杜福洲，郭瑞振，李 群，官 威

（1.北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191；2.滬東重機(jī)有限公司，上海 200129）

0 引言

幾何特性是一組與產(chǎn)品幾何狀態(tài)相關(guān)的特性，是質(zhì)量評(píng)定的重要內(nèi)容，對(duì)產(chǎn)品功能、可靠性等有直接影響，可用來(lái)分析質(zhì)量波動(dòng)及追溯質(zhì)量問(wèn)題源頭，以及為產(chǎn)品驗(yàn)收提供依據(jù)。

目前，國(guó)內(nèi)外已建立了較為完善的產(chǎn)品幾何公差設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)規(guī)范，細(xì)化了產(chǎn)品質(zhì)量保證的具體要求。新一代GPSISO/TS 213針對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造而制定了一系列幾何技術(shù)規(guī)范，從源頭上實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)之間的協(xié)調(diào)與統(tǒng)一[1]。ISO9000[2]系列國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)建立了質(zhì)量管理體系，ISO9001標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)質(zhì)量要求、質(zhì)量管理的具體和細(xì)分，并提出了相應(yīng)的指標(biāo)[3]。隨著GPS的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外針對(duì)產(chǎn)品的形位誤差評(píng)定體系也不斷取得進(jìn)展。英國(guó)的泰勒 霍普森參與了ISO標(biāo)準(zhǔn)的制定，并將相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于圓柱度儀檢測(cè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)[4]。江平宇[5]基于模塊化設(shè)計(jì)思想和優(yōu)化算法，設(shè)計(jì)了幾何公差評(píng)定系統(tǒng)，研究了幾何數(shù)據(jù)分析與CAD系統(tǒng)的集成方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)誤差評(píng)定結(jié)果的可視化。張玉[6]等基于最小二乘方法完成了對(duì)平面度和直線度的誤差評(píng)定，并通過(guò)正交化處理簡(jiǎn)化了求解過(guò)程。卓興仁[7]研究了圓度誤差評(píng)定的4種方法，并進(jìn)行了對(duì)比。

隨著CAD/CAM/CAQ技術(shù)的發(fā)展與深入應(yīng)用，設(shè)計(jì)、制造理論及應(yīng)用技術(shù)也發(fā)生了諸多變化，對(duì)產(chǎn)品幾何特性的檢測(cè)與質(zhì)量評(píng)定提出了新的要求。膝裕昌[8]基于系統(tǒng)工程理念，將模糊數(shù)學(xué)方法應(yīng)用在了工程產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)定問(wèn)題中，構(gòu)建了綜合評(píng)定數(shù)學(xué)模型，并針對(duì)推土機(jī)進(jìn)行了質(zhì)量評(píng)定體系的驗(yàn)證。譚健[9]采用定量與定性評(píng)定相結(jié)合的方法，針對(duì)轉(zhuǎn)向架的裝配工藝質(zhì)量，建立了優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，形成了基于人因仿真的裝配工藝質(zhì)量評(píng)定體系。宋芒果[10]將模糊評(píng)定思想應(yīng)用于DLG數(shù)字產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)定中，確定了評(píng)定指標(biāo)及其重要系數(shù)。

綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)定研究與幾何特性質(zhì)量研究相對(duì)獨(dú)立，較少將幾何特性與產(chǎn)品質(zhì)量要求建立關(guān)聯(lián)，難以從綜合的角度對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定，用于評(píng)定幾何狀態(tài)復(fù)雜且質(zhì)量要求多樣化的產(chǎn)品，有一定的局限性，未能考慮幾何特性與產(chǎn)品質(zhì)量的聯(lián)系，也難以定量描述產(chǎn)品質(zhì)量滿足要求的程度。因此迫切需要合理的評(píng)定方法，既能夠充分體現(xiàn)各幾何特性對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，又能以定量的形式描述產(chǎn)品整體質(zhì)量。本文從多幾何特性出發(fā)，對(duì)產(chǎn)品的綜合質(zhì)量評(píng)定方法進(jìn)行研究，構(gòu)建了基于多幾何特性的質(zhì)量綜合評(píng)定框架，在基于MBD的質(zhì)量評(píng)定數(shù)據(jù)集構(gòu)建、評(píng)定指標(biāo)體系與權(quán)重設(shè)計(jì)、模糊評(píng)定數(shù)學(xué)模型建立等方面進(jìn)行了研究，并討論了其中的關(guān)鍵技術(shù)。

1 基于多幾何特性的質(zhì)量綜合評(píng)定框架

構(gòu)建基于多幾何特性的質(zhì)量評(píng)定總體框架，對(duì)質(zhì)量評(píng)定數(shù)據(jù)集、基于模糊理論的質(zhì)量評(píng)定體系、單件與批次產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)定進(jìn)行研究。基于多幾何特性的質(zhì)量綜合評(píng)定總體框架如圖1所示?？傮w框架自下而上分為三個(gè)層次：基于模型定義層、質(zhì)量評(píng)定指標(biāo)體系層、綜合評(píng)定層?；贛BD模型實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，包括幾何信息和非幾何信息，同時(shí)基于結(jié)構(gòu)規(guī)范樹(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與應(yīng)用，產(chǎn)品幾何特性以三維標(biāo)注及其關(guān)聯(lián)的幾何特征進(jìn)行表達(dá)[11]。

質(zhì)量評(píng)定指標(biāo)體系層中，包括評(píng)定指標(biāo)體系和模糊評(píng)定數(shù)學(xué)模型。基于實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程、生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)、市場(chǎng)需求等因素，賦予評(píng)定指標(biāo)相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)。構(gòu)建質(zhì)量綜合評(píng)定數(shù)學(xué)模型，解算產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)定結(jié)果，同時(shí)根據(jù)多件產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)定結(jié)果，可以查看質(zhì)量波動(dòng)情況，映射到相應(yīng)的生產(chǎn)過(guò)程中，判斷產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程是否可控、穩(wěn)定，從而發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、追根溯源，進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整以達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

2 關(guān)鍵技術(shù)與方法

2.1 質(zhì)量評(píng)定數(shù)據(jù)集構(gòu)建

本節(jié)構(gòu)建了基于模型定義的質(zhì)量評(píng)定數(shù)據(jù)集，包括關(guān)鍵產(chǎn)品特性集、關(guān)鍵控制特性集、產(chǎn)品實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)集三類數(shù)據(jù)集，如圖2所示。其中，關(guān)鍵產(chǎn)品特性是一組與產(chǎn)品功能相關(guān)的特性，包括機(jī)械特性、幾何特性、物理特性、化學(xué)特性等；關(guān)鍵控制特性是對(duì)關(guān)鍵產(chǎn)品特性起到重要影響作用的一組特性，包含工藝、制造等過(guò)程中的數(shù)據(jù)。關(guān)鍵產(chǎn)品特性中，幾何特性是對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響最大的一項(xiàng)，反映了產(chǎn)品的幾何狀態(tài)。尺寸精度、位置精度、形狀精度、表面粗糙度[12]等共同構(gòu)成了產(chǎn)品的幾何特性，對(duì)產(chǎn)品使用性能和可靠性壽命等有著重要影響，本文以幾何特性作為主要研究對(duì)象。

產(chǎn)品實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)集包含測(cè)量實(shí)例信息、測(cè)量坐標(biāo)系、實(shí)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)等，表征了每一個(gè)產(chǎn)品的實(shí)際狀態(tài)，通過(guò)分析產(chǎn)品實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)集來(lái)反應(yīng)該產(chǎn)品整體的質(zhì)量好壞，進(jìn)一步分析某一關(guān)鍵質(zhì)量特性的波動(dòng)，來(lái)分析其關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵控制特性，提前對(duì)可能出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行預(yù)判。

圖1 基于多幾何特性的質(zhì)量綜合評(píng)定總體框架

圖2 質(zhì)量評(píng)定數(shù)據(jù)集構(gòu)成

2.2 幾何要素?cái)M合

構(gòu)建典型幾何要素的參數(shù)模型，包括直線度、平面度、圓柱度、圓度等，采用最小二乘法使偏移誤差的平方和達(dá)到最小，其核心是基于已有的數(shù)學(xué)知識(shí)，構(gòu)建元素的偏移誤差，通過(guò)實(shí)現(xiàn)理論模型與測(cè)量值誤差最小來(lái)求解問(wèn)題[13]。其中，偏移誤差包括代數(shù)偏移誤差和幾何偏移誤差，其中代數(shù)偏移誤差是點(diǎn)到代數(shù)方程的偏差；幾何誤差是指點(diǎn)到理論幾何形狀的法向距離偏差。

本文采用RANSAC算法（隨機(jī)采樣一致）來(lái)進(jìn)行幾何要素的擬合，相對(duì)于最小二乘擬合，RANSAC算法是一種用于數(shù)據(jù)處理的常用算法，能夠在大量干擾數(shù)據(jù)存在的情況下，提取出需要的信息，在模型確定以及最大迭代次數(shù)允許的情況下，找到問(wèn)題的最優(yōu)解，相比較于最小二乘法，RANSAC適用于更多種測(cè)量方法獲取到的實(shí)測(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，能夠應(yīng)用于更多的測(cè)量場(chǎng)景。其中，點(diǎn)云分割是提取出擬合所需點(diǎn)的過(guò)程，是幾何要素?cái)M合的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)提取出點(diǎn)云中的不同物體，從而實(shí)現(xiàn)分而治之，突出重點(diǎn)。本文將該算法應(yīng)用于實(shí)測(cè)點(diǎn)云的幾何特征擬合中，結(jié)合本節(jié)構(gòu)建的幾何要素參數(shù)模型，求解各個(gè)參數(shù)。

2.3 基于模糊理論的質(zhì)量評(píng)定方法

本文采用模糊綜合評(píng)定法作為產(chǎn)品質(zhì)量綜合評(píng)定的方法，該方法通過(guò)將影響評(píng)定目標(biāo)的所有因素進(jìn)行綜合考慮而得到評(píng)定結(jié)果。模糊綜合評(píng)定法主要步驟包括：

1）評(píng)定目的。評(píng)定任務(wù)最終所要得到的結(jié)果。產(chǎn)品質(zhì)量綜合評(píng)定的評(píng)定目的是求解產(chǎn)品質(zhì)量綜合的、定量的描述。

2）評(píng)定指標(biāo)體系。確定評(píng)定目的之后，構(gòu)建評(píng)定指標(biāo)體系。由影響評(píng)定目的的各項(xiàng)指標(biāo)所構(gòu)成，本文將評(píng)定因素分為一級(jí)評(píng)定指標(biāo)層和二級(jí)評(píng)定指標(biāo)層。

3）權(quán)重系數(shù)。權(quán)重系數(shù)表達(dá)了每一項(xiàng)評(píng)定因素對(duì)于評(píng)定目的的重要程度，可以基于一級(jí)指標(biāo)層對(duì)其影響程度進(jìn)行分析，從而計(jì)算權(quán)重值。4）評(píng)語(yǔ)集。評(píng)語(yǔ)集用于描述每一項(xiàng)評(píng)定要素及產(chǎn)品綜合質(zhì)量的評(píng)定等級(jí)，本文采用的評(píng)語(yǔ)集為：

5）評(píng)定模型。是評(píng)定目的、評(píng)定指標(biāo)體系和評(píng)語(yǔ)集的集合。

評(píng)定框架如圖3所示。

圖3 基于模糊理論的質(zhì)量評(píng)定框架

2.3.1 設(shè)計(jì)評(píng)定指標(biāo)

將評(píng)定指標(biāo)體系劃分為三個(gè)層次：目標(biāo)層、一級(jí)指標(biāo)層、二級(jí)指標(biāo)層：目標(biāo)層為評(píng)定目的，即產(chǎn)品綜合質(zhì)量；一級(jí)指標(biāo)的確定參考了《JB/T 8627-2006，機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量特性重要度分級(jí)導(dǎo)則》中的產(chǎn)品質(zhì)量特性分級(jí)內(nèi)容，提煉出6類要求作為一級(jí)評(píng)定指標(biāo)，包括：功能性要求、裝配質(zhì)量要求、可靠性要求、可維護(hù)性要求、經(jīng)濟(jì)性要求、外觀性要求，具體內(nèi)容如表1所示。

二級(jí)評(píng)定指標(biāo)是一級(jí)評(píng)定指標(biāo)的具體實(shí)現(xiàn)方式，本文二級(jí)評(píng)定指標(biāo)為多幾何特性，包括尺度誤差、幾何誤差、表面形貌誤差三類，一項(xiàng)或多項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)的表現(xiàn)情況決定了一級(jí)指標(biāo)，存在著一對(duì)一或多對(duì)一的耦合關(guān)系，建立多級(jí)評(píng)定指標(biāo)如圖4所示。

圖4 多級(jí)評(píng)定指標(biāo)

表1 一級(jí)評(píng)定指標(biāo)

通過(guò)對(duì)評(píng)定指標(biāo)賦予權(quán)重值來(lái)保證評(píng)定結(jié)果的準(zhǔn)確性與有效性。設(shè)一級(jí)評(píng)定指標(biāo)集V={v1，v2，v3，v4，v5，v6}，對(duì)應(yīng)的一級(jí)評(píng)定指標(biāo)權(quán)重集A={a1，a2，a3，a4，a5，a6}，其中ai為vi的權(quán)重系數(shù)。對(duì)應(yīng)于v1，v2，v3，v4，v5，v6的二級(jí)評(píng)定指標(biāo)集為V1={v11，v12，…v1n}、V2={v21，v22，…v2m}…，其中v1i為一級(jí)評(píng)定指標(biāo)v1的第i個(gè)二級(jí)評(píng)定指標(biāo)，對(duì)應(yīng)于二級(jí)評(píng)定指標(biāo)集的權(quán)重系數(shù)為：A1={a11，a12，a13，…}、A2={a21，a22，a23，…}…

需要對(duì)各項(xiàng)二級(jí)評(píng)定指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重分配，根據(jù)該指標(biāo)相對(duì)于每一項(xiàng)一級(jí)評(píng)定指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重分配，如表2所示為評(píng)定指標(biāo)權(quán)重值設(shè)計(jì)表?；趯?shí)際生產(chǎn)過(guò)程、生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)、市場(chǎng)需求等因素確定權(quán)重值。

表2 評(píng)定指標(biāo)權(quán)重值設(shè)計(jì)表

2.3.2 構(gòu)建評(píng)定數(shù)學(xué)模型

模糊評(píng)定向量、模糊評(píng)定矩陣構(gòu)成了模糊評(píng)定數(shù)學(xué)模型，其中，對(duì)應(yīng)于一級(jí)評(píng)定指標(biāo)和二級(jí)評(píng)定指標(biāo)分別為一級(jí)評(píng)定矩陣和二級(jí)評(píng)定矩陣，通過(guò)求解一級(jí)模糊評(píng)定向量，基于最大隸屬度原理求解產(chǎn)品質(zhì)量的綜合評(píng)定結(jié)果。

1）構(gòu)建模糊向量

模糊向量（rij2，rij3，rij4）是對(duì)Vi中的第j個(gè)二級(jí)指標(biāo)的評(píng)定向量，rijk是該指標(biāo)關(guān)于評(píng)語(yǔ)集U中uk的隸屬度，其中，本文設(shè)定評(píng)語(yǔ)集U為：

針對(duì)每一項(xiàng)二級(jí)評(píng)定指標(biāo)進(jìn)行打分X，按照模糊映射關(guān)系得出各因素的評(píng)定矩陣。設(shè)計(jì)模糊映射關(guān)系如下：

2）進(jìn)行二級(jí)評(píng)定

Ri表示第i個(gè)一級(jí)指標(biāo)vi對(duì)應(yīng)的二級(jí)模糊評(píng)定矩陣。每個(gè)二級(jí)評(píng)定指標(biāo)有著相對(duì)應(yīng)的一個(gè)模糊向量，具體內(nèi)容如式(5)所示：

[rj1，rj2，…rjm]表示第j個(gè)二級(jí)評(píng)定指標(biāo)的模糊向量；

n該一級(jí)評(píng)定指標(biāo)對(duì)應(yīng)有n個(gè)二級(jí)評(píng)定指標(biāo)；

m表示評(píng)語(yǔ)集因子的個(gè)數(shù)，本文設(shè)定評(píng)語(yǔ)集因子個(gè)數(shù)為4。

得到權(quán)重集Ai和二級(jí)模糊評(píng)定矩陣Ri后，便可進(jìn)行模糊算子合成。以第一個(gè)一級(jí)指標(biāo)為例，計(jì)算模糊算子。

3）進(jìn)行一級(jí)評(píng)定

通過(guò)權(quán)重設(shè)計(jì)，可以獲得一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重集A={a1，a2，a3，a4，a5，a6}，其中ai為vi的權(quán)重系數(shù)。設(shè)一級(jí)模糊評(píng)定矩陣為B，則：

其中，Bi對(duì)應(yīng)第i個(gè)一級(jí)評(píng)定指標(biāo)vi的評(píng)定結(jié)果向量，則：

其中，R為一級(jí)模糊評(píng)定矩陣，對(duì)R進(jìn)行歸一化處理后的R'，用于描述產(chǎn)品綜合質(zhì)量對(duì)于評(píng)語(yǔ)集中每一項(xiàng)因子的隸屬度，r1對(duì)應(yīng)“優(yōu)”，r2對(duì)應(yīng)“良”，r3對(duì)應(yīng)“合格”，r4對(duì)應(yīng)“不合格”，根據(jù)最大隸屬度原則可知，P的數(shù)值對(duì)應(yīng)評(píng)定集中的因子則是最終評(píng)定結(jié)果。

P數(shù)值越高，則對(duì)該評(píng)語(yǔ)的隸屬度越高。在整個(gè)綜合評(píng)定過(guò)程中，權(quán)重集的確定收到人為因素的影響，具有一定的主觀性，需要根據(jù)實(shí)際情況和專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)零件功能和具體要求來(lái)確定權(quán)重集，對(duì)齊進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，最終獲得可靠正確的評(píng)定結(jié)果。

2.4 單件與批次產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)定

針對(duì)單件產(chǎn)品的質(zhì)量評(píng)定和批次產(chǎn)品的質(zhì)量分析問(wèn)題，提出產(chǎn)品質(zhì)量綜合評(píng)定的四個(gè)維度，如圖5所示。

圖5 產(chǎn)品質(zhì)量多維度評(píng)定

維度一：幾何特性的合格性評(píng)定。將測(cè)量不確定度考慮在測(cè)量結(jié)果中，以分?jǐn)?shù)的形式描述幾何特性滿足要求的程度，以60分作為合格分界線，低于60分為不合格，分?jǐn)?shù)越高說(shuō)明該幾何特性質(zhì)量越好。

維度二：產(chǎn)品質(zhì)量綜合評(píng)定。得到產(chǎn)品的多項(xiàng)幾何特性質(zhì)量評(píng)定得分之后，運(yùn)用2.3.2節(jié)中提到的基于模糊理論的質(zhì)量評(píng)定方法，計(jì)算產(chǎn)品整體的質(zhì)量評(píng)定結(jié)果，該結(jié)果也是量化的分?jǐn)?shù)形式，是一個(gè)綜合了幾何特性重要程度、實(shí)際測(cè)量結(jié)果和測(cè)量不確定度的評(píng)定結(jié)果。

維度三：批次產(chǎn)品某一幾何特性合格性分析。針對(duì)批次產(chǎn)品的某一幾何特性的質(zhì)量評(píng)定分?jǐn)?shù)進(jìn)行分析，利用預(yù)控圖等質(zhì)量工具對(duì)該幾何特性的質(zhì)量波動(dòng)情況進(jìn)行查看，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和問(wèn)題溯源。

維度四：批次產(chǎn)品的質(zhì)量綜合評(píng)定結(jié)果分析。針對(duì)批次性產(chǎn)品，每一個(gè)產(chǎn)品的質(zhì)量綜合評(píng)定結(jié)果的波動(dòng)性進(jìn)行分析。由于設(shè)計(jì)改變、生產(chǎn)加工工藝的變化等因素，產(chǎn)品質(zhì)量也具有波動(dòng)性，通過(guò)對(duì)批次產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)情況的分析，可以判斷生產(chǎn)過(guò)程是否受控，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題。

綜上所示，維度一和維度二是面向單件產(chǎn)品，側(cè)重點(diǎn)是質(zhì)量評(píng)定；維度三和維度四是面向批次產(chǎn)品，側(cè)重點(diǎn)是在質(zhì)量評(píng)定的基礎(chǔ)上，對(duì)批次產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其中的質(zhì)量問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制。

3 應(yīng)用驗(yàn)證

基于多幾何特性的產(chǎn)品質(zhì)量綜合評(píng)定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是模型幾何信息及非幾何信息管理功能基于CAA應(yīng)用框架對(duì)CATIA進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)處理及界面設(shè)計(jì)基于MFC（Microsoft Foundation Classes）應(yīng)用程序框架完成。軟件的技術(shù)體系架構(gòu)自下而上可以分為數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和表現(xiàn)層。數(shù)據(jù)層提供各類數(shù)據(jù)來(lái)源，包括產(chǎn)品管理信息、關(guān)鍵產(chǎn)品特性數(shù)據(jù)、關(guān)鍵過(guò)程控制數(shù)據(jù)、幾何信息等；應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的相關(guān)業(yè)務(wù)邏輯；表現(xiàn)層主要用于顯示評(píng)定結(jié)果及各類數(shù)據(jù)的分層管理，如圖6所示。

1）數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)層包含了產(chǎn)品的管理信息（零件號(hào)、實(shí)例號(hào)等）、關(guān)鍵幾何特性數(shù)據(jù)、關(guān)鍵控制特性數(shù)據(jù)、以幾何特征表達(dá)的幾何信息等，是整個(gè)質(zhì)量評(píng)定系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源；

2）應(yīng)用層：應(yīng)用層主要是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的相關(guān)業(yè)務(wù)邏輯，包括功能界面實(shí)現(xiàn)層、算法服務(wù)層和相關(guān)的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。其中，基于CAA應(yīng)用框架實(shí)現(xiàn)基于模型的數(shù)據(jù)管理及可視化，包括CATIA工作空間創(chuàng)建、對(duì)話框設(shè)計(jì)、工具條封裝、創(chuàng)建特征原型等[14]；基于MFC的應(yīng)用程序框架發(fā)揮了MFC技術(shù)中創(chuàng)建對(duì)話框的便捷性，同時(shí)便于集成PCL的相關(guān)算法，包括基于隨機(jī)采樣一致算法的幾何特征幾何、幾何誤差評(píng)定、評(píng)定結(jié)果可信度分析等。在CATIA軟件內(nèi)部可以直接調(diào)用MFC界面實(shí)現(xiàn)相關(guān)的算法實(shí)現(xiàn)，同時(shí)兩個(gè)平臺(tái)基于中間文件可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳遞。

3）表現(xiàn)層：表現(xiàn)層基于CATIA環(huán)境，以結(jié)構(gòu)規(guī)范樹(shù)的形式對(duì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行分層管理，可以方便的查詢及導(dǎo)出數(shù)據(jù)，以及結(jié)合CATIA強(qiáng)大的建模能力，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)到模型中，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的可視化，以及在軟件界面中查看各項(xiàng)評(píng)定要素。

本文選取柴油發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵件—連桿作為產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)定的實(shí)例分析對(duì)象。連桿是活塞與曲軸連接部件，是影響柴油發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的關(guān)鍵部件之一，連桿的質(zhì)量情況直接決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、壽命、可靠性等，如圖7所示為連桿三維模型。

圖6 原型系統(tǒng)技術(shù)體系架構(gòu)圖

圖7 連桿三維模型

連桿的質(zhì)量檢測(cè)內(nèi)容為多類幾何特性檢測(cè)，包括幾何誤差、尺寸誤差、表面形貌誤差。確保幾何特性滿足質(zhì)量要求是連桿質(zhì)量保證的重要內(nèi)容。通過(guò)構(gòu)建質(zhì)量評(píng)定數(shù)據(jù)集，確定需要檢驗(yàn)的幾何特性及關(guān)鍵控制特性，并基于MBD模型實(shí)現(xiàn)以上信息的統(tǒng)一建模，同時(shí)建立幾何特性與控制特性的關(guān)聯(lián)關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題的追根溯源奠定基礎(chǔ)。基于質(zhì)量評(píng)定數(shù)據(jù)集構(gòu)建出綜合評(píng)定數(shù)學(xué)模型，可定量求解連桿質(zhì)量綜合評(píng)定結(jié)果。

在實(shí)現(xiàn)了單個(gè)連桿綜合質(zhì)量評(píng)定的基礎(chǔ)上，從兩個(gè)維度上對(duì)批次連桿質(zhì)量進(jìn)行分析：

1）針對(duì)批次連桿中某幾何特性的質(zhì)量波動(dòng)情況，基于該波動(dòng)情況映射到相應(yīng)的加工工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制的閉環(huán)過(guò)程；

2）針對(duì)每一個(gè)連桿的質(zhì)量綜合評(píng)定結(jié)果，構(gòu)建其波動(dòng)圖，用于直觀展示連桿質(zhì)量是否穩(wěn)定，以及可能出現(xiàn)問(wèn)題的趨勢(shì)。

3.1 產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)定數(shù)據(jù)集構(gòu)建

將產(chǎn)品數(shù)據(jù)定義在MBD模型中，實(shí)現(xiàn)同一數(shù)據(jù)管理。如圖8所示為幾何特性信息的定義過(guò)程，通過(guò)選取需要定義的三維標(biāo)注，將相關(guān)信息集成在結(jié)構(gòu)規(guī)范數(shù)中，以便后續(xù)質(zhì)量評(píng)定過(guò)程提取相應(yīng)的信息。

圖8 幾何特性定義信息

3.2 幾何要素?cái)M合與誤差評(píng)定

利用導(dǎo)入模型的實(shí)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用隨機(jī)采樣一致方法進(jìn)行幾何元素?cái)M合，進(jìn)而求解幾何誤差值。從而對(duì)幾何特性進(jìn)行合格性的判定。

圖9 幾何特性數(shù)據(jù)集與質(zhì)量評(píng)定界面

如圖9所示軟件界面為幾何特性數(shù)據(jù)集集成在結(jié)構(gòu)規(guī)范樹(shù)與質(zhì)量評(píng)定功能模塊，通過(guò)選取需要評(píng)定的幾何特性，計(jì)算質(zhì)量評(píng)定得分，并顯示在軟件界面中，最終基于各項(xiàng)幾何特性的評(píng)定得分，求得產(chǎn)品質(zhì)量的綜合評(píng)定結(jié)果。

圖10 基于幾何特性質(zhì)量波動(dòng)追溯控制特性問(wèn)題

圖11 產(chǎn)品質(zhì)量綜合評(píng)定得分波動(dòng)圖

如圖10所示，針對(duì)某一項(xiàng)幾何特性出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可將與其關(guān)聯(lián)的加工工藝參數(shù)進(jìn)行提取，幫助質(zhì)量分析人員追溯質(zhì)量問(wèn)題源頭。如圖11所示，將該產(chǎn)品的多個(gè)實(shí)例的質(zhì)量評(píng)定結(jié)果繪制成波動(dòng)圖，可以直觀反映產(chǎn)品波動(dòng)情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制和問(wèn)題預(yù)警。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從質(zhì)量評(píng)定數(shù)據(jù)集構(gòu)建、基于模糊理論的質(zhì)量評(píng)定、基于三維模型的數(shù)據(jù)管理、幾何誤差擬合及評(píng)定等進(jìn)行了研究，提出了基于多幾何特性的質(zhì)量綜合評(píng)定總體框架，研究了基于模型定義的質(zhì)量評(píng)定數(shù)據(jù)集，基于CAA二次開(kāi)發(fā)技術(shù)和MFC應(yīng)用程序框架實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品質(zhì)量綜合評(píng)定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，并給出了具體的應(yīng)用場(chǎng)景及原型系統(tǒng)應(yīng)用示例。