王 凱

(中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，四川 廣漢 618307)

0 引言

隨著MBD技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，在飛機(jī)研發(fā)過(guò)程中，零件的三維模型成為唯一的數(shù)據(jù)來(lái)源。零件三維模型的質(zhì)量決定了整個(gè)飛機(jī)研發(fā)制造過(guò)程的數(shù)據(jù)流通性，并決定了最終零件的質(zhì)量。為了保證零件三維模型的質(zhì)量，需要建立一套能夠包含飛機(jī)制造各個(gè)過(guò)程規(guī)范要求的質(zhì)量檢查體系，同時(shí)應(yīng)該具有可定制性，滿(mǎn)足不同零件模型的檢查需求[1]。

在國(guó)內(nèi)外的航空制造領(lǐng)域，零件三維模型的質(zhì)量控制一直是企業(yè)的核心前沿技術(shù)。隨著MBD技術(shù)的發(fā)展，零件三維模型包含的信息越來(lái)越多，其地位和作用越來(lái)越大，在很大程度上影響最終飛機(jī)的質(zhì)量和研發(fā)周期。國(guó)外很多航空企業(yè)，MBD技術(shù)發(fā)展已經(jīng)很成熟，與之配套的零件三維模型質(zhì)量檢查技術(shù)也很完善[2]。像空客公司，基于CATIA進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，研制了比較完整的相關(guān)技術(shù)[3]。但是，由于此相關(guān)領(lǐng)域是企業(yè)核心技術(shù)，實(shí)行技術(shù)封鎖。鑒于國(guó)內(nèi)大飛機(jī)制造的發(fā)展現(xiàn)狀，急需配套與之發(fā)展相匹配的零件三維模型質(zhì)量檢查技術(shù)，同時(shí)便于普及推廣[4]。

零件三維模型的檢查是一個(gè)典型的多指標(biāo)多層次的綜合評(píng)價(jià)問(wèn)題，評(píng)價(jià)指標(biāo)往往具有不確定性和主觀性。對(duì)于這類(lèi)問(wèn)題，應(yīng)該把模糊的描述進(jìn)行量化。為此，建立了零件三維模型的多目標(biāo)多層次綜合評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型——基于MBD的檢查模板。此檢查模板包含了飛機(jī)研發(fā)過(guò)程的各個(gè)層次的規(guī)范要求，既可以滿(mǎn)足同一個(gè)零件三維模型的不同的檢查需求，也可以滿(mǎn)足不同零件模型的檢查需求。

1 飛機(jī)零件三維模型規(guī)范樹(shù)的建立

飛機(jī)的研制過(guò)程必須經(jīng)歷零件設(shè)計(jì)、工藝/工裝設(shè)計(jì)、零件制造和檢驗(yàn)檢測(cè)等重要環(huán)節(jié)[5]，而各個(gè)階段的基礎(chǔ)都是零件三維模型，各階段派生出的數(shù)據(jù)模型都是基于零件設(shè)計(jì)模型，并相應(yīng)的產(chǎn)生各個(gè)階段的子模型。各部門(mén)的人員相互協(xié)作完成零件的研發(fā)和制造，提高設(shè)計(jì)模型的品質(zhì)、可制造性以及經(jīng)濟(jì)性，具體的流程如圖1所示。

圖1 基于MBD的數(shù)字化制造流程

在零件設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員根據(jù)需求計(jì)劃進(jìn)行MBD三維模型的設(shè)計(jì)，建立零件工程BOM，并進(jìn)行發(fā)布。在工藝及工裝設(shè)計(jì)階段，工藝設(shè)計(jì)部門(mén)不斷地進(jìn)行工藝分析，同時(shí)不斷地向設(shè)計(jì)部門(mén)反饋適時(shí)的工藝審查意見(jiàn)。工裝設(shè)計(jì)部門(mén)根據(jù)上游提出的要求和上游傳遞過(guò)來(lái)的零件模型進(jìn)行工裝設(shè)計(jì)。在零件制造階段，制造部門(mén)根據(jù)設(shè)計(jì)方發(fā)布的數(shù)模和工程BOM以及工藝設(shè)計(jì)方發(fā)放的工藝BOM設(shè)計(jì)三維工藝模型，編制裝配大綱以及制造大綱。在零件檢驗(yàn)檢測(cè)階段，檢驗(yàn)檢測(cè)部門(mén)依據(jù)工程BOM、零件設(shè)計(jì)模型和零件工裝設(shè)計(jì)模型來(lái)設(shè)計(jì)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ停⒆罱K完成零件以及工裝的檢驗(yàn)檢測(cè)。

從圖1可以看出，零件的三維模型在制造流程運(yùn)轉(zhuǎn)中形成了4個(gè)主要的子模型，設(shè)計(jì)模型、工藝模型、工裝模型以及檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?。根?jù)零件研發(fā)周期各階段的需要，零件要不斷完善各子模型，做到所有的數(shù)據(jù)都要寫(xiě)到三維模型當(dāng)中。對(duì)于零件的4個(gè)MBD子模型，其包含的信息主要是三維模型加數(shù)據(jù)，不同的是根據(jù)每個(gè)階段建立起的三維模型以及根據(jù)每個(gè)階段的需求寫(xiě)入的數(shù)據(jù)信息[6]。而不管是什么樣的三維模型和數(shù)據(jù)信息，其規(guī)范性要求基本上一致，而這些規(guī)范性要求主要來(lái)自于兩個(gè)方面，一個(gè)是從上自下的規(guī)范性文檔，包括國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及部門(mén)標(biāo)準(zhǔn)，另外一個(gè)是來(lái)自于各個(gè)部門(mén)設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)。最終，建立起的飛機(jī)零件MBD模型規(guī)范樹(shù)如圖2所示。

飛機(jī)零件的MBD模型的定義是在三維模型上對(duì)零件的幾何和非幾何信息進(jìn)行統(tǒng)一的表達(dá)[7]。飛機(jī)零件的MBD模型定義的特點(diǎn)包括，①準(zhǔn)確性：確保飛機(jī)零件的位置、形狀以及誤差的準(zhǔn)確定義；②規(guī)范性：確保零件信息符合行業(yè)和企業(yè)的要求；③可制造性：在設(shè)計(jì)階段就考慮零件的工藝性[8]。其中，飛機(jī)零件的MBD模型是利用結(jié)構(gòu)特征樹(shù)來(lái)管理模型的幾何與非幾何信息，包括零件實(shí)體、外部參考、構(gòu)建幾何、工程幾何、出口控制、標(biāo)記、標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)明、零件說(shuō)明、材料描述、審批狀態(tài)、裝配連接以及標(biāo)注集等。其中基本工藝信息都采用帶有參數(shù)的說(shuō)明形式來(lái)表達(dá)，而占工藝信息大部分的特殊非幾何工藝信息都采用標(biāo)注信息來(lái)表達(dá)[9]。因此，依據(jù)飛機(jī)零件MBD模型的結(jié)構(gòu)特征樹(shù)結(jié)點(diǎn)類(lèi)型，可以把圖2中第四層的規(guī)范性歸納為9個(gè)方面：系統(tǒng)容差的規(guī)范性；圖形屬性的規(guī)范性；詳圖/符號(hào)的規(guī)范性；模型發(fā)放內(nèi)容的規(guī)范性；常規(guī)的規(guī)范性；針對(duì)實(shí)體元素的規(guī)范性；針對(duì)線(xiàn)架和曲面元素的規(guī)范性；圖樣元素的規(guī)范性；通用的規(guī)范性。

2 零件三維模型檢查模板配置技術(shù)

2.1 零件三維模型檢查的決策過(guò)程

基于MBD建立起來(lái)的檢查模板包含了飛機(jī)研發(fā)過(guò)程的各個(gè)層次的規(guī)范要求，可以滿(mǎn)足同一個(gè)零件模型的不同檢查需求，以及不同零件模型的檢查需求。飛機(jī)零件三維模型的質(zhì)量檢查具有多目標(biāo)多層次的特性，其最終的評(píng)判結(jié)果可以設(shè)置成具體的評(píng)價(jià)得分，通過(guò)分系統(tǒng)打分、重復(fù)項(xiàng)均分，得到一個(gè)能夠真實(shí)反映零件三維模型質(zhì)量的評(píng)價(jià)結(jié)果。其決策過(guò)程如下：

定義檢查模板為集合 A ={ A1, A2, …An}，其中Ai代表檢查標(biāo)準(zhǔn)。

定義檢查項(xiàng)的權(quán)重為集合W ={ w1,w2, …wn}；其中wi代表滿(mǎn)足檢查模板中檢查標(biāo)準(zhǔn)Ai的權(quán)重值，同時(shí)所有的權(quán)重值滿(mǎn)足：

(1)

定義待檢查目標(biāo)模型為集合O={O1,O2,…Om}，m≤n。某個(gè)Oi( i ∈{1, 2, 3, … , m } )又由pi個(gè)子目標(biāo)組成, 則記為Oi= { Oi1,Oi2, …Oipi}。對(duì)于待檢查目標(biāo)模型為O，有兩個(gè)基本要素：

①檢查目標(biāo)模型中的一些檢查項(xiàng)可能沒(méi)有，對(duì)于沒(méi)有的檢查項(xiàng)對(duì)應(yīng)的權(quán)重得分直接給予權(quán)重值；

②檢查目標(biāo)模型中的待檢查項(xiàng)又有pi個(gè)子項(xiàng)，每一個(gè)子項(xiàng)滿(mǎn)足對(duì)應(yīng)檢查模板的檢查標(biāo)準(zhǔn)Ai，權(quán)重得分是wi/pi。

對(duì)于待檢查目標(biāo)模型的子集Oi= { Oi1,Oi2, … Oipi}，定義kij為子集合Oi中單一檢查項(xiàng)Oij的決策結(jié)果，代表Oi中第j個(gè)待檢查項(xiàng)是否滿(mǎn)足Ai檢查標(biāo)準(zhǔn)。那么kij可以表達(dá)為：

(2)

用ki代表Oi中不滿(mǎn)足Ai檢查標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)目，那么：

(3)

因此，待檢查目標(biāo)模型的子集Oi中減少的權(quán)重值就是：

(4)

式中，kij為子集合Oi中單一檢查項(xiàng)Oij的決策結(jié)果，wi代表滿(mǎn)足檢查模板中檢查標(biāo)準(zhǔn)Ai的權(quán)重值，pi為某個(gè)Oi( i ∈{1, 2, 3, … ,m} )的子目標(biāo)數(shù)量。

定義檢查綜合得分為F(m，n)，代表待檢查目標(biāo)模型O中所有滿(mǎn)足檢查模板A的權(quán)重總和，那么：

(5)

式中，kij為子集合Oi中單一檢查項(xiàng)Oij的決策結(jié)果，wi代表滿(mǎn)足檢查模板中檢查標(biāo)準(zhǔn)Ai的權(quán)重值，pi為Oi( i ∈{1, 2, 3, … ,m} )的子目標(biāo)數(shù)量。

可以看出F(m，n)的結(jié)果中的核心因素就是kij，代表子集合中單一檢查項(xiàng)的決策結(jié)果。而kij的決策有三種方式：

②數(shù)值范圍決策。比如圓柱折彎圓角半徑，給定數(shù)值范圍(a，b)；

③使用決策文件。比如零件號(hào)的命名規(guī)范，形如123A1234-5的零件號(hào)的命名規(guī)范用正則表達(dá)式為：^[0-9][0-9][0-9][A-Z][0-9][0-9][0-9][0-9][-][0-9]編寫(xiě)成決策文件如下：

BEGIN_BLOCK NOTALLOWED

"^[0-9][0-9][0-9][A-Z][0-9][0-9][0-9][0-9][-][0-9]"

ERROR_MSG

"Root part name does not match with

^[0-9][0-9][0-9][A-Z][0-9][0-9][0-9][0-9][-][0-9]"

END_BLOCK

最終，對(duì)于零件三維模型的決策反饋有兩個(gè)層次：

①為了給零件三維模型的質(zhì)量一個(gè)綜合的評(píng)判，依據(jù)F(m，n)的結(jié)果對(duì)零件三維模型進(jìn)行歸類(lèi)，分為5個(gè)檔次，完全規(guī)范(F(m，n)=1)，非常規(guī)范(0.8≤F(m，n)<1)，一般規(guī)范(0.6≤F(m，n)<0.8)，不規(guī)范(F(m，n)<0.6)。

②在對(duì)零件三維模型進(jìn)行歸類(lèi)后，需要對(duì)其各個(gè)子系統(tǒng)的各個(gè)子項(xiàng)提供決策反饋，這些都寫(xiě)到了決策文件當(dāng)中。

2.2 檢查模板的定義及配置

對(duì)于零件模型的檢查技術(shù)，最關(guān)鍵的就是配置檢查模板。而檢查模板的配置需要考慮零件本身的特點(diǎn)以及上下游企業(yè)或者部門(mén)的要求。采用模塊化、可定制的配置方式，表示出全面的零件模型檢查要素，最終實(shí)現(xiàn)“快速查找-模糊搜索匹配-模板可定制”的檢查模板配置流程，如圖3所示。

圖3 檢查模板配置流程

檢查模板的配置可以針對(duì)零件的某一子模型，也可以同時(shí)檢查多個(gè)子模型；可以從已有的模板繼承和創(chuàng)新，也可以完全重新創(chuàng)建一個(gè)新的模板。企業(yè)可以不斷的豐富自己的檢查模板，最終滿(mǎn)足各種零件的檢查需求。檢查模板的配置過(guò)程是：選擇零件類(lèi)型，然后選擇子模型，包括設(shè)計(jì)模型、工藝模型、工裝模型以及檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如果配置出檢查模板，就可以直接輸出；如果不能滿(mǎn)足需求，就需要?jiǎng)?chuàng)建新的檢查模板：首先，從檢查環(huán)境中檢索已經(jīng)存在的檢查模板的檢查項(xiàng)，如果檢索出來(lái)，那么就可以配置成為新的檢查模板；如果沒(méi)有響應(yīng)的檢查項(xiàng)，就要?jiǎng)?chuàng)建新的檢查項(xiàng)，并配置到新的檢查模板中。

2.3 檢查模板的發(fā)布及應(yīng)用

在配置檢查模板之前，首先要充分全面的分析零件模型特點(diǎn)以及企業(yè)需求。零件模型特點(diǎn)包括零件設(shè)計(jì)信息、零件類(lèi)別、模型類(lèi)別等；企業(yè)需求包括從設(shè)計(jì)到最后生產(chǎn)部門(mén)全環(huán)節(jié)的所有需求，保證零件三維模型滿(mǎn)足各個(gè)階段的使用需求以及數(shù)據(jù)的唯一性。最終形成的檢查模板，是依據(jù)企業(yè)要求和零件特點(diǎn)，形成的一個(gè)規(guī)范集合。各類(lèi)模型設(shè)計(jì)人員、工藝和工裝設(shè)計(jì)人員以及生產(chǎn)加工人員都可以申請(qǐng)使用。

配置好的檢查模板不可以直接使用，需要經(jīng)向上審批，然后發(fā)布。發(fā)布的檢查模板就是企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化文件，檢查人員可以直接從系統(tǒng)中下載并使用。發(fā)布的檢查模板不允許任何人進(jìn)行修改，但可以針對(duì)后期的需求進(jìn)行版本的升級(jí)。發(fā)布之后的檢查模板可以幫助設(shè)計(jì)人員隨時(shí)檢查零件三維模型，其具有一定的約束作用，使得開(kāi)發(fā)人員的工作標(biāo)準(zhǔn)化。具體的發(fā)布流程如圖4所示。

圖4 檢查模板發(fā)布流程

檢查模板的應(yīng)用過(guò)程如圖5所示，首先輸入零件信息以及零件質(zhì)量要求，進(jìn)行知識(shí)搜索匹配，通過(guò)直接使用發(fā)布的檢查模板或者重新定制并進(jìn)行發(fā)布；然后選擇合適的檢查工具進(jìn)行檢查模板的配置；最后進(jìn)行檢查，輸出檢查結(jié)果，進(jìn)行修改或者反饋。

圖5 檢查模板的應(yīng)用流程

檢查模板的使用是基于檢查工具的，檢查人員針對(duì)不同的建模三維軟件進(jìn)行檢查模板的一一配置。在配置好檢查模板之后輸入到檢查工具當(dāng)中，并針對(duì)具體的零件進(jìn)行檢查的實(shí)施。經(jīng)過(guò)發(fā)布的檢查模板檢查之后的零件如果出現(xiàn)問(wèn)題就具有約束效用，可以使設(shè)計(jì)人員在最初階段及時(shí) 發(fā)現(xiàn)零件三維模型的質(zhì)量問(wèn)題，并進(jìn)行修改，保證了零件三維模型在各部門(mén)的流轉(zhuǎn)過(guò)程中的貫通。

3 結(jié)論

重點(diǎn)研究了零件MBD模型的分類(lèi)、定義要求及規(guī)范性，設(shè)計(jì)了多目標(biāo)多層次的零件三維模型質(zhì)量檢查的決策過(guò)程，提出了“快速查找-模糊搜索匹配-模板可定制”的檢查模板配置流程，針對(duì)零件模型檢查的多樣性及模糊性建立了完整的檢查模板“配置-發(fā)布-應(yīng)用”體系。目前，已經(jīng)根據(jù)實(shí)際調(diào)研情況，基于各專(zhuān)業(yè)廠的不同需求以及一些通用性要求定制了一些檢查模板，包含數(shù)控廠、復(fù)材廠、鈑金廠、部裝廠以及總裝廠等專(zhuān)業(yè)廠的模型檢查模板，驗(yàn)證了技術(shù)的可行性。

DOI:10.1108/aeat.2004.12776cab.014.