CAITA间的互操作，如图5所示。
图5 装配大纲编辑与CATIA的互操作
4)装配大纲的流程控制设计。装配大纲作为飞机装配工人进展装配工作的指令性文件，有其生命周期。在编制过程中、装配现场使用中以及工程更改后的维护中，都要经过一系列的流程进行控制，以保证装配大纲中信息的正确性。在流程控制过程中，每个节点都按照权限和职责对大纲内容进行审核、批准或驳回。本文基于Windchill PDMLink平台内置生命周期管理器和工作流管理器实现了流程控制。
5)AO编辑器与MES的交互。本文通过WebService设计开发交互接口，具体的交互接口如图6所示。PDM发放一份AO，需将一份AO的数据定义为一份XML文件，这样通过调用MES系统中发放AO的WebService接口，就可以将一份AO从PDM系统中完好地发放到MES系统中。MES系统的WebService接口定义好输出值，根据输出的信息，PDM就能轻松地掌握发放的情况。
图6 MES与PDM系统交互接口关系
本文系统基于PTC公司的Windchill平台开发。
Windchill是三层体系结构应用程序，由PDMLink服务器、数据库服务器、Web服务器和客户计算机组成，构建了一个三层体系结构。与传统的客户服务器环境相比，这种体系结构具有可伸缩性，且更易于管理，更容易实现数据保护和安全性。开发系统在C919大型客机的AO编制中进行实验应用，图7是AO编辑和管理功能界面，图8是三维AO实例。
图7 AO编辑和管理功能界面
图8 三维AO实例
本文针对民机的研制全面采用MBD技术、全三维数字化设计，分析了装配大纲的表达形式、编制方法以及编制流程控制方法，通过构建飞机产品信息和AO中工艺信息的关联，对AO编制和使用进行结构化、流程化管理，建立适应MBD技术应用下的三维数字化装配大纲设计和管理系统。相关技术和软件在C919大型客机研制中得到应用，可供MBD研制模式下的飞机装配工艺表达、执行和管理借鉴。
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