屈力剛，孫業(yè)翔，葉柏超，蘇長青，楊野光

（沈陽航空航天大學航空制造工藝數字化國防重點學科實驗室，沈陽 110136）

隨著數字化集成制造系統(tǒng)的發(fā)展與應用，數字化檢測技術作為數字化集成制造系統(tǒng)中的重要組成部分，工程需要日益強烈。產品設計模型和制造信息的傳遞方式已從傳統(tǒng)的二維模擬量傳遞向三維數字傳遞方向發(fā)展。隨著MBD技術的深入研究與應用，實現了基于MBD的數字傳遞、數據驅動和模型全信息表達[1-4]。

一般來說，一個企業(yè)所擁有的測量設備資源在一定時期內是相對不變的，被測零件的檢測工藝規(guī)劃都是基于企業(yè)靜態(tài)測量設備資源，結合數字化技術進行設計的[5-6]。與MBD技術相結合，從MBD模型中獲取檢測工序模型，利用三維數學模型進行數字傳遞，實現了數據源的單一化和無紙化，避免了數據源的二義性，保證了測量過程的準確性和效率[7-9]。但是，由于零件的檢測工藝規(guī)劃是基于企業(yè)測量設備資源進行點對點設計的，測量程序對于確定零件具有重復性、可互換性和高效性的特點，這就要求被測零件需要合理利用各種檢測設備資源進行協(xié)同測量，即檢測工藝分工[10-11]。檢測工藝分工規(guī)劃是檢測規(guī)劃程序設計的前提和基礎，對合理利用測量設備資源、保證產品質量和提高檢測效率等具有重要作用。顯然，缺乏合理的檢測工藝分工路線的點對點檢測工藝規(guī)劃設計方法難以滿足基于靜態(tài)測量設備資源配置的實際應用需求[12]。

針對檢測工藝分工規(guī)劃和檢測工藝路線優(yōu)化的問題，在研究了工藝分工概念和關鍵技術的基礎上，結合MBD技術，提出了以檢測成本和檢測時間為約束條件，以檢測速率、特征精度、特征尺寸為檢測變量構造檢測工藝路線函數來求解最優(yōu)檢測工藝路線的方法。結合檢測工藝分析知識庫和企業(yè)測量設備資源，完成檢測工藝分工規(guī)劃的選擇。

數字化檢測工藝分工概念定義

1 測量元素和檢測特征

一般來說，特征是指對特定的活動或應用具有意義的對象[13]。即特征用一種很自然的方式將應用領域相關的知識和對象的表達方法聯系在一起。形狀特征與設計相關，它關注產品的功能性；制造特征與工藝過程相關，它關注零件的工藝性；檢測特征與檢測過程相關，它關注零件的準確性。檢測特征是指產品（零件）制造特征完成加工工藝過程后與設計特征的幾何尺寸、形位公差、表面粗糙度等偏離程度的評價過程。

測量元素是指在測量過程中，由基本幾何元素點、直線、多邊形和圓所構成幾何特征（平面、圓柱面、球面、錐面等）[14]。幾何特征是構成零件的基本單位，幾何特征的加工質量和檢測精度將直接決定零件產品的使用性能和使用壽命。

2 檢測工藝分工規(guī)劃

檢測工藝分工規(guī)劃是指產品或零部件在檢測過程中，由測量準備到檢測完畢的全部檢測工藝過程及其被測特征和測量設備在測量過程中的順序經歷，也稱為檢測工藝分工路線或檢測工藝分工計劃。

在企業(yè)實際生產中，零部件的檢測規(guī)劃過程是：首先對組成產品的零部件的被測特征要求進行分析，形成檢測工藝分工規(guī)劃，然后依據檢測工藝分工規(guī)劃和企業(yè)的檢測資源配置情況和被測零部件的精度要求進行檢測工藝分工（測量設備資源分配），形成檢測工藝規(guī)劃路線并最終推送至現場驅動測量機進行測量。檢測工藝分工規(guī)劃屬于檢測工藝規(guī)劃設計（產品總體工藝設計的一部分），通常由企業(yè)專職工藝工程師和檢測工程師負責完成。

3 物理檢測單元

物理檢測單元（Physical Inspecting Cell，PIC）是指在測量室中相對集中的、能夠協(xié)同完成某種零件檢測工藝規(guī)劃要求的若干臺測量設備的組合。物理檢測單元一般以零件族為基礎進行設計，要求其能夠完成零件族中主要或全部特征的檢測和評價過程。物理檢測單元是測量室中的基本組成單位，即一個測量室可由一個或若干個物理檢測單元組成。以物理檢測單元而不是以測量設備進行檢測能力的描述可以有效地避免檢測能力的重復表達。

4 邏輯檢測單元

邏輯檢測單元（Logical Inspecting Cell，LIC）是指邏輯上可完成某種零件特征的檢測能力的描述。事實上，邏輯檢測單元是根據零件族的典型特征及其檢測要求而確定的一種檢測方法。通常，一個物理檢測單元可對若干種零件特征進行檢測，邏輯檢測單元可將物理檢測單元的檢測能力進行細化，物理檢測單元又可分解為若干邏輯檢測單元。

5 邏輯檢測工藝路線

邏輯檢測工藝路線（Logical Inspecting Process Route，LIPR）表示一個零件在邏輯上所需的全部檢測工藝過程，它是邏輯檢測單元的有序組合。邏輯檢測工藝路線與具體的測量設備資源無關，是零件檢測工藝規(guī)劃路線，描述了零件檢測時的主要檢測工藝路線及檢測能力需求。例如，檢測精度、檢測成本、檢測時間等檢測能力需求信息，是匹配具體的物理檢測單元和測量設備資源優(yōu)化配置的約束條件。邏輯檢測工藝路線是以邏輯檢測單元為基礎進行設計的，是邏輯檢測單元的有序組合，邏輯檢測單元又是對物理檢測單元的檢測能力的描述，在零件檢測工藝規(guī)劃和測量設備資源之間建立起對應關系，為檢測工藝分工路線自動規(guī)劃奠定了基礎。

6 可執(zhí)行檢測工藝路線

可執(zhí)行檢測工藝路線 （Executive Inspecting Process Route，EIPR） 表示一種與物理檢測單元相關聯的可實際應用的檢測工藝規(guī)劃路線?？蓤?zhí)行檢測工藝路線是物理檢測單元經過優(yōu)化后的有序組合，將零件中的被測特征與物理檢測單元進行關聯和優(yōu)化，最終確定可執(zhí)行的檢測工藝路線。它是邏輯檢測工藝路線與零件關聯并優(yōu)化后的結果。

檢測工藝分工過程

通過對上述概念和定義的分析，可將檢測工藝分工過程分為5個主要過程：檢測工序模型的獲取、邏輯檢測工藝路線設計、可執(zhí)行檢測工藝路線生成、檢測工藝路線優(yōu)化和檢測工藝分工規(guī)劃生成，如圖1所示。

圖1 檢測工藝分工過程Fig.1 Inspection process assignment

首先，從MBD模型中獲取檢測信息和檢測工藝要求，建立檢測工藝模型，根據檢測工藝模型與邏輯檢測單元庫設計邏輯檢測工藝路線；其次將邏輯檢測工藝路線中所包含的所有邏輯檢測單元進行映射，生成物理檢測單元。將物理檢測單元進行排序，生成可執(zhí)行檢測工藝路線。一個零件可以生成多個可執(zhí)行檢測工藝路線，根據檢測時間、檢測成本等約束條件，被測特征尺寸、精度等級、測量速度等為測量變量，對檢測工藝路線進行優(yōu)化，得到優(yōu)化后的可執(zhí)行檢測工藝路線；最后，以企業(yè)現有測量設備資源作為檢測工藝分工約束條件，以檢測工藝性分析知識庫為理論支持，以最優(yōu)可執(zhí)行檢測工藝路線為基礎，生成檢測工藝分工規(guī)劃。

檢測工藝分工規(guī)劃設計

零件的信息和企業(yè)（測量室）檢測工藝性是影響零件工藝分工的關鍵因素。檢測工藝模型主要由零件信息和檢測能力兩部分組成，如圖2所示。零件信息主要包括：零件類型、零件中所包含特征類型、材料類型、精度等級、基本尺寸等信息，企業(yè)（測量室）檢測工藝性主要由測量設備、測量方法等因素共同決定。

圖2 檢測工藝模型數據集Fig.2 Inspection process model data set

在對其進行檢測工藝分工時，需在MBD模型中提取其零件信息及企業(yè)（測量室）的檢測工藝性，建立檢測工藝模型并根據檢測工藝模型進行檢測工藝分工，如圖3所示。

圖3 檢測工藝模型Fig.3 Inspection process model

檢測工藝分工是一項經驗性很強的工作，傳統(tǒng)的工藝分工方式在面對數量較多的測量設備資源時，往往存在缺乏動態(tài)性、重復性和可互換性低等問題。因此，為滿足企業(yè)在檢測零件時對檢測工藝規(guī)劃和檢測工藝分工規(guī)劃的需要，采用基于MBD模型和知識庫、資源庫的智能化設計方法，可提高自動化程度，減少對檢測工藝人員的依賴程度[15-16]。

在對被測零件進行工藝分工時，首先需要判斷零件的類型，根據不同的零件類型基于知識庫分析其檢測工藝性，得到邏輯檢測單元并進行合理的排序形成邏輯檢測工藝路線。將組成邏輯檢測工藝路線的邏輯檢測單元進行映射即可到物理檢測單元，將其按照一定順序進行排列即得到可執(zhí)行檢測工藝路線。在生成可執(zhí)行檢測工藝路線后，以企業(yè)現有的測量設備資源作為約束條件，即可得到檢測工藝分工規(guī)劃（路線）（圖4）。

圖4 基于MBD的檢測工藝分工過程Fig.4 Inspection process assignment based on MBD

對于零件的檢測工藝性分析，原理上以企業(yè)所形成的檢測工藝知識庫為基礎，對被測零件的特征、公稱尺寸、材料類型、精度要求、現場環(huán)境等進行綜合分析，得到邏輯檢測單元，邏輯檢測單元的有序集合即組成了邏輯檢測工藝路線。設邏輯檢測單元為CL（i i=1，2，則由邏輯檢測單元的集合可 組 成不同的邏輯檢測工藝路線，即M1，M2，…，Mm。所有邏輯檢測工藝路線可看做是被測零件在測量時的方法集合，即同理，設物理檢測單元為CW（i i=1，2，3，…，s），可得到由物理檢測單元集合所構成的可執(zhí)行檢測工藝路線，即E1，E2，E3，…，Et。物理檢測單元集合E可由所有可執(zhí)行求并集得到，即物理檢測單元集合E亦可看做企業(yè)中測量資源集合。基于物理檢測單元所生成可執(zhí)行檢測工藝路線有很多條，但是由于企業(yè)中物理檢測單元是一定的，故對于企業(yè)來說，E是相對穩(wěn)定且唯一的。隨著企業(yè)對被測零件測量類型和精度要求的提高，為滿足測量需要，可以通過添加物理檢測單元的方式對E進行升級。邏輯檢測單元與物理檢測單元關系如圖5所示。

檢測工藝分工規(guī)劃生成

檢測工藝分工規(guī)劃的選擇和優(yōu)化過程是完成檢測工藝分工過程的核心和關鍵環(huán)節(jié)。檢測工藝分工選擇過程是將所生成最優(yōu)的可執(zhí)行檢測工藝路線進行分析和拆分，獲得其所有的物理檢測單元。用邏輯檢測單元對組成最優(yōu)可執(zhí)行檢測工藝路線的所有物理檢測單元進行描述。以邏輯檢測單元為基礎，測量設備資源為約束條件，進行檢測工藝分工和測量設備資源分配，完成檢測工藝分工規(guī)劃的選擇和制訂。

在可執(zhí)行檢測工藝路線的優(yōu)化過程中，以物理檢測單元為基礎，檢測成本和檢測時間為約束條件，在所獲得的所有可執(zhí)行檢測工藝路線中，選取滿足檢測成本最低和檢測時間最短的檢測工藝路線為最優(yōu)的可執(zhí)行檢測工藝路線，即完成檢測工藝分工路線的優(yōu)化，如圖6所示。

設被測零件測量時測頭運動的路徑總和為L，檢測成本為C，檢測時間為T，被測特征尺寸為d、被測特征精度為τ、測量速度為v。

其中，被測特征所走過的路徑為li（i=1，2，3，…，n），兩特征間所走過的過渡路徑為l01，l12，l23，…，l（k-1）k（k=0，1，2，…，n）。

那么以檢測成本C和檢測時間T為約束條件，以被測特征尺寸d、被測特征精度τ、測量速度v為測量變量，計算測量路徑L的最小值，在所生成的可執(zhí)行檢測工藝路線中進行匹配，即得到最優(yōu)化的檢測工藝路線。

圖5 邏輯檢測單元與物理檢測單元關系Fig.5 Relation between logic inspecting cell and physical inspecting cell

圖6 可執(zhí)行檢測工藝路線優(yōu)化過程Fig.6 Optimization process of EIPR

由于測頭運動路徑總和L、測量成本C以及檢測時間T均可以表示為測量變量的函數，即測量路徑總和函數為L（d，τ，v）、檢測成本函數為C（d，τ，v）、檢測時間函數為T（d，τ，v）。那么以檢測成本C（d，τ，v）和檢測時間T（d，τ，v）為約束函數，求解測量路徑總和L（d，τ，v）的極小值即為最優(yōu)可執(zhí)行檢測工藝路線，即

令F（d，τ，v，λ，μ）分別對測量變量d，τ，v和構造函數參數λ，μ求導，可得到L（d，τ，v）在C（d，τ，v）=0與T（d，τ，v）=0下的極值點，將極值點帶入F（d，τ，v，λ，μ）中即可得到測量路徑最短的優(yōu)化路徑。將所獲得的所有可執(zhí)行檢測工藝路線與最短測量路徑進行匹配，即可得到最優(yōu)的可執(zhí)行檢測工藝路線。

系統(tǒng)結構與功能

基于MBD的數字化檢測系統(tǒng)主要由數據層、系統(tǒng)層、應用層3部分組成。以數據層作為檢測數據來源和理論支撐，在系統(tǒng)層中以可檢測性分析、檢測工藝規(guī)劃、檢測工藝優(yōu)化、檢測工藝審簽、檢測結果管理、檢測現場實施為模塊來完成基于MBD的數字化檢測過程，通過應用層將系統(tǒng)層所實現的功能以模塊化的形式體現在操作界面中，實現人機交互，系統(tǒng)結構如圖7所示。

系統(tǒng)層主要由6部分系統(tǒng)功能模塊和測量設備工作機所組成?？蓹z測性分析模塊主要完成檢測信息提取、模型規(guī)范檢查、未注公差完善、檢測工藝分工等任務。檢測信息提取主要功能是從檢測工藝模型中獲取被測特征和檢測信息；模型規(guī)劃檢查主要實現對模型中提取的檢測信息進行規(guī)范性檢查，對標注不規(guī)范的尺寸進行修改；未注公差完善主要處理在模型中出現的未注公差尺寸，以便測量設備完成測量；檢測工藝分工主要完成從邏輯檢測單元到物理檢測單元的映射和可執(zhí)行檢測工藝路線生成及優(yōu)化，進而完成檢測工藝分工任務，工藝分工過程及結構如圖8、圖9所示。

圖7 基于MBD的數字化檢測系統(tǒng)結構組成Fig.7 Digital inspection system structure based on MBD

圖8 檢測工藝規(guī)劃界面Fig.8 Interface of inspection process planning

圖9 檢測工藝分工結果Fig.9 Inspection process assignment result

結論

為滿足企業(yè)在零件檢測過程中對檢測工藝分工規(guī)劃的需要，在研究了檢測工藝分工概念的基礎上，提出了邏輯檢測單元、物理檢測單元、邏輯檢測工藝路線、可執(zhí)行檢測工藝路線、檢測特征和測量元素等概念。針對檢測工藝分工過程，在考慮企業(yè)中的測量設備資源和檢測工藝分析知識庫的基礎上，采樣以檢測時間和檢測成本為約束條件，檢測速率、被測特征精度、被測特征尺寸為檢測變量，建立檢測工藝路線函數的方法，求解最優(yōu)的檢測工藝路線，在可執(zhí)行檢測工藝路線中進行匹配，確定檢測工藝分工規(guī)劃。

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