陳彥林，林 源，鄧博文

(西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

采用新的基于模型定義(MBD)技術(shù)和全三維下廠模式開展發(fā)動機數(shù)字化協(xié)同研制后，傳統(tǒng)的二維紙質(zhì)工程圖被數(shù)字化的三維模型所取代，三維模型作為產(chǎn)品信息的唯一源頭和設(shè)計制造信息傳遞的唯一載體，已成為工程分析、數(shù)字模裝、工裝設(shè)計、工藝規(guī)劃、數(shù)控編程等后續(xù)工作的主要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，也是最終生產(chǎn)制造的唯一依據(jù)，因此三維模型的質(zhì)量在發(fā)動機研制過程中顯得越來越重要。但是，在發(fā)動機數(shù)字化協(xié)同設(shè)計過程中，由于設(shè)計人員的設(shè)計習慣不同、設(shè)計水平參差不齊、對CAD軟件熟悉程度不同等原因，造成三維模型的質(zhì)量存在缺陷，這些缺陷可能會在后續(xù)應(yīng)用過程中產(chǎn)生大量衍生問題，并最終影響到發(fā)動機產(chǎn)品的質(zhì)量。比如曲面上某處的曲率過小，將使后續(xù)的數(shù)控加工不能正常進行。

本文以全數(shù)字化液體火箭發(fā)動機三維模型為對象，研究并開發(fā)了三維模型質(zhì)量檢查系統(tǒng)，大幅提高三維模型審查效率的同時，幫助審查人員盡早發(fā)現(xiàn)三維模型質(zhì)量缺陷，減少由此引起的設(shè)計反復，促進發(fā)動機三維模型設(shè)計質(zhì)量的提升，確保三維模型質(zhì)量滿足后續(xù)工作要求。

1 目前三維模型檢查存在的問題

傳統(tǒng)的工程圖樣以投影法為基礎(chǔ)來表達一個產(chǎn)品的設(shè)計模型，在圖紙上用線條定義出產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸，用標注、符號和文字來說明工藝指令信息。

與二維圖紙相比，采用MBD方法建立的三維模型表達的信息更加豐富，能夠完整地表達產(chǎn)品定義所需要的信息，不僅包括形狀輪廓、結(jié)構(gòu)尺寸等幾何信息，還包括工藝路線、技術(shù)要求、三維標注等非幾何信息，由此造成三維模型的數(shù)據(jù)量劇增。

目前，針對三維模型的質(zhì)量檢查，采用的還是與二維圖紙一樣的人工方式進行檢查，不僅大幅增加了檢查人員的工作量，降低了檢查效率，尤其進行批量三維模型檢查時，檢查人員難以及時完成檢查，影響了發(fā)動機產(chǎn)品的研制進度。同時，幾何級別的問題如小曲率半徑、微小元素、破面、隱藏特征、多余實體等人工難以檢查。

因此，傳統(tǒng)的人工方式檢查方式存在很大的局限性，難以滿足快速、高效、高精度檢查三維模型質(zhì)量的要求，難以保證三維模型的質(zhì)量滿足型號產(chǎn)品研制需要。

2 三維模型質(zhì)量檢查內(nèi)容與規(guī)則

2.1 檢查內(nèi)容

三維模型的數(shù)據(jù)質(zhì)量體現(xiàn)在構(gòu)成三維模型的幾何數(shù)據(jù)的質(zhì)量和三維數(shù)字化設(shè)計的規(guī)范性上。幾何數(shù)據(jù)質(zhì)量主要指三維模型中的幾何要素、特征、基準等設(shè)計要素的表達正確性、合理性，具體內(nèi)容包括曲線質(zhì)量、曲面質(zhì)量和拓撲關(guān)系。三維模型幾何數(shù)據(jù)質(zhì)量直接影響模型在不同格式轉(zhuǎn)換中的正確性。設(shè)計規(guī)范性主要指建模的過程、模型表達方式、標注方式、顯示方式等與企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計過程中執(zhí)行的相關(guān)標準規(guī)范的符合性。規(guī)范的數(shù)據(jù)使工程師之間有了統(tǒng)一的語言進行溝通交流，減少了設(shè)計和制造過程中的差錯，提高了模型的質(zhì)量，減少了設(shè)計反復。

通過對三維模型設(shè)計規(guī)范性和幾何數(shù)據(jù)質(zhì)量標準具體內(nèi)容的分析整理，確定液體火箭發(fā)動機產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件三維模型的質(zhì)量檢查內(nèi)容如下：

1)三維模型幾何/拓撲數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查

幾何質(zhì)量檢查主要對微小元素、微小線段、微小面片、退化的幾何、無效的實體、孤立邊或曲面、不連續(xù)的曲面、曲面波動、曲率半徑過大、自相交曲線(面)等缺陷進行檢查，拓撲檢查主要對懸面、懸邊、曲面裂縫、反向的法向、邊緣方位不一致等缺陷進行檢查。

2)基于特征的模型規(guī)范性檢查

對三維模型中的各類特征，包括形狀特征、基準特征、外部特征、坐標系等特征定義完整性、建模規(guī)范性、結(jié)構(gòu)工藝性等進行檢查。

3)模型屬性和三維標注檢查

模型屬性檢查完成對模型屬性如名稱、代號、階段、所屬產(chǎn)品、版本等是否填寫、填寫是否規(guī)范的檢查。

三維標注檢查主要完成尺寸、形位公差、基準、表面粗糙度以及其它特殊符號的標注檢查，包括標注方式檢查、標注視圖組織方式檢查、標注完整性檢查、標注的幾何特征關(guān)聯(lián)性檢查、尺寸真實性檢查等。

4)裝配模型檢查

在部組件設(shè)計中，零部件之間的配合關(guān)系對于產(chǎn)品的可裝配性有著重要影響。裝配模型檢查針對組件裝配時，對裝配過程中的定位方式、配合形式、配合尺寸等進行檢查。

2.2 檢查規(guī)則

三維模型的質(zhì)量檢查依據(jù)一定的檢查規(guī)則進行，檢查規(guī)則規(guī)定了三維模型質(zhì)量檢查的項目、判定條件和報警級別。因此，制定良好的檢查規(guī)則是開展三維模型質(zhì)量檢查的關(guān)鍵所在。

發(fā)動機三維模型質(zhì)量檢查規(guī)則依據(jù)三維模型質(zhì)量檢查的內(nèi)容、在消化吸收國內(nèi)外基于MBD的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計標準規(guī)范的基礎(chǔ)上、結(jié)合液體火箭發(fā)動機的研制實際進行制定。主要包括幾何數(shù)據(jù)質(zhì)量要求和三維模型規(guī)范化設(shè)計要求兩個方面的內(nèi)容。

三維模型幾何數(shù)據(jù)質(zhì)量要求從幾何角度保證三維模型的質(zhì)量滿足產(chǎn)品設(shè)計要求，比如短邊、銳邊、曲率不連續(xù)性、兩邊之間的小夾角等。三維模型規(guī)范化設(shè)計要求從三維建模規(guī)范性角度提出檢查要求，主要包括模板使用、參數(shù)設(shè)置、建模規(guī)范、加工制造要求等內(nèi)容，比如零件厚度、間隙、拔模角度等。

每一條檢查規(guī)則由檢查項、判定值、錯誤級別構(gòu)成。檢查項一般涵蓋如下內(nèi)容：1)檢查項的標識；2)檢查項的功能說明；3)檢查結(jié)果處理方法；4)檢查項的判定準則。

三維模質(zhì)量型檢查規(guī)則按照零件與組件的使用范圍可分為公用檢查項、零件檢查項、組件檢查項三類，具體見表1。

表1 三維模型質(zhì)量檢查規(guī)則內(nèi)容

判定準則通過設(shè)定檢查項的判定值實現(xiàn)，判定值一般分為兩類：1)定性類判定值，即是非類判定值；2)定量類判定值，即可以定量描述的判斷值，如最小曲線半徑等。

按錯誤對設(shè)計的影響程度，檢查項的錯誤級別一般分為三級：1)錯誤：嚴重影響后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計，不允許存在此類錯誤；2)警告：對后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計影響較小，允許在一定時間內(nèi)出現(xiàn)，但數(shù)量應(yīng)受限制；3)信息：對后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計沒有影響。

3 三維模型質(zhì)量檢查系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)

3.1 總體框架

三維模型質(zhì)量檢查系統(tǒng)主要由前臺的客戶端和后臺的管理端以及服務(wù)端三部分組成，總體框架如圖1所示。

圖1 三模型檢查系統(tǒng)總體框架Fig.1 General framework of inspection system for 3D model

客戶端供檢查人員進行三維模型質(zhì)量檢查時使用，與Pro/E4.0(Creo2.0)緊密集成，主要由檢查控制組件、CAD通道組件、檢查器組件、檢查執(zhí)行組件等組成。檢查控制組件是客戶端的核心模塊，它訪問企業(yè)標準數(shù)據(jù)庫，動態(tài)加載CAD通道組件和檢測器組件并完成實例化。CAD通道組件是檢查器組件與具體CAD平臺(UG/CATIA/PROE)之間溝通的橋梁。檢查器組件完成檢查集設(shè)置、執(zhí)行檢測、獲得修復能力、執(zhí)行修復，與具體CAD平臺無關(guān)，通過CAD通道組件完成最終檢查。檢查執(zhí)行組件提供用戶交互界面，內(nèi)嵌在CAD軟件中，提供錯誤部位高亮、部分錯誤修復功能。

管理端允許管理員對企業(yè)標準、檢查規(guī)則、錯誤等級進行管理，進行系統(tǒng)授權(quán)，并對檢查結(jié)果進行統(tǒng)計分析。

服務(wù)端保存企業(yè)建模標準、檢查規(guī)則和檢查結(jié)果，并為客戶端和管理端提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)。

3.2 功能結(jié)構(gòu)

三維模型質(zhì)量檢查系統(tǒng)由系統(tǒng)管理、檢查規(guī)則管理、模型檢查和檢查結(jié)果生成四大功能模塊組成，其功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 軟件系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)Fig.2 Function structure of software system

1)系統(tǒng)管理：對支撐系統(tǒng)運行的底層的標準規(guī)范和材料信息進行維護，并對系統(tǒng)的用戶進行管理，并按用戶進行相應(yīng)的授權(quán)。

2)檢查規(guī)則管理：根據(jù)檢查對象的不同，選取所需的檢查項目，設(shè)定檢查項目的判定值，創(chuàng)建和維護三維模型數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查規(guī)則集，以便執(zhí)行檢查時調(diào)用。

3)模型檢查：根據(jù)加載的檢查規(guī)則集開展三維模型檢查，用戶可以在三維模型處于打開狀態(tài)的交互模式下執(zhí)行檢查，也可以在保存模型或再生模型時自動檢查。同時可以高亮顯示錯誤部位，并自動修復部分錯誤。

4)檢查結(jié)果生成：檢查完畢，系統(tǒng)自動對錯誤進行統(tǒng)計分析，生成檢查結(jié)果，為加強規(guī)范化設(shè)計培訓提供依據(jù)。檢查結(jié)果可以導出為Excel文件，方便日后查看。

3.3 運行流程

用戶使用三維CAD工具完成建模后，根據(jù)零件(組件)模型的不同，加載不同的檢查集，通過檢查器組件和CAD通道組件開展模型檢查，根據(jù)檢查結(jié)果高亮顯示錯誤部位并進行部分修復，并生成錯誤統(tǒng)計分析結(jié)果。軟件系統(tǒng)的運行流程如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)的運行流程Fig.3 Running process of software system

3.4 系統(tǒng)開發(fā)

本系統(tǒng)以商品化Pro/E4.0(Creo2.0)為平臺，基于PTC公司提供的Pro/Toolkit二次開發(fā)工具包，采用Visual Studio 2010工具進行開發(fā)。數(shù)據(jù)庫為Microsoft SQL Server 2010。整個系統(tǒng)支持Windows XP Professional及Windwos 7。

4 三維模型質(zhì)量檢查系統(tǒng)應(yīng)用

三維模型檢查系統(tǒng)由客戶端、管理端和服務(wù)端三部分組成，管理端和服務(wù)端在后臺運行，負責檢查規(guī)則管理、檢查結(jié)果統(tǒng)計分析和數(shù)據(jù)存儲與訪問，客戶端在前臺運行，負責檢查規(guī)則執(zhí)行。

系統(tǒng)管理員根據(jù)發(fā)動機的不同要求創(chuàng)建不同的模型檢查規(guī)范，設(shè)計人員和檢查人員通過檢查規(guī)范對三維模型進行檢查，管理人員可以統(tǒng)計每個部門在相應(yīng)時間段發(fā)生不規(guī)范數(shù)據(jù)的情況，并形成三維模型檢查報告。

4.1 檢查規(guī)則集管理

針對不同類型的發(fā)動機，結(jié)合設(shè)計規(guī)范，根據(jù)被檢查的零部件的不同特性選擇不同的檢查項，并設(shè)定合適的判定值和錯誤級別，構(gòu)建相應(yīng)的檢查規(guī)則集，供設(shè)計人員和審查人員選用。如圖4所示。

圖4 三維模型檢查規(guī)則集管理Fig.4 Management of inspection rule set for 3D model

4.2 檢查規(guī)則集執(zhí)行

系統(tǒng)管理員配置好三維模型檢查規(guī)則集后，設(shè)計和檢查人員就可以在Pro/E環(huán)境打開三維模型進行三維模型檢查，三維模型檢查如圖5所示。三維模型檢查功能主要包括：

1)三維模型檢查集設(shè)置。檢查集主要根據(jù)不同型號的發(fā)動機進行分類，設(shè)計和檢查人員可以根據(jù)三維模型所屬產(chǎn)品選擇相應(yīng)的檢查集進行檢查。

2)錯誤信息查看。設(shè)計和檢查人員點擊每個錯誤數(shù)據(jù)項查看錯誤的詳細信息，系統(tǒng)會顯示錯誤的詳細內(nèi)容。

3)錯誤修復。對于三維模型參數(shù)錯誤或缺少問題，可以通過三維模型檢查系統(tǒng)進行參數(shù)值的快速修改。

4)檢查結(jié)果查詢。模型檢查系統(tǒng)提供檢查結(jié)果過濾篩選功能，可以按錯誤等級進行篩選，便于對檢查結(jié)果進行分類查看。

圖5 三維模型檢查結(jié)果Fig.5 Inspection result of 3D model

4.3 檢查結(jié)果統(tǒng)計分析

三維模型檢查完成后，可以對檢查結(jié)果進行統(tǒng)計分析。統(tǒng)計分析報告分為四個類型：問題檢查項比例統(tǒng)計、問題檢査項數(shù)目趨勢分析、出錯率趨勢分析和出錯率對比分析，管理人員可以查看歷史不規(guī)范數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，對于普遍存在、出現(xiàn)頻率高的錯誤問題，可以開展有針對性的培訓予以解決。三維模型檢查統(tǒng)計分析如圖6所示。

圖6 三維模型檢查分析報告Fig.6 Analysis report 3D model inspection

4.4 應(yīng)用效果分析

三維模型質(zhì)量檢查系統(tǒng)在重型發(fā)動機研制過程中得到了廣泛應(yīng)用，通過前臺“人機交互”的方式運行，模型數(shù)據(jù)質(zhì)量“事后檢查”與“實時監(jiān)測”相結(jié)合，實現(xiàn)了對模型數(shù)據(jù)的自動化檢查，達到了以下的應(yīng)用效果：

1)在三維模型檢查系統(tǒng)中固化數(shù)字化設(shè)計相關(guān)標準要求以及設(shè)計經(jīng)驗；

2)應(yīng)用檢查規(guī)則集減少人工主觀因素對模型質(zhì)量的影響，統(tǒng)一三維模型的檢查標準；

3)驗證三維模型是否符合相關(guān)標準和規(guī)范，減少因三維建模不規(guī)范等低層次問題對模型進行頻繁的更改；

4)利用模型自動化檢查工具，降低時間和人力成本，提高三維模型的檢查效率；

5)提供廠所間數(shù)據(jù)交換一致性檢驗的有效手段，提高廠所間數(shù)據(jù)傳遞的質(zhì)量和效率。

5 結(jié)論及展望

針對目前人工檢查三維模型質(zhì)量存在的問題研究并開發(fā)了三維模型質(zhì)量檢查系統(tǒng)，并在重型發(fā)動機研制過程中進行了應(yīng)用，實現(xiàn)了三維模型數(shù)據(jù)質(zhì)量的自動化檢查，盡早發(fā)現(xiàn)和避免三維建模過程中出現(xiàn)的各種問題，保證發(fā)動機三維模型的規(guī)范性、正確性，提高三維模型的審查效率，減少由于模型質(zhì)量問題引起的設(shè)計反復，確保三維模型滿足后續(xù)智能制造要求，縮短產(chǎn)品的研制周期。

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