基于模型定義的裝配工藝信息系統(tǒng)集成方法

曾鵬飛，蒿宇宇，邵偉平，郝永平

(1.沈陽理工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 沈陽 110159；2.沈陽理工大學(xué) CAD/CAM技術(shù)研究與開發(fā)中心， 沈陽 110159)

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

田錫天等[11]構(gòu)建了飛機三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計與管理系統(tǒng)并與PDM系統(tǒng)進(jìn)行有效集成。李聯(lián)輝等[12]基于單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源構(gòu)建了任務(wù)驅(qū)動的裝配BOM和裝配數(shù)據(jù)組織網(wǎng)絡(luò)模型來提高數(shù)據(jù)組織效率。劉曉軍等[12]建立了裝配工藝設(shè)計階段模型及輔助工藝信息的表達(dá)方法和模型信息間的映射機制。周陽等[13]采用二次開發(fā)技術(shù)提取MBD模型特征參數(shù)，結(jié)構(gòu)化表達(dá)MBD模型信息，構(gòu)建有向無環(huán)圖來匹配幾何信息層的相似性實現(xiàn)模型檢索。靳江艷等[14]建立了面向裝配工藝設(shè)計的MBD模型以及在飛機裝配工藝設(shè)計中的應(yīng)用。袁偉等利用Unity3D開發(fā)了虛擬裝配環(huán)境以實現(xiàn)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(chǎn)系統(tǒng)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(gòu)建、關(guān)聯(lián)層次關(guān)系及其系統(tǒng)集成與實踐。

本文針對兵器工業(yè)集團(tuán)某企業(yè)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(tǒng)集成技術(shù)與方法。通過基于全三維數(shù)字化模型的定義及應(yīng)用，構(gòu)建基于統(tǒng)一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源的全三維環(huán)境下的裝配工藝設(shè)計與車間生產(chǎn)制造的數(shù)據(jù)流與信息流的融合體系，提高裝配生產(chǎn)質(zhì)量和效率，推進(jìn)MBD技術(shù)在彈藥裝配中的應(yīng)用，為我國智能彈藥的數(shù)字化研制提供重要參考。

1 裝配工藝設(shè)計過程

1.1 裝配工藝設(shè)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(guān)零件裝配完成之后進(jìn)入總裝階段，直至形成最終可交付的產(chǎn)品。其裝配工藝設(shè)計從研制的初期開始，經(jīng)歷試制前的工藝準(zhǔn)備、研制試生產(chǎn)、小批量生產(chǎn)和定型生產(chǎn)等相關(guān)過程。裝配設(shè)計活動過程包含的主要內(nèi)容有：

1) 裝配單元劃分和裝配順序規(guī)劃：根據(jù)彈箭設(shè)計結(jié)構(gòu)及相關(guān)的工藝特征，合理地進(jìn)行工藝分解、劃分工藝分離面，依據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)將各個艙段的相應(yīng)部件劃分為各自的裝配單元。

2) 裝配基準(zhǔn)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(zhǔn)的實現(xiàn)，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(guān)系。

3) 裝配協(xié)調(diào)與方案制定：制定裝配工藝的協(xié)調(diào)方案和協(xié)調(diào)路線，明確協(xié)調(diào)要素、裝配尺寸鏈與控制環(huán)節(jié)，確定工裝與工裝以及工裝與結(jié)構(gòu)件、元器件、殼體之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，合理實施工藝補償或互換協(xié)調(diào)。

4) 裝配工序與工步確定：明確各工序工步裝配前的準(zhǔn)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(diào)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(shè)備選擇：編制工具清單、設(shè)備清單和工裝清單，明確通用設(shè)備和專用設(shè)備的型號、數(shù)量、典型結(jié)構(gòu)、具體用途等，提出請制工裝的數(shù)量、類型和技術(shù)要求等。

6) 零部件、標(biāo)準(zhǔn)件、元器件、輔助材料的配套：按照裝配工序?qū)λ璧牧悴考?、?biāo)準(zhǔn)件、電子元器件等進(jìn)行配套，計算相關(guān)材料和輔料的定額以及按部裝進(jìn)行匯總。

7) 分裝、部裝和總裝的測試與檢驗：電子元器件、導(dǎo)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(yīng)的測試和試驗，聯(lián)機調(diào)試、測試和相關(guān)的測量與數(shù)據(jù)記錄。

8) 工作場地布置與人員分配：依據(jù)彈種、彈長、彈重和結(jié)構(gòu)特性等安排部署相應(yīng)的場地，協(xié)調(diào)安全設(shè)施的布置和現(xiàn)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(jìn)行明確。

1.2 裝配工藝設(shè)計過程建模

本文構(gòu)建了彈箭裝配工藝設(shè)計的一般過程，如圖1所示。裝配工藝設(shè)計從獲取產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)開始，工藝技術(shù)部門進(jìn)行工藝性審查，然后是涉及裝配各部門的技術(shù)簽審和會簽，再依據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析結(jié)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(xié)調(diào)方法和關(guān)鍵要素及控制環(huán)節(jié)，再進(jìn)行詳細(xì)的工藝規(guī)劃，確定裝配基準(zhǔn)及定位方法，編制工序和工步內(nèi)容、關(guān)鍵特征及具體技術(shù)要求等。根據(jù)裝配工藝規(guī)程或裝配指令進(jìn)行裝配工藝仿真，驗證或修正工藝規(guī)劃方案；最后，將與其相關(guān)的設(shè)計模型、工藝模型、裝配指令、設(shè)備與工裝需求、配套資源需求以及測試、檢驗、質(zhì)量、安全及現(xiàn)場管理等要求一并發(fā)放到裝配車間，指導(dǎo)實際裝配生產(chǎn)過程。

圖1 彈箭裝配工藝設(shè)計過程框圖

2 裝配工藝信息集定義

彈箭裝配工藝設(shè)計人員將設(shè)計數(shù)據(jù)和裝配工藝信息傳遞至下游的各個環(huán)節(jié)以指導(dǎo)裝配車間的生產(chǎn)作業(yè)。通過與裝配分廠技術(shù)主管與和生產(chǎn)主管等企業(yè)工藝與生產(chǎn)專家的研討與交流，本文對裝配工藝設(shè)計與裝配生產(chǎn)過程中需要共享與交換的相關(guān)裝配工藝的信息進(jìn)行了綜合歸納，構(gòu)建了如圖2所示的彈箭類產(chǎn)品裝配工藝信息集。

彈箭類產(chǎn)品裝配信息集主要包括了被裝配的產(chǎn)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(chǎn)品信息源至于產(chǎn)品設(shè)計時所產(chǎn)生的與后續(xù)裝配工藝設(shè)計相關(guān)的信息，像裝配關(guān)系、裝配結(jié)構(gòu)特征和管理信息等。裝配工藝信息來源于工藝設(shè)計階段所產(chǎn)生的與裝配工藝相關(guān)的信息，像裝配的設(shè)計、裝配工藝的設(shè)計和裝配工裝等作業(yè)信息。其他屬性裝配信息圍繞裝配作業(yè)生產(chǎn)的實際需求而產(chǎn)生。通過產(chǎn)品裝配信息集的定義，結(jié)構(gòu)化和規(guī)范化描述彈箭裝配設(shè)計與生產(chǎn)各階段創(chuàng)建和使用的各種信息，從而服務(wù)于整個裝配生產(chǎn)過程，為構(gòu)建裝配工藝MBD模型做準(zhǔn)備，也為與車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)集成奠定了基礎(chǔ)。

圖2 彈箭類產(chǎn)品裝配工藝信息集框圖

3 裝配工藝MBD模型構(gòu)建與分析

3.1 裝配工藝MBD模型構(gòu)建

以彈箭設(shè)計MBD模型為基礎(chǔ)，以裝配工藝結(jié)構(gòu)為主干，對裝配結(jié)構(gòu)及約束關(guān)系、管理信息、工藝信息和資源信息以及其他工藝屬性進(jìn)行結(jié)構(gòu)化描述和標(biāo)識，構(gòu)建了適用于裝配工藝設(shè)計與信息集成的MBD模型，從而實現(xiàn)由裝配工藝信息集合向面向MBD模型為載體的結(jié)構(gòu)化工藝信息表達(dá)，并以此單一數(shù)據(jù)源為基礎(chǔ)構(gòu)建指導(dǎo)車間裝配生產(chǎn)的全三維工藝信息集。參考相關(guān)國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合企業(yè)應(yīng)用的實際需求，面向裝配工藝設(shè)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(shè)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(chǎn)品設(shè)計MBD模型，包含了產(chǎn)品設(shè)計的所有相關(guān)信息，是裝配工藝設(shè)計和裝配MBD模型構(gòu)建的基礎(chǔ)和唯一依據(jù)；MA表示裝配工藝信息，是進(jìn)行裝配工藝設(shè)計的主要信息集，部分來源信息與對設(shè)計MBD模型MD的提取、解釋、細(xì)化和特定補充，以用于裝配工藝規(guī)劃；而ASI表示其他相關(guān)聯(lián)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(guān)裝配作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化的時間定額等。

借助于參考文獻(xiàn)[14]并結(jié)合彈箭裝配設(shè)計的企業(yè)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(yīng)的裝配工藝結(jié)構(gòu)，主要來源與設(shè)計結(jié)構(gòu)并包含了裝配單元劃分結(jié)果和裝配順序的表達(dá)；PF代表裝配工藝中的工藝特征信息定義集，包括基準(zhǔn)特征、協(xié)調(diào)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(jìn)行裝配工藝過程中所需要的配套資源信息，描述裝配生產(chǎn)中所需的標(biāo)準(zhǔn)件、零件和配套部件相關(guān)的信息。

將裝配工藝MBD模型中其他相關(guān)聯(lián)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(guān)的管理信息，主要用來管理裝配工藝MBD模型被設(shè)計時所包含的一些屬性信息；BN表示相關(guān)聯(lián)的應(yīng)用于裝配生產(chǎn)過程的批量屬性信息的定義，在特定需求條件下，批次數(shù)量的定義差異對裝配活動的規(guī)劃有一定的影響；CA表示變更情況的更改說明，是關(guān)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(guān)要求，依據(jù)企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化工藝規(guī)程給出可參考的相應(yīng)零部件裝配的時間定額。

3.2 裝配工藝MBD模型的層次關(guān)聯(lián)分析

裝配工藝MBD模型表達(dá)了在全三維裝配工藝設(shè)計環(huán)境下基于單一數(shù)據(jù)源及模型的涉及裝配的信息集及其規(guī)范化、結(jié)構(gòu)化的關(guān)聯(lián)關(guān)系。所有這些相關(guān)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(dá)在裝配工藝MBD模型結(jié)構(gòu)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(shè)計的主要任務(wù)。由此，建立了彈箭裝配工序工步的層次關(guān)聯(lián)關(guān)系，如圖4所示。

圖3 裝配工藝MBD模型框圖

圖4 裝配層次關(guān)聯(lián)關(guān)系框圖

裝配單元信息主要體現(xiàn)所裝配產(chǎn)品及零部件信息。裝配工藝整體結(jié)構(gòu)信息主要體現(xiàn)裝配單元間的隸屬關(guān)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(xiàn)出零部件隸屬關(guān)系，結(jié)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(zhǔn)、尺寸(公差)標(biāo)注、工藝屬性、工裝設(shè)備等信息的體現(xiàn)，將PMI(產(chǎn)品制造信息)及非幾何信息(技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、管理信息)融為一體，使技術(shù)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(xiàn)在裝配車間管理系統(tǒng)的裝配工藝規(guī)程之中。根據(jù)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(jié)構(gòu)信息集等，并保存在數(shù)據(jù)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(tǒng)開發(fā)

4.1 裝配工藝MBD信息系統(tǒng)設(shè)計

通過上述分析并結(jié)合彈箭類產(chǎn)品的實際特點，開發(fā)了基于MBD的裝配工藝信息管理系統(tǒng)，系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。系統(tǒng)設(shè)計及功能模塊的設(shè)置包括裝配模型檢索、產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)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(guī)程卡、裝配工藝設(shè)計信息、裝配工序工步信息和裝配工裝明細(xì)表。

圖5 MBD裝配工藝系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖

零部件屬性信息管理裝配工藝編制的產(chǎn)品、裝配體、裝配零件等的標(biāo)識信息，從設(shè)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(guān)系，按照裝配順序用裝配序號標(biāo)識各層的裝配體，識別和補充該裝配單元相應(yīng)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(guī)程卡中，并形成相應(yīng)的工序的作業(yè)內(nèi)容、要求以及方法。工序卡的生成需要調(diào)用工步信息和確定的各工步使用的設(shè)備、工裝和輔助材料等信息。

4.2 裝配MBD模型節(jié)點信息遍歷算法

在設(shè)計MBD向裝配MBD環(huán)境轉(zhuǎn)換的過程中，為了能夠表達(dá)一定層次結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)關(guān)系，同時反映零部件之間的裝配隸屬關(guān)系，需要建立相應(yīng)的算法來遍歷裝配MBD模型的結(jié)構(gòu)樹節(jié)點，識別裝配結(jié)構(gòu)組成及裝配節(jié)點之間的隸屬、約束和層次關(guān)系，如圖6所示。通過算法遍歷整個裝配結(jié)構(gòu)的所有節(jié)點，識別和獲取與該裝配節(jié)點相關(guān)聯(lián)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(xù)的信息系統(tǒng)集成奠定基礎(chǔ)。首先，通過裝配MBD系統(tǒng)提供的函數(shù)來獲取裝配樹根節(jié)點的事件標(biāo)識；其次，利用函數(shù)來獲取裝配樹根節(jié)點下的所有子節(jié)點；然后，對于每一個子節(jié)點重復(fù)執(zhí)行上一步驟，直到得到的子節(jié)點都是零件節(jié)點之后結(jié)束循環(huán)。

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(tǒng)實現(xiàn)

依據(jù)企業(yè)產(chǎn)品研制實際，在UG NX 8.0三維設(shè)計軟件環(huán)境下，通過其提供的UG/OPEN API利用Visual C++編程語言并在系統(tǒng)提供的MFC類庫下進(jìn)行了系統(tǒng)實現(xiàn)。底層以SQL Server 2008作為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，通過ADO(ActiveX Data Object)控件接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的操縱。該MBD裝配工藝信息管理系統(tǒng)的實例界面，如圖7所示。

圖7 MBD裝配工藝信息管理系統(tǒng)界面

5 裝配工藝MBD模型的系統(tǒng)集成

5.1 裝配車間生產(chǎn)的工藝信息集成需求

在裝配工藝設(shè)計階段產(chǎn)生的各種信息和數(shù)據(jù)也即裝配工藝MBD模型必須有序集成到裝配生產(chǎn)過程，才能夠更好地指導(dǎo)車間裝配活動。實現(xiàn)車間裝配生產(chǎn)指令的電子化，裝配工藝所需的零部件信息、結(jié)構(gòu)信息、管理及配置信息、審核檢驗信息等通過系統(tǒng)集成方式獲得，全數(shù)字化的裝配工藝規(guī)程、工序文檔、相關(guān)聯(lián)的設(shè)計MBD模型等按需推送到裝配現(xiàn)場的各個工位和工作站。班組人員可以得到產(chǎn)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(shè)計MBD為數(shù)據(jù)源引入裝配工藝相關(guān)信息而形成的裝配工藝結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)范化和集成化，逐步向生命周期后續(xù)階段和下游的車間裝配生產(chǎn)過渡，通過信息識別和自動提取依據(jù)集成規(guī)則無縫接入裝配車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)。裝配環(huán)境下的信息系統(tǒng)集成需求定義，如圖8所示。裝配生產(chǎn)管理過程中，車間系統(tǒng)中裝配工藝信息管理需要的信息均由相應(yīng)的裝配工藝MBD系統(tǒng)中提取。

圖8 裝配生產(chǎn)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(shù)據(jù)集

借助于UG/OPEN API及二次開發(fā)技術(shù)構(gòu)建裝配MBD工藝信息管理系統(tǒng)，利用ADO接口將相關(guān)的裝配信息存入SQL Server數(shù)據(jù)庫中并補充相應(yīng)的零部件信息。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)依據(jù)所需的內(nèi)容精確定義，便于車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)按照訪問規(guī)則進(jìn)行二次重構(gòu)和安排裝配生產(chǎn)作業(yè)而使用。圍繞裝配工藝規(guī)程，工序工步信息管理，裝配零部件明細(xì)、工裝明細(xì)等內(nèi)容，從數(shù)據(jù)庫提取屬性信息，導(dǎo)入到車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)中。裝配工藝MBD和裝配生產(chǎn)所需信息數(shù)據(jù)集交換過程，如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)集成信息數(shù)據(jù)集定義框圖

5.3 裝配工藝MBD信息集成實現(xiàn)

面向彈箭裝配車間生產(chǎn)管理數(shù)字化的需求，實現(xiàn)了裝配MBD工藝信息系統(tǒng)與先前開發(fā)的車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)[15]的集成，構(gòu)建了基于MBD的裝配工藝與車間生產(chǎn)的信息集成。以某型號為例，如圖10所示說明了整個系統(tǒng)集成的實現(xiàn)過程。首先將裝配設(shè)計MBD模型導(dǎo)入系統(tǒng)環(huán)境，通過開發(fā)的系統(tǒng)功能模塊提取相關(guān)的零部件信息；通過開發(fā)的遍歷算法遍歷裝配結(jié)構(gòu)樹，對其PMI三維標(biāo)注、工藝屬性信息、工序工步相關(guān)操作信息等進(jìn)行提取和識別，使裝配工藝模型以樹形圖結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)庫。

裝配車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)庫和服務(wù)器內(nèi)存放的信息檢索，并根據(jù)裝配生產(chǎn)管理要求進(jìn)行工藝信息歸集和完善，生成車間裝配生產(chǎn)作業(yè)所需的裝配工序卡、裝配工藝規(guī)程卡、裝配工裝明細(xì)、裝配仿真等信息。按照實際車間裝配生產(chǎn)作業(yè)計劃，將上述生成的數(shù)據(jù)和信息推送到車間現(xiàn)場的各個工位和工作站，裝配作業(yè)人員即可利用在位計算機查看裝配工藝文件，在數(shù)字化裝配工藝信息集的指導(dǎo)下進(jìn)行實際的裝配操作。

圖10 MBD裝配工藝信息系統(tǒng)集成實例

6 結(jié)論

本文在分析了裝配車間生產(chǎn)的工藝信息集成需求的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了面向裝配工藝設(shè)計與裝配生產(chǎn)集成的產(chǎn)品裝配信息集，定義了裝配工藝MBD模型及其裝配層次關(guān)聯(lián)關(guān)系，實現(xiàn)了MBD裝配工藝信息管理系統(tǒng)與裝配車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)的集成。從裝配設(shè)計MBD模型開始，構(gòu)建了裝配工藝設(shè)計與車間生產(chǎn)的集成技術(shù)，為彈箭全三維數(shù)字化研制搭建了數(shù)字化設(shè)計與制造集成的一體化環(huán)境。