（中國航發(fā)上海商用航空發(fā)動機制造有限責(zé)任公司，上海 201306）

民用航空發(fā)動機作為高度復(fù)雜熱力機械動力裝備，其系統(tǒng)集成度高、結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜、安全性和經(jīng)濟性指標(biāo)要求高、對質(zhì)量和可靠性追求極致，這要求民用航空發(fā)動機的全生命周期都要實行質(zhì)量的可追溯性。傳統(tǒng)基于紙質(zhì)媒介流轉(zhuǎn)、人工識圖、手動測量、單點記錄的檢驗?zāi)Ｊ揭蚬ぷ髦貜?fù)率高、效率低、測量一致性低、誤差大、測量數(shù)據(jù)缺乏有效管理、過程狀態(tài)難追溯、歷史數(shù)據(jù)難利用、無法形成有效的質(zhì)量控制閉環(huán)反饋系統(tǒng)等缺陷[1–3]，已不能滿足新型民用航空發(fā)動機制造質(zhì)量保證要求。隨著MBD（Model Based Defnition）技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的推廣和智能制造技術(shù)的迅猛發(fā)展，航空發(fā)動機的研制生產(chǎn)模式發(fā)生了新的變化：在設(shè)計環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了從單一的三維模型到基于模型的全三維化產(chǎn)品定義的轉(zhuǎn)變；在工藝環(huán)節(jié)，從紙質(zhì)的二維手工編制向基于知識的全三維結(jié)構(gòu)化自動設(shè)計方向跨越；在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，已開始逐步實現(xiàn)基于模型的三維裝配工藝[4–5]，并開始研究基于模型的數(shù)字化檢測技術(shù)[6–7]。當(dāng)前，基于模型的數(shù)字化生產(chǎn)方式已開始逐漸在航空發(fā)動機研制過程進行推廣[8]。特別是在中國制造2025 大背景下，航空發(fā)動機及燃?xì)廨啓C作為“百大工程之首”，未來幾年將作為我國制造業(yè)領(lǐng)域的重點突破方向，而基于模型的智能制造模式已成為民用航空發(fā)動機生產(chǎn)方式的發(fā)展趨勢[9–12]。傳統(tǒng)的零部件幾何尺寸檢驗方式已不能適應(yīng)未來民用航空發(fā)動機的生產(chǎn)模式，開發(fā)基于模型的民用航空發(fā)動機幾何尺寸數(shù)字化檢測技術(shù)勢在必行。

目前在基于模型的航空發(fā)動機數(shù)字化檢測技術(shù)研究方面，張露等[6]針對復(fù)雜零件中異型特征位置度無法測量的問題，研究了基于MBD的數(shù)字化檢測解決方案，但僅對基于模型的數(shù)字化檢測技術(shù)進行單點應(yīng)用介紹，缺少對具體的實施過程的詳細(xì)論述，本文在此研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)民用航空發(fā)動機研發(fā)生產(chǎn)模式向基于模型的智能生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變的背景[10–12]，針對民用航空發(fā)動機零部件幾何尺寸檢測環(huán)節(jié)，研究基于MBD模型的數(shù)字化檢測技術(shù)的具體實現(xiàn)過程。

基于模型的幾何尺寸檢測關(guān)鍵技術(shù)

基于模型的民用航空發(fā)動機數(shù)字化檢測技術(shù)研究的主要目的為高效協(xié)同民用航空發(fā)動機設(shè)計、工藝和檢驗等業(yè)務(wù)流程，提高民用航空發(fā)動機正向研發(fā)能力。其核心思想為通過將包含產(chǎn)品制造信息PMI（Product Manufacturing Information）的MBD模型作為單一信息源和連續(xù)載體，實現(xiàn)設(shè)計、工藝和檢驗的高效協(xié)同，提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量管控能力，其總體方案如圖1所示。通過獲取設(shè)計和工藝發(fā)布標(biāo)注PMI的設(shè)計模型和工藝模型，檢測端對模型PMI進行識別、對零件測量特征進行檢測規(guī)劃、對檢測程序進行快速編制、對檢測數(shù)據(jù)進行收集與分析以及報告發(fā)布等，從而形成民用航空發(fā)動機設(shè)計、制造和檢測相貫通的全三維數(shù)字化生產(chǎn)模式。本文重點對模型的PMI識別、檢測路徑創(chuàng)建等開展了研究，并結(jié)合研究開展了面向測量機的代碼編譯和后處理、三維檢測報告發(fā)布以及軟件二次開發(fā)。

1 PMI識別

識別模型中的有效PMI信息是實現(xiàn)基于模型的檢測自動編程的基礎(chǔ)。PMI信息的基本識別流程如下：首先，在識別PMI信息前，需要對設(shè)計模型進行必要的合規(guī)性檢查和規(guī)范化處理，如對幾何特征及其關(guān)聯(lián)的PMI信息進行編號；然后，通過與設(shè)計平臺，如NX軟件共平臺的CMM 模塊，讀取設(shè)計下發(fā)的主模型（含幾何特征和PMI）；最后，利用NXCMM 模塊中的鏈接PMI 功能識別PMI信息及相關(guān)聯(lián)的幾何特征。PMI的識別流程如圖2所示。

識別完成PMI信息及其關(guān)聯(lián)的幾何特征后，便可為對應(yīng)幾何體創(chuàng)建檢測特征和檢測路徑，并通過讀取PMI的公差信息控制框自動為幾何體創(chuàng)建評價信息，為尺寸測量做準(zhǔn)備。

2 檢測路徑創(chuàng)建

檢測路徑創(chuàng)建主要包括測量特征創(chuàng)建、單特征測點規(guī)劃、單特征檢測路徑規(guī)劃、多特征間檢測路徑規(guī)劃和檢測路徑發(fā)布，其創(chuàng)建基本流程如圖3所示。

（1）測量特征創(chuàng)建。

圖1 基于模型的產(chǎn)品質(zhì)量管控Fig.1 Model-based product quality control

圖2 PMI識別流程Fig.2 PMI identification process

圖3 檢測路徑創(chuàng)建流程Fig.3 Creation process of inspection path

在PMI信息識別完成后，通過讀取PMI信息及其關(guān)聯(lián)的幾何特征，可進行測量特征創(chuàng)建?；镜臏y量特征有點、線、面、圓、球和圓柱等幾何元素，以及直線度、平面度、圓度、圓柱度、垂直度、傾斜度、平行度、位置度、對稱度和同心度等形位公差。當(dāng)測量特征創(chuàng)建完成后，下一步需要對測量特征的測點和測量路徑進行規(guī)劃。

（2）單特征測點規(guī)劃。

對于單特征，需要依據(jù)被測特征特點以及尺寸公差的要求，進行測點數(shù)和測點分布的合理規(guī)劃，并在此基礎(chǔ)上依據(jù)測量可達性，選擇合適的測頭。單特征測點規(guī)劃時，應(yīng)綜合考慮各特征的測量精度和效率。此外，對于掃描測量方式，測點的規(guī)劃只需考慮掃描路徑上的起始點、矢量點和終點即可。

（3）單特征檢測路徑規(guī)劃。

對于單一基本幾何元素（如點、線、面、圓等）和單一元素的形位誤差（如直線度公差、平面度公差、圓度公差、圓柱度公差等），其單特征檢測路徑在測點規(guī)劃完成后，通過設(shè)置檢測軌跡樣式，其測點路徑將順次生成。而對于一些較為復(fù)雜的關(guān)聯(lián)元素形位公差（如平行度公差、垂直度公差、傾斜度公差、同軸度公差、對稱度公差、位置度公差等），其單特征檢測路徑需要分別先對兩個關(guān)聯(lián)元素單獨創(chuàng)建測點規(guī)劃，再進行關(guān)聯(lián)元素間檢測路徑規(guī)劃。關(guān)聯(lián)元素間檢測路徑規(guī)劃時，應(yīng)按設(shè)計要求的基準(zhǔn)優(yōu)先順序依次關(guān)聯(lián)。

（4）多特征間檢測路徑規(guī)劃。

通常待測零件上的被檢特征為多個，為使檢測過程安全高效，多特征間檢測路徑規(guī)劃時應(yīng)首先考慮各特征間輪換時測頭與零件和夾具等不發(fā)生干涉，必要時在各特征間設(shè)置安全點，以提高檢測過程的安全性；其次，在保證路徑安全性前提下，多特征間檢測路徑規(guī)劃時應(yīng)考慮距離最短原則，即多特征間檢測路徑之和最小，以提高測量效率，減少測頭在各特征間的轉(zhuǎn)換時間。

（5）檢測路徑發(fā)布。

當(dāng)單特征和多特征檢測路徑創(chuàng)建完成后，為確保整個檢測過程能夠安全高效執(zhí)行，在檢測路徑發(fā)布前還需要進行仿真和優(yōu)化。通過仿真可直觀地檢查各被檢特征的測量路徑是否合理，測頭與機床、工件和夾具間是否干涉。通過仿真還可以對檢測路徑進一步優(yōu)化，在考慮安全性的前提下提高測量效率。

3 代碼編譯和后處理

當(dāng)被測件的檢測路徑創(chuàng)建完成后，需要將其路徑代碼編譯成通用的測量機編程語言，以適應(yīng)不同測量機的要求。DMIS作為當(dāng)前主流的三坐標(biāo)機測量編程語言，可實現(xiàn)跨平臺的調(diào)用。本文以DMIS語言為基礎(chǔ)對檢測路徑代碼進行編譯，同時考慮具體坐標(biāo)測量機的特點開發(fā)相應(yīng)的測量程序后處理模塊。

4 三維檢測報告發(fā)布

為使檢測結(jié)果更加直觀地表達，在MBD模型上直接標(biāo)注檢測結(jié)果信息，形成可視化的三維檢測報告，以提高零件檢測結(jié)果的可讀性。為此，在傳統(tǒng)報告的基礎(chǔ)上，本文進一步研究三維報告輸出形式。其基本思路為通過三維標(biāo)簽的形式和虛擬測點的方式在零件模型中展示對應(yīng)尺寸的檢測信息，單尺寸的三維標(biāo)簽通過指引線的方式和特征關(guān)聯(lián)，如圖4所示。

圖4 三維檢測信息展示Fig.4 3D inspection information show

5 二次開發(fā)

為實現(xiàn)上述過程，本文在VS2015平臺基礎(chǔ)上，結(jié)合NXCMM、VB、Post Builder 等軟件模塊，實施了面向基于模型的數(shù)字化檢測系統(tǒng)的二次開發(fā)，二次開發(fā)流程如圖5所示。

本文通過二次開發(fā)在NXCMM軟件中增加了PMI 鏈接器和后處理功能、測點數(shù)據(jù)分析功能和圖形報告功能。其中PMI 連接器功能集成了PMI信息的識別、檢測路徑規(guī)劃等功能；后處理功能集成了代碼編譯和后處理功能；測點數(shù)據(jù)分析功能和圖形報告功能可完成三維檢測報告的發(fā)布。二次開發(fā)軟件可實現(xiàn)基于模型的檢測路徑規(guī)劃和測量代碼自動生成，降低人員的檢測編程工作強度，顯著節(jié)省檢測編程時間和降低人員編程經(jīng)驗不足帶來的影響。此外，二次開發(fā)軟件還可針對具體零件形成檢測模板，規(guī)范和統(tǒng)一檢測路徑和測量參數(shù)配置，從而提高不同檢測設(shè)備和人員間檢測結(jié)果的一致性。最后，通過與民用航空發(fā)動機產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（Product Data Management，PDM）系統(tǒng)集成，二次開發(fā)軟件可直接從PDM系統(tǒng)中下載設(shè)計模型和工藝模型，并將檢測結(jié)果和報告上傳至PDM系統(tǒng)，既保證了檢測所用模型數(shù)據(jù)與設(shè)計和工藝模型數(shù)據(jù)的統(tǒng)一，又實現(xiàn)了檢測結(jié)果的快速反饋，從而實現(xiàn)設(shè)計與制造間的快速協(xié)同。

案例驗證

1 驗證條件

驗證案例采用某型號核心機滑油軸承腔通風(fēng)管路上的一個典型四通管接頭零件，其設(shè)計模型如圖6所示。四通管接頭是核心機滑油軸承腔通風(fēng)管路上的一類重要零件，主要用于油氣混合物的流通，為了保證管接頭良好的密封性，該類零件對尺寸精度的要求通常較高，因此，有必要對該類零件的加工尺寸進行檢測，以保證零件加工滿足設(shè)計要求。

為驗證所提檢測流程的可行性，借助光固化成型機試制了該四通管接頭。最終成型后的管接頭物理樣件如圖7所示。

選用的測量平臺為復(fù)合式影像測量儀，如圖8所示，該設(shè)備具有光學(xué)影像測量和接觸式探針測量模式，其中接觸式探針測量模式與常規(guī)三坐標(biāo)探針測量模式相同。本文選用該儀器的接觸式探針測量模式，其主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

2 PMI識別

考慮復(fù)合式影像測量儀的實際測量能力，首先對四通管接頭MBD設(shè)計模型的PMI信息進行了一定的甄別，從中選擇了較為典型的測量尺寸，并對選中的尺寸進行相應(yīng)的語法語義檢查和規(guī)范化處理，以保證后續(xù)編程時不會出現(xiàn)因圖紙標(biāo)注錯誤而產(chǎn)生修改。實際選中的四通管接頭設(shè)計模型的測量尺寸及對應(yīng)PMI信息識別后的結(jié)果如圖9所示。

3 檢測路徑創(chuàng)建

為更加直觀地展示檢測路徑規(guī)劃過程，本文構(gòu)建了與實際測量工況相一致的虛擬環(huán)境。實際測量工況如圖10（a）所示。對實際測量工況進行分析，發(fā)現(xiàn)影響測量路徑規(guī)劃的主要因素為測量機測頭、工裝和四通管接頭。為此，本次測量任務(wù)所構(gòu)建的虛擬測量環(huán)境如圖10（b）所示。

設(shè)置完成零件的虛擬檢測環(huán)境后，便可加載零件的編程模板，通過編程模板可為零件指定粗基準(zhǔn)和精基準(zhǔn)，實現(xiàn)零件測量坐標(biāo)系的建立。建立零件測量坐標(biāo)系后，零件在坐標(biāo)測量機中的方位便已確定，在此基礎(chǔ)上通過鏈接PMI 操作，軟件自動識別模型上的PMI信息，并同步完成檢測特征及其檢測路徑的創(chuàng)建，其操作過程如圖11所示。

圖5 二次開發(fā)流程Fig.5 Secondary development process

圖6 四通管接頭設(shè)計模型Fig.6 Design model of four-way pipe joint

圖7 四通管接頭實物樣件Fig.7 Physical sample of four-way pipe joint

圖8 復(fù)合式影像測量儀Fig.8 Composite image measuring instrument

檢測特征及其檢測路徑創(chuàng)建完成后，可依次在列表欄中選擇相應(yīng)的檢測特征及其檢測路徑進行查看和編輯。最后為確保探針在零件不同特征間測量轉(zhuǎn)換時不出現(xiàn)碰撞干涉，還需對整個檢測路徑進行仿真分析。仿真中如果出現(xiàn)探針干涉，探針和干涉對象都將以高亮色顯示，以此進行警告并暫停運行，如圖12所示。最終經(jīng)仿真后發(fā)布的四通管接頭檢測路徑如圖13所示。

4 代碼編譯和后處理

當(dāng)四通管接頭檢測路徑完成發(fā)布后，通過后處理功能，對檢測過程進行編譯后處理。后處理后可生成復(fù)合式影像測量儀能夠識別的DMIS語言代碼。DMIS 代碼程序經(jīng)發(fā)布后即可用于復(fù)合式影像測量儀開展實際測量工作。

5 三維檢測報告發(fā)布

將編譯和后處理生成的測量程序上傳至復(fù)合式影像測量儀控制軟件后，便可開展四通管接頭的尺寸測量。尺寸測量完成后借助數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具直接輸出“.dml”文件，將“.dml”文件加載至NXCMM軟件形成三維報告，如圖14所示。在發(fā)布的四通管接頭三維檢測報告中，軟件通過分析將超出公差要求的測量結(jié)果以紅色顯示，處于合格范圍內(nèi)的測量結(jié)果以綠色顯示，以便檢驗人員更加直觀準(zhǔn)確地掌握零件的檢測結(jié)果。

結(jié)論

本文通過研究PMI識別、基于PMI的檢測路徑創(chuàng)建、代碼編譯和后處理以及三維檢測報告發(fā)布等基于模型的數(shù)字化檢測技術(shù)，并通過軟件二次開發(fā)和某型號發(fā)動機四通管接頭樣件測試，驗證了該技術(shù)在民用航空發(fā)動機零部件幾何尺寸檢測應(yīng)用中的可行性。該技術(shù)具有以下特點：

（1）實現(xiàn)了基于模型的檢測路徑規(guī)劃和測量代碼自動生成，減輕了檢測人員編程工作強度，節(jié)省檢測編程時間和降低人員編程經(jīng)驗不足帶來的影響；

表1 復(fù)合式影像測量儀主要技術(shù)指標(biāo)Table1 Main technical indicators of composite image measuring instrument

圖9 四通管接頭PMI識別結(jié)果Fig.9 PMI identification of four-way pipe joint

圖10 四通管接頭測量環(huán)境Fig.10 Measurement environment of four-way pipe joint

圖11 四通管接頭檢測特征及檢測路徑創(chuàng)建Fig.11 Detection features and detection path creation of four-way pipe joint

（2）可針對具體零件形成檢測模板，規(guī)范和統(tǒng)一檢測路徑和測量參數(shù)配置，從而提高不同檢測設(shè)備和人員間檢測結(jié)果的再現(xiàn)性和一致性；

圖12 碰撞檢測Fig.12 Collision detection

圖13 四通管接頭檢測路徑發(fā)布Fig.13 Release of four-way pipe joint inspection path

圖14 四通管接頭三維檢測報告Fig.14 Three-dimensional inspection report of four-way pipe joint

（3）利用設(shè)計、工藝與檢驗間統(tǒng)一的模型數(shù)據(jù)，利于實現(xiàn)民用航空發(fā)動機設(shè)計與制造間的快速協(xié)同，為后續(xù)基于模型的民用航空發(fā)動機設(shè)計、制造和檢驗一體化生產(chǎn)模式的全面推行奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

不過，本文的研究還僅局限在基于模型的PMI信息識別、檢測路徑規(guī)劃和檢測結(jié)果的三維可視化等幾個方面，還不能全面滿足基于模型的民用航空發(fā)動機設(shè)計、制造和檢驗一體化的需求，后續(xù)還需加強以下3個方面的研究：

（1）MBD模型的深度延用研究，通過對前后端檢測流程的調(diào)研，規(guī)劃定制MBD模型應(yīng)用服務(wù)，拓展MBD模型在民用航空發(fā)動機制造檢測過程中的應(yīng)用深度和廣度；

（2）檢測設(shè)備深度集成研究，通過梳理民用航空發(fā)動機裝配流程所涉及的檢測設(shè)備及儀器，進一步研究基于模型的檢測技術(shù)與不同檢測設(shè)備和儀器的有效集成，以使所涉及的設(shè)備和儀器統(tǒng)一采用基于模型的檢測模式；

（3）設(shè)計、制造和檢驗等信息化管理系統(tǒng)的有效集成研究，以二維圖紙為核心的傳統(tǒng)航空發(fā)動機設(shè)計、制造和檢驗的生產(chǎn)方式已無法滿足民用航空發(fā)動機基于模型的企業(yè)（MBE）和智能工廠建設(shè)需求，未來將逐步向以標(biāo)注PMI的MBD作為唯一核心，以此貫通民用航空發(fā)動機設(shè)計、制造和檢驗全流程的生產(chǎn)模式進行轉(zhuǎn)變，故需將基于模型的檢測技術(shù)更好地集成到企業(yè)設(shè)計、制造和檢驗管理系統(tǒng)中，以便實現(xiàn)設(shè)計、工藝和檢驗的深度融合，以及正向研發(fā)過程的快速迭代。