杜寶瑞，陳靖樂，葉柏超，孫業(yè)翔，屈力剛

（沈陽航空航天大學(xué) 航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110136）

0 引言

近年來，隨著工業(yè)現(xiàn)代化和信息化的飛速發(fā)展，行業(yè)對(duì)制造精度和產(chǎn)品質(zhì)量提出了更高的要求。航空企業(yè)已逐步實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)、制造和裝配的數(shù)字化[1]，而檢驗(yàn)日益成為企業(yè)數(shù)字化環(huán)節(jié)的瓶頸，雖然部分企業(yè)已經(jīng)應(yīng)用數(shù)字化測量設(shè)備進(jìn)行檢測，但是檢驗(yàn)?zāi)Ｊ饺匀皇且罁?jù)二維圖紙手工檢驗(yàn)和依據(jù)三維數(shù)模數(shù)控檢測相結(jié)合的手段[2]。

MBD（Model Based Definition），即基于模型的工程定義，是一個(gè)用集成的三維實(shí)體模型來完整表達(dá)產(chǎn)品定義信息的方法，它詳細(xì)規(guī)定了三維實(shí)體模型中產(chǎn)品尺寸、公差的標(biāo)注規(guī)則和工藝信息的表達(dá)方法[3]?；贛BD的數(shù)字化檢測技術(shù)以產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過程中的數(shù)字模型為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，制定合理的檢測工藝規(guī)劃，利用數(shù)字化測量設(shè)備進(jìn)行檢測，并將測量結(jié)果實(shí)時(shí)反饋至質(zhì)量管理系統(tǒng)，分析產(chǎn)品質(zhì)量并指導(dǎo)設(shè)計(jì)、加工部門改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量。其在測量精度、測量效率、測量柔性等方面的優(yōu)勢，是傳統(tǒng)檢測技術(shù)所無法達(dá)到的，尤其在航空復(fù)雜零部件的檢測方面技術(shù)優(yōu)勢更加明顯。

1 技術(shù)體系研究

在MBD制造環(huán)境下，零件的幾何數(shù)據(jù)和產(chǎn)品制造信息全部包含在零件的三維數(shù)字模型中，數(shù)字模型成為產(chǎn)品工藝過程制造和檢驗(yàn)的唯一依據(jù)[4]。與傳統(tǒng)的檢驗(yàn)?zāi)Ｊ较啾?，基于MBD的數(shù)字化檢測工藝技術(shù)主要包括以下方面：模型可檢測性分析、檢測工藝規(guī)劃、檢測工藝仿真、檢測工藝審簽、檢測實(shí)施與結(jié)果表達(dá)、產(chǎn)品質(zhì)量分析以及檢測過程的數(shù)據(jù)傳遞與管理，其技術(shù)體系如圖1所示。

圖1 技術(shù)體系

1.1 可檢測性分析

檢測模型是產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型或工序模型在檢測階段的表現(xiàn)形式，它包含了零件所有的檢測信息，是檢測的唯一依據(jù)?？蓹z測性分析是指在檢測準(zhǔn)備階段檢查檢測模型是否規(guī)范，提取所有的待檢測信息并判斷在現(xiàn)有檢測設(shè)備條件下是否能夠完成檢測。主要包括以下三個(gè)部分：

1）檢測模型定義

為了滿足MBD單一數(shù)據(jù)源的要求，使檢測模型包含所有的檢測信息，需要對(duì)檢測模型進(jìn)行定義。MBD檢測模型需要包括零件的尺寸信息、形狀信息、輪廓信息、定向和定位信息等幾何信息，以及檢測工藝信息等非幾何信息[5]。MBD檢測模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。在實(shí)際檢測過程中，有時(shí)只需對(duì)檢測模型的部分信息進(jìn)行測量，在CAD軟件中將檢測模型的待檢測信息用特定的顏色或者圖層表示，即可根據(jù)需要提取特定的待檢測信息。

圖2 檢測模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2）模型規(guī)范檢查

在設(shè)計(jì)階段，由于人為因素可能會(huì)導(dǎo)致檢測模型標(biāo)注不規(guī)范或者信息不完整，造成檢測模型部分信息無法被檢測系統(tǒng)正確識(shí)別和提取。如圖3所示，通過制定標(biāo)準(zhǔn)的模型檢查規(guī)范，利用標(biāo)注信息與特征之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，檢查出檢測模型中不規(guī)范的標(biāo)注或者缺少的檢測信息，同時(shí)依據(jù)檢測設(shè)備資源庫分析各檢測目標(biāo)是否能夠通過現(xiàn)有的檢測設(shè)備完成檢測，最后生成檢查報(bào)告反饋給上游設(shè)計(jì)部門，指導(dǎo)其對(duì)檢測模型進(jìn)行修改和完善。

圖3 模型規(guī)范檢查

3）未注公差處理

通常情況下，為了減少設(shè)計(jì)人員的工作量，在零件的設(shè)計(jì)模型中符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的尺寸公差可以不用標(biāo)注，但是在零件檢測過程中，測量的真值需要與檢測模型的理論值進(jìn)行比較，從而判斷其超差情況。所以，對(duì)于檢測來說所有檢測尺寸的公差數(shù)據(jù)都需要在模型中進(jìn)行標(biāo)注。根據(jù)公差標(biāo)準(zhǔn)建立標(biāo)準(zhǔn)公差數(shù)據(jù)庫，在CAD軟件中提取出檢測模型中的所有未注公差尺寸，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)公差數(shù)據(jù)庫對(duì)未注公差尺寸進(jìn)行自動(dòng)完善，得到包含所有檢測尺寸公差數(shù)據(jù)的檢測模型。

1.2 檢測工藝規(guī)劃

1）檢測目標(biāo)分類與檢測任務(wù)分工

對(duì)于復(fù)雜零件的檢測來說，其檢測特征種類比較多，用一種檢測設(shè)備可能無法完成所有特征的測量。為了充分利用企業(yè)的檢測資源，提高檢測效率，需要對(duì)檢測模型進(jìn)行檢測目標(biāo)分類與檢測任務(wù)分工。如圖4所示，通過整合企業(yè)的檢測資源建立檢測設(shè)備資源庫，建立基于經(jīng)驗(yàn)的檢測任務(wù)分工知識(shí)庫，根據(jù)基準(zhǔn)類別、特征類型、精度等級(jí)等對(duì)檢測模型的檢測目標(biāo)進(jìn)行分類并分配合適的檢測設(shè)備，生成相關(guān)文件，指導(dǎo)檢測現(xiàn)場操作。

圖4 檢測任務(wù)分工

2）檢測基準(zhǔn)定位

在實(shí)際的檢測過程中，大部分零件都需要夾具定位后進(jìn)行測量，為了使檢測過程更加規(guī)范化、流程化，保證檢測工藝規(guī)劃、檢測過程仿真與實(shí)際檢測過程的一致性，需要建立檢測夾具庫，生成裝配信息文件，指導(dǎo)檢測現(xiàn)場操作。

根據(jù)實(shí)際檢測過程中所用的夾具建立夾具模型庫，對(duì)不同的夾具進(jìn)行分類管理，并由特定人員定期維護(hù)，保持夾具庫中的夾具與實(shí)際檢測過程中的夾具同步。在CAD軟件中訪問檢測夾具庫并調(diào)用合適的夾具，與檢測模型進(jìn)行裝配，同時(shí)記錄零件型號(hào)、夾具型號(hào)和裝配約束信息，生成裝配信息文件并推送至檢測現(xiàn)場，檢測人員以此為依據(jù)進(jìn)行夾具選擇與基準(zhǔn)定位。

3）測量路徑規(guī)劃

為檢測目標(biāo)分類并分配測量設(shè)備后，根據(jù)檢測目標(biāo)的特征類型，按照相應(yīng)的布點(diǎn)規(guī)則，在夾具裝夾后的檢測模型上布置測量點(diǎn)，創(chuàng)建測頭角度，根據(jù)各個(gè)測量點(diǎn)的空間位置關(guān)系對(duì)檢測順序進(jìn)行合理規(guī)劃，生成測量路徑。

1.3 檢測工藝仿真

1）過程模擬與路徑優(yōu)化

通過軟件生成的測量路徑可能會(huì)存在干涉，需要在數(shù)字化離線軟件環(huán)境中進(jìn)行仿真驗(yàn)證。通過模擬檢測過程，檢查是否會(huì)產(chǎn)生碰撞、測量設(shè)備超行程等錯(cuò)誤，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)檢測路徑進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，包括調(diào)整測量點(diǎn)布置、調(diào)整測頭角度、添加安全平面、添加安全點(diǎn)等，保證測量過程準(zhǔn)確、安全。

2）程序后處理

不同廠商的測量設(shè)備甚至同一廠商不同型號(hào)的測量設(shè)備所使用的檢測程序格式不盡相同，DMIS標(biāo)準(zhǔn)為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和測量機(jī)設(shè)備間雙向傳遞檢測數(shù)據(jù)提供了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，它制定了用于把檢測程序傳給三坐標(biāo)測量設(shè)備，或者把尺寸和處理數(shù)據(jù)返回給分析、歸檔系統(tǒng)的語法表[6]。

如圖5所示，仿真驗(yàn)證合格后，通過離線編程模塊生成標(biāo)準(zhǔn)DMIS格式的檢測程序，根據(jù)不同測量設(shè)備的格式要求開發(fā)后處理器，將其轉(zhuǎn)換成各個(gè)測量設(shè)備所能識(shí)別的數(shù)據(jù)格式，從而驅(qū)動(dòng)測量設(shè)備進(jìn)行測量。這種方法的優(yōu)勢在于能夠在保留檢測設(shè)備原有的軟件系統(tǒng)情況下，實(shí)現(xiàn)原有系統(tǒng)和外界進(jìn)行符合DMIS標(biāo)準(zhǔn)的雙向數(shù)據(jù)交流，并且投入少，開發(fā)周期短，非常適合對(duì)原有測量設(shè)備的系統(tǒng)升級(jí)和技術(shù)改造。

圖5 程序格式轉(zhuǎn)換

1.4 檢測工藝審簽

審簽是檢測過程不可缺少的環(huán)節(jié)，通過檢測工藝審簽可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)由于疏忽或經(jīng)驗(yàn)不足，引起的檢測模型、檢測工藝規(guī)劃以及技術(shù)文件等方面的錯(cuò)誤和缺陷，并反饋至上游進(jìn)行修改完善，保證了檢測過程的規(guī)范性，有效提高檢測效率和檢測質(zhì)量。

通過建立審簽?zāi)０澹贸绦蛱崛z測過程的相關(guān)信息，如模型可檢測性分析結(jié)果、檢測工藝規(guī)劃結(jié)果、檢測工藝仿真結(jié)果等以特定格式放入審簽?zāi)０逯?，推送至審簽部門進(jìn)行審簽，若審簽合格則將相關(guān)信息以零件型號(hào)為單位進(jìn)行編號(hào)并推送至檢測現(xiàn)場，若不合格則反饋至上游進(jìn)行修改。

1.5 檢測實(shí)施與結(jié)果表達(dá)

檢測現(xiàn)場根據(jù)審簽結(jié)果，提取對(duì)應(yīng)零件編號(hào)的檢測文件，選擇夾具并對(duì)零件進(jìn)行定位，調(diào)用對(duì)應(yīng)的檢測程序驅(qū)動(dòng)測量設(shè)備實(shí)施測量。測量設(shè)備測量的實(shí)際結(jié)果是被測零件各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值，根據(jù)企業(yè)的具體要求，制作不同的檢測報(bào)告模板，將檢測數(shù)據(jù)按照模板格式導(dǎo)入，生成檢測評(píng)價(jià)報(bào)告。

同時(shí)，將測量設(shè)備的檢測結(jié)果數(shù)據(jù)返回至CAD軟件中，以標(biāo)注的形式附加在檢測模型的對(duì)應(yīng)特征上，并與檢測模型的理論值進(jìn)行比較，根據(jù)比較后的超差程度將標(biāo)注設(shè)置為不同的顏色，相關(guān)數(shù)據(jù)可以與檢測模型一同保存，從而實(shí)現(xiàn)檢測結(jié)果的可視化表達(dá)，更加直觀地顯示出零件各個(gè)檢測目標(biāo)的超差情況。

圖6 檢測工藝流程

1.6 產(chǎn)品質(zhì)量分析

基于MBD的數(shù)字化檢測技術(shù)可以不依賴零件實(shí)體，通過檢測模型即可實(shí)現(xiàn)檢測夾具的裝夾、檢測工藝規(guī)劃、檢測程序的編制和仿真并推送至檢驗(yàn)現(xiàn)場，實(shí)現(xiàn)了在線生產(chǎn)與線外檢驗(yàn)的并行進(jìn)行，從而大大縮短了首件檢驗(yàn)時(shí)間。同時(shí)，建立檢測結(jié)果數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)過程控制（SPC）分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)超差結(jié)果的實(shí)時(shí)預(yù)警與超差分析。

對(duì)于通過首件檢驗(yàn)或成熟產(chǎn)品的加工，可以在正常加工過程中按相應(yīng)的頻次實(shí)施抽檢，或者由于加工中生產(chǎn)要素的異常變化對(duì)工件進(jìn)行復(fù)檢，就能夠做到加工過程中的超差預(yù)警，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線不停機(jī)的線外檢驗(yàn)控制。

1.7 數(shù)據(jù)傳遞與管理

在數(shù)字化檢測環(huán)境下，MBD檢測模型是所有檢測信息的載體，同時(shí)也是實(shí)施檢測的主要甚至是唯一的理論依據(jù)。將檢測過程各個(gè)階段的信息，如模型可檢測性分析結(jié)果、檢測工藝規(guī)劃結(jié)果、檢測工藝仿真結(jié)果等以特定格式附加在檢測模型上，從而實(shí)現(xiàn)檢測信息的無紙化傳遞。同時(shí)，開發(fā)數(shù)據(jù)接口與企業(yè)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（PDM）進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)檢測信息文件的存檔與讀取，以及對(duì)知識(shí)庫的維護(hù)管理。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

本項(xiàng)目結(jié)合某航空企業(yè)檢測技術(shù)現(xiàn)狀，以產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型和制造過程中的三維工序模型為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，以NX/UG和PC-DMIS為軟件基礎(chǔ)，通過二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)基于MBD的數(shù)字化檢測工藝系統(tǒng)，檢測工藝流程如果6所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示，部分操作界面如圖8所示。

圖7 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖8 系統(tǒng)操作界面

通過該系統(tǒng)的應(yīng)用，企業(yè)打通了基于模型驅(qū)動(dòng)的檢測環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了在線生產(chǎn)與線外檢驗(yàn)的并行進(jìn)行，提高了企業(yè)檢測資源的利用率，使檢驗(yàn)流程更加規(guī)范化、簡單化，顯著縮短了檢測周期。運(yùn)用檢測模型作為檢測的唯一依據(jù)，將產(chǎn)品信息的識(shí)別讀取由二維圖紙轉(zhuǎn)變?yōu)槿S模型，由人工輸入變?yōu)樽詣?dòng)讀取，減少了人為干預(yù)的錯(cuò)誤，提高了檢測質(zhì)量。檢測結(jié)果數(shù)據(jù)以圖形化的檢測報(bào)告和可視化的檢測結(jié)果模型來表達(dá)，更加詳實(shí)、直觀，使質(zhì)量數(shù)據(jù)信息的傳遞、反饋與管理更加方便。

3 結(jié)束語

基于MBD的數(shù)字化檢測技術(shù)能夠有效提高企業(yè)檢測設(shè)備利用率，實(shí)現(xiàn)在線生產(chǎn)與線外檢驗(yàn)的并行進(jìn)行，使檢測工藝由二維轉(zhuǎn)變?yōu)槿S，顯著縮短產(chǎn)品檢測周期，提高檢測效率與檢測質(zhì)量，是企業(yè)數(shù)字化發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，也是檢測技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。本文研究了基于MBD的數(shù)字化檢測工藝系統(tǒng)的技術(shù)體系與實(shí)現(xiàn)途徑，根據(jù)某航空企業(yè)檢測技術(shù)現(xiàn)狀，提出了一套完整的基于MBD的數(shù)字化檢測方案，以NX/UG為平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)整合企業(yè)現(xiàn)有檢測資源實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，在企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用中取得了良好效果，對(duì)數(shù)字化檢測技術(shù)的發(fā)展具有一定的理論和實(shí)際意義。

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