基于Windchill的三維裝配大綱編輯及流程控制技術研究

董可靜，陳偉，萬渝，陳一鳴

(上海航空工業(集團)有限公司，上海 200232)

0 引言

裝配大綱(assembly outline, AO)是由飛機裝配工藝設計人員編制的指令性文件，主要包含架次和版本控制、工藝標準、所需工裝、零件清單、裝配工序、更改說明、質量記錄、檢驗要求、說明配圖等內容。裝配大綱按照飛機架次生效，每一架飛機有一套裝配大綱。裝配工人依據裝配大綱工序以及引用的工藝規范/標準進行裝配操作，并如實記錄裝配關鍵控制測量點、緊固件安裝轉矩、涂膠密封環境等關鍵數據。質量檢驗人員對每條操作和數據記錄的符合性進行審查。因此，裝配大綱是適航當局重點核查的工藝文件之一，也是以后質量追溯、問題分析的重要文件。在傳統的三維模型+二維工程圖樣的飛機研制模式下，裝配大綱為二維紙制文件，飛機裝配現場工人按照裝配大綱的內容，對照二維工程圖樣進行飛機裝配。隨著基于模型的定義(model based definition，MBD)技術在飛機研制中的應用，對飛機產品數據的管理、傳遞、裝配工藝規劃、工藝文件的編制、裝配現場操作都提出了新的要求。以前需要三維數模和二維圖樣同時表達的各種信息，現在全部集中到MBD數據集中，各部門獲得信息的來源只有MBD數據集。在MBD數據集中怎樣表達以及通過什么方法和工具獲取信息，這對制造、裝配各個環節中對產品信息的需求至關重要[1-2]。

用更直觀、生動且過程可控的技術實現飛機裝配工藝的設計、工藝文件的編制一直是國內外科研機構、企業研究的熱點。國內對用于指導飛機裝配工藝文件的研究與應用更多地關注于將裝配仿真動畫與裝配大綱的配合使用。裝配仿真是工藝設計人員在裝配方案制定的基礎上，應用DELMIA等三維裝配仿真軟件對詳細裝配過程進行仿真的活動。所生成的仿真文件記錄了裝配過程，可指導裝配現場的實際裝配操作[3-4]。裝配仿真動畫是對二維裝配大綱中裝配操作順序的生動表達，方便了飛機裝配現場工人的操作，但仿真動畫與二維裝配大綱還未很好地集成到統一的平臺中，三維裝配模型的輕量化處理不夠，對裝配大綱的審批流程管控研究較少。國內有些企業、高校在網頁形式的裝配大綱中以附件的形式嵌入裝配仿真視頻，如上海大學的吳東琦等[5]將三維仿真視頻與基于Winchill開發的二維裝配大綱集成；南京航空航天大學的馮廷廷[6]、河北科技大學的耿翔宇等[7]將三維輕量化裝配仿真與office軟件(excel)進行集成，實現了飛機裝配仿真的輕量化與二維文件的集成；西北工業大學的孫中雷等[8]提出基于JAVA和VRML的裝配工藝文件可視化；西北工業大學的王建旗[9]對飛機AO系統的作用和流程進行了分析，基于VC++開發了MBOM信息集成、AO流程審批系統，實現AO的電子化；沈陽航空航天大學吳建忠[10]研究了格式化輸出AO文件中信息的方法，引用PPR模型概念，基于CATIA進行了二次開發，研發了飛機裝配三維AO編輯輔助設計系統；中國電子科技集團公司的田富君等[11]開發了基于Tecnomatix系統的三維裝配工藝文件編制工具。在國外飛機制造領域中，以法國達索公司的PLM系列軟件為代表，實現了裝配工藝設計、裝配仿真、輕量化裝配工藝文件生成的集成化，以PPR HUB 為核心，將三維CAD(CATIA)、裝配仿真軟件(DELMIA-DPM)、數字化工藝規劃軟件(DELMIA-DPE)、產品數據管理軟件(ENOVIA)有機地集成在一起，其解決方案在波音787、A350項目中都有較好的應用。對工藝文件的簽審、發布一般基于Windchill平臺開發專門的PDM系統來實現。

針對采用MBD技術進行飛機研制模式下，傳統的二維裝配大綱存在表達不夠直觀、工藝表達難、流程審批信息難確認等問題，結合國內外技術研究的現狀，本文研究了三維輕量化裝配可視化技術及與裝配大綱的集成技術，對裝配工藝信息進行結構化管理，構建飛機產品信息和AO中工藝信息的關聯，并對AO編制和使用進行結構化、流程化管理。建立適應MBD技術應用下的三維數字化裝配大綱設計和管理系統。

1 系統架構設計

根據業務的梳理，系統包含AO編制、AO簽審、AO更改/升版、AO發放的功能，實現三維輕量化文件的關聯、工裝選用、工藝標注選用、與CATIA的在線交互操作等，所有工裝所需資源來自底層的數據庫。該系統采用三層架構，如圖1所示。

圖1 系統架構圖

2 基于輕量化模型的三維裝配信息表達

飛機產品基于CATIA進行設計，所形成的MBD數據集除了包含三維幾何模型外，還包含了材料、緊固件、工藝標準、尺寸公差、注釋等的各種信息。下游各制造部門所需要的信息及表達形式是不同的，考慮成本及技術條件因素，不能統一通過全信息的MBD數據集來獲取。若把MBD數據集轉化為輕量化的模型(不丟失MBD的各種信息)，把每個工位、站位、工步裝配需要的零部件及裝配信息合理地通過輕量化模型表示出來并和AO合理的進行集成，在裝配過程中可以對輕量化模型進行測量、剖切、消隱、旋轉等交互操作。這樣既滿足了對AO信息的表達又滿足了MBD數據集信息設計意圖表達的需求。輕量化模型的瀏覽大大降低了對計算機的要求，同時降低了對操作人員的要求，而且可以為現場裝配人員配置便攜式移動終端，來操作輕量化模型、瀏覽AO，方便裝配工作的進行。

本文選擇3DVIA Composer軟件為三維裝配大綱的輕量化軟件。圖2所示是三維裝配大綱示例——飛機客艙組件裝配AO。對CATIA模型進行輕量化后，對關鍵的孔位信息、邊距信息進行三維標識，通過多個視圖順序播放實現裝配過程仿真指導，通過模型的動態消隱和明暗處理更清晰表達零部件間的裝配關系。

圖2 基于3DVIA Composer 的三維裝配大綱示例

3 裝配工藝信息的結構化

EBOM到MBOM的重構是AO編輯的基礎。在EBOM到MBOM的重構中，根據裝配工作實際需要，通過MBOM編輯器劃分好各AO間的結構層次和所需要裝配的零件，實現飛機裝配零件即參裝零件的結構化MBOM重構后，基于MBOM中的節點開始AO的編輯，如圖3所示。AO編輯中通過與工裝PDM系統的接口調用獲得所需工裝的編號和模型等相關文件，實現工裝的結構化管理。

圖3 BOM重構

4 基于XML的裝配大綱結構化

XML(extensible markup language)是一種簡單的可擴展標記語言，可進行不同數據格式之間的互操作。為解決飛機裝配工藝文件編制異構信息化系統間的裝配工藝信息交互問題，本文提出了基于XML 的工藝信息模型及交換架構。根據AO的功能及包含的信息類型，通過母本的形式對AO進行結構化設計，提高了AO編制的標準化和規范化，進而提高AO的編制效率。

設計符合工藝要求的AO母本，對AO中各內容按照工藝要求進行歸類，設計適應所有零件裝配、部件對接、系統件裝配、功能試驗等不同類型裝配工作的統一母本，工藝人員只需根據實際需要填寫相關內容即可。參裝零件通過結構樹的形式，按層次關系顯示；所需工裝、所需規范、所需工程圖樣可通過搜索獲得，以文本形式顯示；工序內容由文本編輯器進行編輯、輸入；仿真動畫通過附件形式添加。

5 裝配大綱的編輯器設計

在飛機MBD研制的模式下，三維模型作為唯一數據源后，工藝人員對三維模型信息的掌握顯得更加重要。在AO編輯過程中，要使得工藝設計人員能更加直接、直觀、方便地了解所參裝零件的三維模型幾何形狀、零部件間的裝配連接關系。本文在AO編輯器的設計中，實現了參裝零件在AO編輯器中的三維實時顯示、編輯器與CATIA的互操作等新功能。

1)AO編輯工作啟動。工藝人員在進行EBOM到MBOM的重構時，根據實際裝配需要設計相應的AO節點，在MBOM簽審發布后，在AO編輯平臺上找到對應的AO號處即可啟動編輯工作。為了避免對AO的重復編輯，設計相應的控制功能，對MBOM重構到AO編輯的流程進行有效的管控。將審簽流程掛于生命周期的第一個節點上，對象創建或修訂成功后，自動啟動審簽流程，創建者即為流程“AO審簽流程”環節的參與者，設計了AO初始化規則。

2)AO編輯。本文采用AO母本的形式為AO編輯提供結構化、標準化、電子化的平臺，啟動AO編輯后，即啟動了AO母本編輯器，在MBOM重構時關聯的參裝零件能自動與AO編輯器關聯，并以樹狀結構組織顯示，工藝人員可在編輯器上編輯相關內容，如圖4所示。

圖4 AO編輯器界面

3)AO編輯與CATIA互操作。單一數據源是飛機研制過程中的基本要求，在三維裝配大綱的編制和流程控制中，如何保證所有操作基于的是單一數據源對裝配大綱內容的準確性尤為重要。在裝配大綱編輯過程中，工藝設計人員往往要對三維模型進行尺寸、注釋等的標注，為了保證此過程是基于工程單一數據源進行的，本文應用Windchill平臺的COBI技術，實現了在裝配大綱編輯器中直接啟動CATIA，并把所需操作的零件打開進行三維標注操作，標注完畢后保存到PDM系統，供三維輕量化軟件調用和編輯，實現裝配大綱編輯和CAITA間的互操作，如圖5所示。

圖5 裝配大綱編輯與CATIA的互操作

4)裝配大綱的流程控制設計。裝配大綱作為飛機裝配工人進展裝配工作的指令性文件，有其生命周期。在編制過程中、裝配現場使用中以及工程更改后的維護中，都要經過一系列的流程進行控制，以保證裝配大綱中信息的正確性。在流程控制過程中，每個節點都按照權限和職責對大綱內容進行審核、批準或駁回。本文基于Windchill PDMLink平臺內置生命周期管理器和工作流管理器實現了流程控制。

5)AO編輯器與MES的交互。本文通過WebService設計開發交互接口，具體的交互接口如圖6所示。PDM發放一份AO，需將一份AO的數據定義為一份XML文件，這樣通過調用MES系統中發放AO的WebService接口，就可以將一份AO從PDM系統中完好地發放到MES系統中。MES系統的WebService接口定義好輸出值，根據輸出的信息，PDM就能輕松地掌握發放的情況。

圖6 MES與PDM系統交互接口關系

6 基于Winchill平臺的系統實現

本文系統基于PTC公司的Windchill平臺開發。

Windchill是三層體系結構應用程序，由PDMLink服務器、數據庫服務器、Web服務器和客戶計算機組成，構建了一個三層體系結構。與傳統的客戶服務器環境相比，這種體系結構具有可伸縮性，且更易于管理，更容易實現數據保護和安全性。開發系統在C919大型客機的AO編制中進行實驗應用，圖7是AO編輯和管理功能界面，圖8是三維AO實例。

圖7 AO編輯和管理功能界面

圖8 三維AO實例

7 結語

本文針對民機的研制全面采用MBD技術、全三維數字化設計，分析了裝配大綱的表達形式、編制方法以及編制流程控制方法，通過構建飛機產品信息和AO中工藝信息的關聯，對AO編制和使用進行結構化、流程化管理，建立適應MBD技術應用下的三維數字化裝配大綱設計和管理系統。相關技術和軟件在C919大型客機研制中得到應用，可供MBD研制模式下的飛機裝配工藝表達、執行和管理借鑒。