基于多域集成的飞机专用装配工装特征化描述技术*

徐开元，曲蓉霞

(东北大学 a.流程工业综合自动化国家重点实验室；b.机械工程与自动化学院，沈阳　110004)



基于多域集成的飞机专用装配工装特征化描述技术*

徐开元a,b，曲蓉霞a

(东北大学 a.流程工业综合自动化国家重点实验室；b.机械工程与自动化学院，沈阳110004)

摘要：为了实现飞机装配工装的快速调用，研究了基于多域集成的飞机装配工装特征化描述技术。提出多领域信息集成表达的知识框架，该框架包含产品结构域模型、装配工艺域模型与工程管理域模型。其次，阐述了装配工装特征化描述方案，包含编码规则、工装特征化信息模型、建模与遍历方法、特征化描述技术评价指标。而后构建了某系列飞机装配工装的特征化信息模型，实现了飞机装配工装多领域集成特征化描述。最后，通过与其他方法对比分析评价指标的值，论证了所提描述技术的有效性与先进性。

关键词：飞机装配装备；特征化描述；多域集成表达

0引言

随着飞机数字化装配技术的飞速发展，数字环境下工艺规划仿真、装配资源管理、装配线仿真建模、工装概念设计都要求尽可能重用已有的工装资源，以缩短工装设计用时，节省人力与时间，降低研发成本。因此飞机装配工装的快速读取调用具有重要意义，是飞机装配规划的基础工作。而工装调用需要高效的数字化描述数据集的支持，以便实现装配工装数据信息的准确表达与检索[1-2]。

目前，面向装配工装调用的工装特征化描述技术研究较为鲜见，而飞机装配工装数据表达通常有以下两种方法：产品PDM数据库或专用数据文件[3-4]与基于模型定义技术(MBD)[5-7]。PDM数据库或专用数据文件能够描述工装资源的详细工程属性，但读取数据表会花费大量的时间精力，不能满足先进装配系统对资源信息集成的要求，降低生产效率。装配工装MBD模型主要使用于工装的详细设计/制造环节，其数据非常庞大。根据企业调研，一台机身对接型架CAD模型大小为1.9GB，读取MBD模型将占用大量计算机内存空间，严重影响设计效率。以上两种方式均不能满足工装简约表达、快速调用的要求。

基于此，本文提出一种基于多域集成的装配工装特征化描述技术，通过提取工艺资源各领域特性并集成一体，从而抽象约简得描述目标工装属性信息。包含了多领域属性的工装特征化描述信息段使工装信息表达更全面系统，反映出装配工装更多的特殊工程属性，满足设计信息多样性的要求。

1多领域信息集成表达

本文规划物理结构、装配工艺、工装工程管理三个领域属性为工装特征化信息表达内容。各领域之间具有弱耦合关系，所表达的信息不重复、能够描述不同类别资源的特性。图1表示了装配工装多域集成信息模型的框架，对比生物基因模型，产品结构模型包含两个层次：基本结构属性、各类工装独有关键结构参数；装配工艺模型的三个层次为：基础工艺、工装典型工艺、典型工序；各类典型装配装备的管理属性是相似的，所以管理域属性不再有资源类别区分。多域集成信息模型的下层模型是装配工装通用的工程属性项，随着层次的升高，装配工装工程属性个性化程度加深，最顶层为各类别装配工装在本领域的个性化属性，顶层属性与描述资源的类别紧密关联。具体属性项内容如图1所示。

图1　飞机装配工装多域集成信息模型

2装配工装特征化描述方案

本节主要论述装配工装特征化描述方案，包括代码规则、特征化信息模型、信息建模与赋码方法、特征化描述技术评价指标体系等研究内容。

2.1编码规则

工装特征化描述信息段的生成需要代码的规范化支持，本文构造的信息段采用数字+字母的代码形式，确定以“类别码+工程属性码”为特征化描述代码段结构，阐述信息代码的编制规则，如表1所示。

类别码表达工装的类别隶属信息，它以资源分类树为基础进行命名。根据DIN4000的标准，分类层次结构以四级为宜，设置一至四级分类码，每级各有2个码位；工程属性码是工装信息段的重要组成部分，它装载了工装结构、装配工艺、工装管理属性三个领域的信息。

表1　信息代码的生成规则

2.2工装特征化信息模型

特征化信息模型是一种为产品编码解码的工具平台。分别阐述图2信息模型中的组成要素：

(1)分类树结构是信息模型的主体框架，每一个节点都连接一个分类代码卡用来承载该类资源的分类代码。属性项表示该类资源包含的所有属性，属性编码表承载该项属性的可选值及其代码。

(2)资源属性项配置规则。一类资源具有多种可能涉及到的属性，具有不同结构特点的不同子类资源，其属性项的选取也有所不同，这时就涉及到配置规则的使用。例如“O1”表示在描述工艺资源类1.2时，属性项1是必须包含的，属性项2、3、4表示可以包含或不包含在信息段中。因此，属性项1定义为基本属性，属性项2、3、4为可选属性。

图2　特征化信息模型拓扑结构图

2.3特征化描述信息模型的构建与遍历

建立信息模型的关键要点在于对装配工装合理分类，使资源类别间耦合关联小，提供清晰的框架结构，并在此基础上需要了解目标技术对象体系内所有资源的属性及其值域。确定装配工装信息模型构建步骤如下:

步骤1：确定研究目标，构建技术对象分类树。分类方法具有很强的主观性，不同方法会得到不同的分类模型，这里参考本文相关文献的飞机装配资源分类方法[8]，对飞机典型装配工装进行分类。

步骤2：按照分类码的命名规则，确定各类资源的分类代码，编制类别代码表。

步骤3：可选属性构建。分析各类装配工装属性使用频率与使用范围，按照图1的定义，以某一级分类为单位提取出结构、工艺领域的个性化属性项，严格控制属性项个数，最后绘制属性规划表，由此体现出特征化描述技术的柔性与简约的特点。

步骤4：建立属性与代码转译关系，得到资源属性后，分析属性名称，根据关键词与代码生成规则，得到属性项名称的编码，同时确定该资源属性的可选值及代码，构建属性项编码表。

步骤5：整合以上步骤所得到的结果，按照图2所示模型拓扑结构，在技术对象分类树的基础上添加分类代码与属性项编码等信息，形成树状结构的信息模型。

步骤6：信息模型的遍历。工装特征化模型是一种为工装资源赋码的工具，赋码过程为：逐一遍历资源所属类别，读取分类代码卡片依次得到资源的分类代码；其次，根据资源从属类包含的工程属性与具体资源特征为资源配置个性化属性项，确定属性值并读取相应的代码，由此得到工程属性信息代码。

2.4特征化描述技术评价指标

(1)信息多样性。信息多样性是指基于某种表达方式建立的产品语义属性描述方案所包含信息的广度与深度。信息量的广度保证了产品信息模型在整个产品生命周期中存在的时间，同时可以加强各部门协同设计规划效率，因此信息多样性偏重于信息广度的考量。本文信息多样性的考察手段为依靠人工分析。多样性包含的领域有产品结构、功能、装配工艺、制造工艺、管理信息等，以及它们的子类。

(2)占用内存空间。占用内存空间指的是打开软件或打开模型后，改程序相关进程占用的计算机内存空间。本文占用内存空间的考察手段为依靠专业内存分析软件，进行实时跟踪统计。如果占用内存较大，而计算机性能又不够支撑，将会造成工程师设计效率的降低。占用内存空间在一定程度上能够说明特征化技术的优越性。

(3)设计效率。设计效率是指一名设计工程师单位时间内完成的设计工作量或读取的资源模型数量。不同的装配设计任务其完成效率是不可等同比较的，设计效率的计算公式也是不同的，这与设计任务的性质和难度有关，因此不能抛开设计环境来谈设计效率。

本文拟定飞机装配线仿真的建模阶段为设计环境，根据任务特点，建立设计效率计算公式为：当完成一项设备的选型、调用、布局时，即Q=1，单一任务的设计时间是软件准备用时、检索文件用时、选配用时三者之和，即Tt=Tp+Ts+Tsc，则设计效率R=1/Tt=1/(Tp+Ts+Tsc)，时间单位为min。

(4)可读性。可读性指的是识读模型信息的难易程度。模型表达越直观，模型的可读性越强。提高描述模型的可读性可为工程师读取数据提供便利，缩短时间。

3特征化描述技术应用实例

该小节将以实例阐述特征化描述信息模型的构建以及基于模型遍历的工装编码实现，同时继续阐述基于工装特征化信息代码的检索技术，以实现装配工装的检索调用。

3.1某机型特征化信息建模与遍历

本文以某型号民用客机常用的几类装配工装为研究对象，阐述飞机装配工装抽象特征化表达技术的应用。前5步为工装特征化信息模型的构建，第6步为基于信息模型遍历的某实例工装编码生成。

步骤1：建立目标装配资源分类结构树，如图3所示。飞机专用装配工装体系共划分出四个子类：自动精密制孔装备、柔性装配定位装备、连接工具装备与数字化装配辅助装备。

图3　飞机装配资源分类树结构模型

步骤2：根据步骤一的划分结果，依据2.2小结的代码生成规则，构建类别代码如表2所示。由表2可知，专用工装一级编码为ZY；四个二级子类代码为：01-04；三级子类的编码依旧采用“01-06”形式表达。

步骤3：以第二层级与第三层级为单位提取属性，绘制特性提取规划表，如表3所示。限于篇幅，本文以制孔装备、装配定位装备、连接装备三类资源为例进行阐述。该步骤提取的主要是各类工装在结构与装配工艺域的可选属性，工装基础属性已列于图1相应部分。工程管理属性个数少，故也在此列出。

表2　专用工装的分类信息代码表

表3　飞机装配工装各领域可选属性提取表

步骤4：工程属性赋码。依据工程属性代码生成规则以及飞机装配工装的各领域属性(包括可选与必选属性)，建立资源属性项编码表，本文将属性项编码表的具体内容直接列于特征化描述模型中。

步骤5：整合以上各步骤，将属性项编码表的具体内容列于特征化描述模型，构建装配工装信息模型如图4所示。

步骤6：基于遍历的编码生成。对某曲面部件装配定位装备进行特征化描述，该设备的参数有：外廓尺寸为2600×1500×1000、定位尺寸为50×50、三自由度、生产能力为1件/24h、放置状态为卧放、下架方向为上方提起、工艺动作为完成入位/定位/夹紧工艺、所属车间为总装厂、使用状态为闲置中、工装版本1.1、来源为自制件。由此得到信息段：

#ZY-02-03|WKCC2600*1500*1000|DWCC50*50|ZYD1|SCNL0.04|FZZT0|XJFX1|GYDZ010203|SSCJ0|SYZT2|BB1.1|LY1。该代码段包含工装三个领域的信息，方便设计师获取工装属性，实现了对新进工装赋码。

3.2特征化代码的应用实例

特征化描述技术能够满足多种设计环境下的信息需求。以实际项目为依托，下面将着重阐述全三维数字化飞机装配线建模环境下，基于特征化信息代码的

图4　某型号大型客机装配工装特征化描述信息模型

飞机专用装配工装检索技术。所有软件均在Intel(R)，CPU E5205，主频1.87GHz，内存8GB的计算机上运行。

以CATIA系统为平台，通过采用CAA二次开发软件，并按照图4所示信息描述模型的逻辑框架来构建装配工装赋码平台。基于此，特征化技术实施过程为：首先，基于编码工具与目标编码对象，得到具体资源的特征化信息代码段；其次，以Catalog方式建立资源库，按照客机装配工装特征化描述信息模型，构建资源类别系列，导入工装数据文件与各个工装的信息化代码；最后，由于一种型号飞机所使用的大型设备其种类与数量都不会太多，本文采用人工手段完成资源库逐层检索过程，如图5所示。

图5　特征化描述技术的信息代码的创建与检索实例

基于CATIA软件的人工检索过程为：设计人员首先选择资源类，然后在资源分类目录中选择相应的资源子类。当子类资源不可再分时，通过读取该子类资源包含的多个特征化信息段，进行具体资源模型的选择。该过程对应着三个阶段：软件准备阶段、资源类别检索阶段与资源选择阶段。最后，得到相应的检索结果：编号为3的某零部件柔性定位装备，其特征化代码为步骤6中所示代码。

4特征化描述技术性能评价

文献[5]采用的是MBD技术，文献[9]提出了一种基于工艺模型的工艺信息表达方法。基于CATIA实现文献[5]与文献[9]所建模型，同时采用PTC公司的Windchill软件作为PDM支撑平台。以上述实例为背景，对4种方法的性能进行分析，如下所示：

信息多样性方面，文献[9]主要表达了产品几何结构、公差尺寸、工艺加工参数等。文献[5]与本文方法描述了结构、工艺信息、管理信息等。而PDM方法包含了工装结构、功能、制造工艺、管理信息等；

内存空间方面，使用专业检测软件Memtest4.0对程序的进程实施检测，检测结果列于表4相应部分。本文内存空间计算包括软件本身占用内存与打开数据文件占用内存两部分。由于PDM系统包含Excel大数据图表、CAD三维数模、Word文本等数据类型，因此打开PDM文件会占用最多的内存空间，MBD模型是在3D模型的基础上添加语义信息而构成的，因此文献[5]占用内存空间次多；

可读性方面，PDM是一种专业数据管理软件，存储的文件格式多样、数据量大，它的可读性是最强的。其次，由于文献[5]与文献[9]都包含相应的CAD模型，它们的可读性为中。本文方法是一种代码化表达方法，需要工程师结合特征化描述信息模型与一定的代码规则知识才能解读，因此它的可读性较弱；

设计效率方面，本文跟踪记录工艺设计师(假定该工艺师对4种方法均有深入掌握)分别采用4种方法完成上述装配任务的设计用时，得出以下数据：本文方法、文献[5]与文献[10]方法的软件准备时间是1min，PDM方法需要同时打开CATIA与Windchill，用时为2.3min。检索时间上，本文方法采用CATIA软件人工检索用时为0.5min、文献[5-9]的时间均为1.5min、PDM的数据检索步骤较为繁琐，用时为2min。选配时间上，本文方法为5min、文献[5]为8min、文献[10]为5.5min、PDM由于需要打开相应的属性文件才能进行选择并且它包含的数据量很大，需要筛选出有效信息，所以该种检索方法用时达到12min。将以上数据带入设计效率计算公式，得到计算结果如表4所示。

表4　装配线建模环境下4种描述技术性能指标对比分析

通过表4得出结论，本文方法具有描述信息多样、占用计算机内存空间最少、设计效率最高等优点，但它的可读性是最弱的。综合考虑，本文方法占优项目多于劣势项目，在进行装配线数字建模、工装数据库构建等环境中具有较大的先进性与适用性。如果不考虑信息多样性与信息在多设计阶段间传递问题，也可以考虑文献[10]的方法，该方法具备较高的设计效率且可读性较强。而PDM方法适用范围狭小，主要适用于工装的详细设计阶段与企业工装资源数据的存储管理，但它的可读性最强。

5结论

该特征化表达技术可实现两个目标：一是提高资源查询调用效率，加快设计速度；二是为实现飞机装配资源高效、有序化管理提供有效手段。图4所示信息模型只适用于既定目标对象，但本文所提出的建模方法也适用于其他机械产品装配工装的信息描述，具有一定的普适性。本文研究有以下特点：

(1)提出了装配工装特征化信息模型的概念，形成了一个具有属性项可配置的产品赋码解码信息平台，具有更强的柔性以及更大的工程属性信息集成度。同时提出了信息模型构建方法与模型遍历方法，以实例阐述了信息模型构建过程以及基于模型的工装编码过程。

(2)首次提出特征化描述技术评价指标体系，该体系包括信息多样性、占用内存空间、可读性、设计效率等四个指标，提出了设计效率的数学计算公式，使效率计算简单、直观。该评价体系能够多角度综合考察描述技术的整体性能，也为今后装配资源或装配资源服务的数字化描述技术研究提供了评价依据。最后通过特征化描述技术与其他表达方法的对比，论述了该方法的性能优势。

(3)基于多域的特征化信息表达方法不仅描述形式简洁，而且信息表达更加完备，满足了资源信息多样性需求。这种微缩的信息架构方式省略了视频文字、外部链接文件等辅助技术文档，节省了传统数据库的庞大数据体，加快工装属性的读取速度，从而提高了装配规划设计效率。

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(编辑赵蓉)

Aircraft Special Assembly Equipment Characterized Representation Technology

Based on Multi-domain Integrated

XU Kai-yuana,b, QU Rong-xiaa

(a. State Key Lab of Integrated Automation for Process Industry; b. School of Mechanical Engineering & Automation, Northeastern University, Shenyang 110004,China)

Abstract：In order to rapidly use aircraft assembly process equipment, the paper study the characterized representation technology of aircraft assembly equipment based on multi-domain integrated method. The knowledge framework of multi-domain information integrated expression is presented; this framework is based on product structure domain model, assembly process domain model and project management domain model. Secondly, paper elaborate assembly equipment characterized representation project, the project includes code generation rule, process equipment characterized information model, model building and traversal method, and assessment criteria of characterized representation method. At the same time, the characterized information model of a series of aircraft assembly equipment is build, realizing assembly equipment multi-domain integrated characterized description. At last, the validity and progressiveness of the characterized representation method is demonstrated by contrasting with other representation method based on assessment criteria value.

Key words：aircraft assembly equipment;characterized representation;multi-domain integrated expression

中图分类号：TH162；TG506

文献标识码：A

作者简介：徐开元(1985—)，男，河北唐山人，东北大学博士研究生，研究方向为飞机装配调度问题，(E-mail)ky198511@qq.com。

*基金项目：总装备部预研基金重大资助项目(5131xxxxx)

收稿日期：2015-03-03

文章编号：1001-2265(2015)12-0100-06

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.12.027