CN103020393B - 一种基于Web的飞机装配数据可视化方法 - Google Patents

Abstract

一种基于Web的飞机装配数据可视化方法，该方法有四大步骤：步骤一：系统架构及开发环境搭建；步骤二：可视化AO设计；步骤三：装配工艺仿真；步骤四：装配现场的使用。本发明用于实现飞机装配过程中BOM（Bill of Material，物料清单）、AO（Assembly Order，装配大纲）、产品信息等数据的可视化在线浏览，提高了飞机的装配质量和工作效率。它在飞机制造业界具有较好的实用价值和广阔地应用前景。

Description

一种基于Web的飞机装配数据可视化方法

技术领域

本发明涉及一种基于Web的飞机装配数据可视化方法，属于信息技术领域。它用于实现飞机装配过程中BOM（Bill of Material，物料清单）、AO（Assembly Order，装配大纲）、产品信息等数据的可视化在线浏览，提高装配质量和效率。

背景技术

飞机是一种复杂的高技术产品，长期以来飞机制造业总是反映着人类的最新科学技术成就。而装配是飞机制造过程的主要环节，所需工时占生产制造总工时的40%~60%甚至更高。伴随着信息时代的来临，对于大型飞机的装配来说，不采用数字化技术的装配工作量将大大超出传统装配的规模，根本无法适应现代飞机生产和质量的要求。

BOM和AO是飞机装配过程中最重要的两类数据。

1）制造业的所有业务活动都是围绕产品进行的，在信息技术支持下的制造过程实质上是一个产品数字建模、传递、加工处理的过程，而描述产品构成的BOM信息则是联系这个过程的主线，是实现企业信息、功能和过程集成的关键信息，在产品生命周期的数据流动中，BOM信息是一个连续和动态变化的过程。

对于飞机制造业来说，现代飞机外形要求严格、设计更改在试制期间十分频繁、构型众多、零件材料和形状各异、零组件的数量极为庞大，因此对于产品数据的管理要求极高，从设计、生产制造、到装配都必须严格的监控，才能尽可能的减少人为因素的消极影响。如果能很好加强BOM的管理，将会对飞机制造企业的经营和管理提供极大的帮助，但在实际应用中依然存在一些问题，具体包括：BOM集成水平低，重复性工作量大，效率低；BOM数据的设计变更的更改困难、数据一致性难以保证；产品BOM数据缺乏集成化管理，BOM数据的转化和维护比较困难等。

2）制造BOM反映了产品装配工艺流程，而AO是对制造BOM的进一步细化。AO是工艺部门根据工程设计的要求、工厂现有的工艺水平和质量保证的要求编写的指导生产的工艺文件，用于向装配车间下达生产任务、指导工人生产，和飞机产品生产的装配过程相对应。目前，国外先进飞机制造企业如波音公司对飞机装配已经开始实行架次管理，以适应不同用户的个性要求，对生产线上的每架飞机都能做到快速精细化跟踪与管理。为了适应架次管理的特点，我国许多飞机制造企业引入了波音公司的AO工艺管理机制，但是目前AO工艺文件的编制工作大都采用手工输入，准确性和一致性差。其次，工序的描述采用的是纯文字描述，但飞机装配是一个十分复杂的过程，许多装配步骤无法用纯文字的方法来描述得足够明确，使得工人难以理解。再者，AO上的图纸信息是二维的不可操作图纸。在装配环境下，零部件之间的存在位置、空间的约束等尺寸用二维标注不够直观。同时工人需要其他额外的尺寸信息的时候是无法直接获取的，需要与工艺人员沟通，这样势必降低了飞机装配效率。

发明内容

1、目的：本发明的目的是提供一种基于Web的飞机装配数据可视化方法，它克服了现有技术的不足，能改善当前国内落后的飞机装配现状。其目标有：

1）提供一种BOM的数据结构设计方案，为BOM的集成、管理、转换奠定基础。

2）提供一种三维产品数据浏览方案，实现模型、尺寸等信息的在线浏览。

3）对飞机部件进行装配过程仿真，验证装配工艺的正确性和可装配性，并输出装配动画指导工人实践，实现AO可视化。

2、技术方案：本发明提供一种基于Web的飞机装配数据可视化方法，实现飞机装配过程中BOM、AO、产品信息等数据的可视化在线浏览。该方法具体步骤如下：

步骤一：系统架构及开发环境搭建。

本方法选用B/S（Browser/Server）浏览器/服务器网络结构。在传统的C/S(Client/Server)体系中增加了一层中间件(Middle ware)结构，将应用分为表示层、功能层和数据层三个处理层次，如图1所示，表示层由基于Web浏览器的客户端组成。用户通过系统的Web应用界面与系统进行人机交互，完成数据的采集录入或信息显示；功能层由Web服务器和Web应用服务器构成。Web服务器采用HTTP协议回应各客户端用户发送的请求，向Web应用服务器提供信息显示与数据的检索指令，向用户生成客户端实际显示页面；Web应用服务器通过数据库接口组件JDBC访问数据层，并收集底层数据提交给Web服务器，以实现用户的应用要求；数据层通过数据库服务器Oracle10i执行数据处理逻辑，为系统提供底层数据支持；

步骤二：可视化AO设计

(1)BOM的存储方式

产品的BOM信息主要有两类：一是只与零部件自身相关的属性信息，一般由名称、编号、版本等字段组成，是一个简单的一维数据表；二是表达零部件之间层次结构和装配关系的信息，即装配结构。装配结构一般描述为零部件之间的父子关系和装配数量的集合，BOM的装配结构在存储上一般是一种图形数据结构。

在进行数据库设计时，考虑到影响BOM复杂性的首要因素是产品结构复杂，以及大量零件、组件的相互借用关系，使装配关系的树状层次又演变成网状结构。为了减少数据冗余度，将BOM信息分为两部分存储，一部分存储产品的属性信息，另一部分存储其装配结构信息。BOM表达的难点和关键点主要在树形结构的装配结构的存储上，在BOM的树形结构定义中，主要采取以下几种数据模型：

a.单层BOM

所谓单层BOM就是单层BOM表中相同的结构关系只记录一次。其数据结构采用“单父——单子”的数据结构，是由一个父件和从属于父件的一个或多个子件组成的。如果对应设计图纸，父件指的是组装图上的装配件，子件指组成装配体的下一级零部件。将产品的所有单层BOM展开，即得到企业常用的分组明细表，最下一级即产品的零件清单。可采用树形结构的遍历方法来获得，如表一所示。

表一

装配件	零组件号	单装数量(件)
			A	B	1
A	C	1
			A	D	2

b.多层BOM

多层BOM也称缩行式BOM，表示产品的所有父子关系，采用“单父一多子”的数据结构，按层次列出了下属零组件和每个零组件相对于父件消耗的数量。同一层次的所有零组件号都按层次连续显示在同一列上，如表二所示。

表二

层次	零组件	装配件	装配数量
				0	A		1
1	B	A	1
				1	C	A	1
1	D	A	2
				2	E	A	1
2	F	A	3
				2	G	A	1
2	H	A	1
				2	I	A	1
3	J	A	1
				3	K	A	1

c.综合BOM

综合BOM根据零件号的次序，一次性列出用于最高层装配件或最终产品下属所有零件的配套件数，但它并不关心其产品结构的层次关系。产品A的综合BOM见表三所示。

表三

(2)BOM数据结构设计

在BOM设计过程中需着重考虑的两个要素是：合理的BOM结构模型，即在数据库中设计合理的方式存储BOM数据，保证BOM数据的完整性、一致性、可靠性和无冗余；高效便捷的算法完成对产品结构的遍历和分解，满足对产品结构的查询、汇总等。前者关系到BOM的易维护性，后者关系到BOM的易使用性，以下简称为BOM“设计的两要素”。

为了更好在BOM设计两要素之间需求均衡，本发明综合单层BOM的数据冗余度是最小的、可以清晰地定义产品的结构树、BOM表更改简单等优点，为了反映MBOM的装配顺序关系，设计出一种BOM树状数据结构，如表四所示。

表四

ID	零组件号	父装配件号	单装数量	叶节点标识符	子节点顺序
						1	A		1	0	1
2	B	A	1	0	1
						3	C	A	1	1	2
4	D	A	2	0	3
						5	E	B	1	1	1
6	F	B	3	1	2
						7	G	D	1	0	1
8	H	D	1	1	2
						9	I	D	1	1	3
10	J	G	1	1	1
						11	K	G	1	1	2

（3）产品信息的三维可视化设计

在运用CAD系统设计产品时，建立的产品信息模型通常由产品结构形状、建模过程、工程约束、特征属性等信息组成，导致三维设计模型中保存了大量的非几何信息，所以一般的三维设计模型都比较大，动辄数十兆、数百兆。上述信息对设计工程师是非常重要的，但对制造人员来说许多信息是冗余的，他们主要关注零件的结构几何信息。因此，从CAD系统中如何转换到可在Web中显示的数据模型的交换方式是问题的关键所在。目前交换方式主要三种：直接三维数据模型交换、中性几何文件格式数据交换和中性显示模型数据交换。但因为数据量大、丢失几何信息、不便于传输等弊端无法很好地满足需求。

本方法利用ActiveX技术将一款多用途的文档浏览、标注、协同作业应用软件OracleAutoVue嵌入至Web页面，可分别选取各组成组件，改变其颜色、透明度、网线解析程度及是否显示等参数，或将其坐标改变，移动零件；具有测量功能，例如距离、面积、角度、体积及质量中心、边角长度等；具有标注功能，其标注组件包括：弧线、矩形、箭头、多边形、文字、注释、符号等。

步骤三：装配工艺仿真

国际航空工业已经广泛的采用CATIA作为CAD设计软件。在后CAD时代，数字化制造已经成为企业关注的焦点。而在业界只有达索公司系统地开发一套完全底层共享的3DPLM方案，用于帮助加快所有制造工程的活动。其中，CATIA提供产品的解决方案，DELMIA提供工艺与资源的解决方案，ENOVIA提供数据与工作流程的管理功能。本方法中采用DELMIA作为装配过程仿真的工具和环境。DELMIA可以设计数字化产品的全部生产流程，在部署任何实际材料和机器之前进行虚拟演示。其建立于一个开放式结构的产品、工艺与资源组合模型（PPR——Products,Processes,and Resources）上，此模型使得在整个研发过程中可以持续不断地进行产品的工艺生成和验证。

DELMIA系统包含了上百个子模块，按功能可划分为三大应用板块：数字化仿真平台工具集数字制造工艺（Digital Process Manufacture，DPM）、面向数字化工艺规划模块数字工艺工程DPE（Digital Process Engineer，DPE）和车间现场制造执行系统的资源建模与仿真集成模块，这三个相对独立的部分通过PPR Hub相连接。DPE与DPM两部分为进行装配工艺规划及流程仿真的关键模块，资源建模与仿真模块为辅助模块支持其功能。其中，DPE为数字化工艺规划平台，它建立产品数据、资源数据和工艺结构，并将三者有效地关联在一起，实现工艺方案的评估、各种数据的统计计算、装配工艺结果的输出等。DPM为工艺细节规划和验证应用的环境，以实际产品的三维模型，构造三维工艺过程，进行数字化装配过程仿真与验证。利用验证的结果可分析出产品的可制造性、可达性、可拆卸性和可维护性。两者通过PPR Hub数据库共享数据，关系如图2所示。同时配套使用DPM、DPE比单一使用DPM更加有效。但是依据所具备的数据信息，本方法选择单一使用DPM进行仿真验证，并将仿真结果输出为仿真动画，利用ActiveX技术嵌入至Web中在线浏览。

步骤四：装配现场的使用

装配现场采用电脑客户端，通过网络浏览器实时下载可视化的产品信息、装配ＡＯ信息、装配仿真视频等，并实现在线浏览。

客户端操作人员也可以将数据信息进行存储，实现离线浏览等功能。

3、优点及功效：本发明的优点在于：

1）BOM树状数据结构数据冗余度小、清晰定义产品结构树、BOM表更改更简单；

2）实现了模型、尺寸等信息的在线浏览，且数据量小、使用便捷；

3）相对于纸质AO，可视化AO更加直观、易于理解；

4）提供了更高的装配效率和装配质量；

附图说明

图1系统B/S体系结构图；

图2DELMIA系统实施流程图；

图3数据关系结构图；

图4DELMIA系统模拟飞机装配流程实施图；

图5为本发明实施流程框图

具体实施方式

下面将结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。

见图5，本发明一种基于Web的飞机装配数据可视化方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：系统架构及开发环境搭建。

按照图1所示的结构搭建B/S（Browser/Server）浏览器/服务器网络结构的应用环境。建议服务器端采用的计算功能较强的图形工作站，数据库软件采用Oracle10以上版本，DELMIA仿真软件采用R18版本以上；装配现场用普通电脑配置，浏览器推荐使用ＩＥ，版本在6.0以上。

步骤二：可视化AO的设计。

1）BOM数据存储结构设计。将尾段产品数据按照本方法中采用的BOM树状数据结构进行数据库存储，如图3所示；

2）模型、尺寸等信息在线浏览。在CATIA中将零部件模型转换为CGR格式，便于网络传输。电脑客户端安装Oracle AutoVue软件，并在服务器端代码段中利用ActiveX控件技术将其嵌入Web页，来源参数设置为CGR文件的物理地址；

步骤三：装配工艺仿真。

图2为DELMIA系统实施流程图。根据已分析好的飞机装配工艺设计及装配制造流程，应用DELMIA系统模拟飞机装配的实施流程，如图4所示。以数字化模型代替实体在计算机虚拟环境下进行装配过程的仿真及工艺分析，确保产品的可装配性，并合理规划及布置装配资源。其中包括：

1）装配环境构建。根据飞机装配工艺执行的需要，将建立的三维资源模型(产品模型除外)用以构建产品装配生产线，对装配工装/夹具、工作台和工人等进行合理布局。

2）装配工艺设计。在工艺划分的基础上完成产品的工艺流程设计，并关联完整的AO。

3）装配过程仿真。在DELMIA中根据设计好的AO中的工艺装配顺序，在虚拟装配环境中，模拟各零部件的装配过程，动态直观地显示其装配序列、路径和定位方法等。并对装配过程进行干涉检查，发现装配过程中工人、产品、工装、工具以及环境因素之间的空间干涉与碰撞情况，优化装配路径。

4）人机功效；在DELMIA系统中利用人机工程模块，在虚拟装配环境中，通过对虚拟人体的控制，模拟装配人员在装配时的各种实际作业操作，指定工人在完成某个装配操作过程中的作业行为、行走路线和工作负荷，对各种典型作业姿态和装配行为进行模拟及定性定量分析，实现虚拟装配方案设计的人机工程学评估，考察工人作业的空间开敞性、姿态舒适性和劳动强度等诸多因素，以便进一步优化工艺流程和制造资源。

5）装配动画输出；将生成的装配仿真过程录制为视频格式，然后利用ActiveX控件将播放插件嵌入Web页面，并与相应的AO文件关联，实现AO可视化浏览。

步骤四：装配工作现场的使用

装配现场操作工人可以通过Web浏览器客户端，查看具体装配操作的工艺信息、资源信息及装配过程操作仿真，按照指导进行装配操作。

Claims (1)

1.一种基于Web的飞机装配数据可视化方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

步骤一：系统架构及开发环境搭建

选用B/S即Browser/Server浏览器/服务器网络结构，在传统的C/S即Client/Server体系中增加了一层中间件Middle ware结构，将应用分为表示层、功能层和数据层三个处理层次，表示层由基于Web浏览器的客户端组成，用户通过系统的Web应用界面与系统进行人机交互，完成数据的采集录入或信息显示；功能层由Web服务器和Web应用服务器构成，Web服务器采用HTTP协议回应各客户端用户发送的请求，向Web应用服务器提供信息显示与数据的检索指令，向用户生成客户端实际显示页面；Web应用服务器通过数据库接口组件JDBC访问数据层，并收集底层数据提交给Web服务器，以实现用户的应用要求；数据层通过数据库服务器Oracle 10i执行数据处理逻辑，为系统提供底层数据支持；

步骤二：可视化AO设计

(1)BOM的存储方式

a.单层BOM

所谓单层BOM就是单层BOM表中相同的结构关系只记录一次，其数据结构采用“单父——单子”的数据结构，是由一个父件和从属于父件的一个或多个子件组成的；如果对应设计图纸，父件指的是组装图上的装配件，子件指组成装配体的下一级零部件；将产品的所有单层BOM展开，即得到企业常用的分组明细表，最下一级即产品的零件清单；零件清单采用树形结构的遍历方法来获得，如表一所示；

表一

装配件 零组件号 单装数量(件) A B 1 A C 1

A D 2

b.多层BOM

多层BOM也称缩行式BOM，表示产品的所有父子关系，采用“单父一多子”的数据结构，按层次列出了下属零组件和每个零组件相对于父件消耗的数量；同一层次的所有零组件号都按层次连续显示在同一列上，如表二所示；

表二

层次 零组件 装配件 装配数量 0 A 1 1 B A 1 1 C A 1 1 D A 2 2 E A 1 2 F A 3 2 G A 1 2 H A 1 2 I A 1 3 J A 1 3 K A 1

c.综合BOM

综合BOM根据零件号的次序，一次性列出用于最高层装配件或最终产品下属所有零件的配套件数，但它并不关心其产品结构的层次关系，产品A的综合BOM见表三所示；

表三

(2)BOM数据结构设计

在BOM设计过程中需着重考虑的两个要素是：合理的BOM结构模型，即在数据库中设计合理的方式存储BOM数据，保证BOM数据的完整性、一致性、可靠性和无冗余；高效便捷的算法完成对产品结构的遍历和分解，满足对产品结构的查询、汇总；前者关系到BOM的易维护性，后者关系到BOM的易使用性，以下简称为BOM“设计的两要素”；

为了更好在BOM设计两要素之间需求均衡，综合单层BOM的数据冗余度是最小的、清晰地定义产品的结构树、BOM表更简单的优点，为了反映MBOM的装配顺序关系，设计出一种BOM树状数据结构，如表四所示；

表四

ID 零组件号 父装配件号 单装数量 叶节点标识符 子节点顺序 1 A 1 0 1 2 B A 1 0 1 3 C A 1 1 2 4 D A 2 0 3 5 E B 1 1 1 6 F B 3 1 2 7 G D 1 0 1 8 H D 1 1 2 9 I D 1 1 3 10 J G 1 1 1 11 K G 1 1 2

(3)产品信息的三维可视化设计

所述基于Web的飞机装配数据可视化方法利用ActiveX技术将一款多用途的文档浏览、标注、协同作业应用软件Oracle AutoVue嵌入至Web页面，分别选取各组成组件，改变其颜色、透明度、网线解析程度及是否显示参数，或将其坐标改变，移动零件；具有测量功能，能测量距离、面积、角度、体积及质量中心、边角长度；具有标注功能，其标注组件包括：弧线、矩形、箭头、多边形、文字、注释、符号；

步骤三：装配工艺仿真

DELMIA系统包含了上百个子模块，按功能划分为三大应用板块：数字化仿真平台工具集数字制造工艺即Digital Process Manufacture，DPM、面向数字化工艺规划模块数字工艺工程DPE即Digital Process Engineer，DPE和车间现场制造执行系统的资源建模与仿真集成模块，这三个相对独立的部分通过PPR Hub相连接；DPE与DPM两部分为进行装配工艺规划及流程仿真的关键模块，资源建模与仿真模块为辅助模块支持其功能；其中，DPE为数字化工艺规划平台，它建立产品数据、资源数据和工艺结构，并将三者有效地关联在一起，实现工艺方案的评估、各种数据的统计计算、装配工艺结果的输出；DPM为工艺细节规划和验证应用的环境，以实际产品的三维模型，构造三维工艺过程，进行数字化装配过程仿真与验证；利用验证的结果分析出产品的可制造性、可达性、可拆卸性和可维护性；两者通过PPR Hub数据库共享数据，同时配套使用DPM、DPE比单一使用DPM更加有效；但是依据所具备的数据信息，所述基于Web的飞机装配数据可视化方法选择单一使用DPM进行仿真验证，并将仿真结果输出为仿真动画，利用ActiveX技术嵌入至Web中在线浏览；

步骤四：装配现场的使用

装配现场采用电脑客户端，通过网络浏览器实时下载可视化的产品信息、装配AO信息、装配仿真视频，并实现在线浏览；客户端操作人员将数据信息进行存储，实现离线浏览的功能。