侯世紅 李鵬程 趙宇博 尹雪巔

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所 西安 710068）（2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所高端電子裝備工業(yè)設(shè)計(jì)中心 西安 710068）

1 引言

隨著數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)國(guó)防科技工業(yè)起到了積極的推動(dòng)作用，武器裝備研制企業(yè)逐步建立起基于MBD 模型的數(shù)字化設(shè)計(jì)、工藝、制造、檢驗(yàn)與裝配相結(jié)合的數(shù)字化制造新模式。而在整個(gè)裝備的生產(chǎn)制造過(guò)程中，軍檢是保證裝備質(zhì)量的基本手段，傳統(tǒng)軍檢技術(shù)難以滿(mǎn)足現(xiàn)有武器裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對(duì)零部件質(zhì)量要求嚴(yán)格等的特點(diǎn)，2012年，總裝備部在A號(hào)文件中，正式提出了“軍檢數(shù)字化”的要求。為適應(yīng)武器裝備數(shù)字化制造新模式，充分運(yùn)用數(shù)字化、信息化的技術(shù)和手段，開(kāi)展基于MBD（Model Based Definition，基于模型的定義技術(shù)）的數(shù)字化軍檢，將成為未來(lái)軍檢工作的發(fā)展趨勢(shì)［1～5］。

2 數(shù)字化軍檢技術(shù)

數(shù)字化軍檢是指軍代表在開(kāi)展軍檢活動(dòng)過(guò)程中利用先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)，對(duì)武器裝備的科研生產(chǎn)和技術(shù)服務(wù)等實(shí)現(xiàn)質(zhì)量管理和監(jiān)督的過(guò)程。

相比于傳統(tǒng)軍檢模式，開(kāi)展數(shù)字化軍檢具有以下優(yōu)勢(shì)：1）檢驗(yàn)手段智能化，數(shù)字化的技術(shù)、軟件、工具等的應(yīng)用能夠極大程度簡(jiǎn)化操作過(guò)程，縮短檢驗(yàn)周期，提高檢驗(yàn)精度，提升軍檢理論水平；2）信息處理數(shù)字化，通過(guò)信息化、數(shù)字化、可視化的數(shù)據(jù)管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)軍代表對(duì)裝備設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和交付等相關(guān)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取和管理監(jiān)督能力；3）提升軍檢工作的效率和準(zhǔn)確性，減少重復(fù)性工作，規(guī)范軍檢驗(yàn)收流程，提升軍代表在軍檢過(guò)程中的質(zhì)量監(jiān)督能力。

3 基于MBD的數(shù)字化軍檢技術(shù)

3.1 MBD技術(shù)

MBD 技術(shù)是一種基于全三維模型的數(shù)字化定義技術(shù)，通過(guò)產(chǎn)品數(shù)據(jù)集來(lái)定義產(chǎn)品信息，是波音公司最新先行的新一代產(chǎn)品定義方法。1997年，美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)在波音公司協(xié)助下開(kāi)始起草有關(guān)MBD 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并在2003年發(fā)布了美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)ASME Y14.41-2003（后修訂為ASME Y14.41-2012），隨著MBD 技術(shù)的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織也制定有關(guān)MBD 的標(biāo)準(zhǔn)ISO 16792-2006（后修訂為ISO 16792-2015），美國(guó)軍方為了武器裝備的數(shù)字化建設(shè)，制定了美軍標(biāo)MIL-STD-31000A，我國(guó)為了MBD 技術(shù)在制造領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，制定了國(guó)標(biāo)GB/T 24734-2009。

MBD 模型包含了產(chǎn)品的全部制造信息PMI（Product Manufacture Information），如圖1，包括產(chǎn)品的三維模型、產(chǎn)品的三維標(biāo)注信息、零部件的其他屬性等。MBD 技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，旨在將產(chǎn)品的定義技術(shù)由二維CAD 圖紙邁向三維模型的轉(zhuǎn)變，為數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造和檢測(cè)提供信息載體，實(shí)現(xiàn)無(wú)紙化設(shè)計(jì)和制造。目前MBD 技術(shù)已廣泛用于航空制造業(yè)［6～9］。

圖1 MBD模型數(shù)據(jù)信息

3.2 基于MBD的數(shù)字化軍檢技術(shù)

基于MBD的數(shù)字化軍檢，是通過(guò)數(shù)字化的系統(tǒng)和設(shè)備，以MBD 模型為基礎(chǔ)，提取其中與制造信息有關(guān)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)作為檢驗(yàn)依據(jù)，并提取和記錄產(chǎn)品的生產(chǎn)制造數(shù)據(jù)，與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)而自動(dòng)給出合格與否的判定結(jié)果，完成對(duì)武器裝備的軍檢過(guò)程，其主要的檢測(cè)流程如圖2所示。

圖2 基于MBD的裝備軍檢流程

基于MBD的數(shù)字化軍檢技術(shù)，作為一項(xiàng)新的檢測(cè)技術(shù)，主要綜合了機(jī)電一體化、圖像識(shí)別和處理、軟件集成、數(shù)據(jù)處理等方面的先進(jìn)技術(shù)，數(shù)字化軍檢技術(shù)使得裝備質(zhì)量檢驗(yàn)的檢驗(yàn)流程、檢驗(yàn)方法、流程審簽、檢驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和管理等方面標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。通過(guò)實(shí)時(shí)采集和記錄制造檢測(cè)數(shù)據(jù)，并與生產(chǎn)制造流程的執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行融合和集成，擺脫傳統(tǒng)依附于工藝過(guò)程的檢驗(yàn)驗(yàn)收模式，在信息化數(shù)據(jù)共享的基礎(chǔ)上打通數(shù)字化設(shè)計(jì)、工藝、制造和檢驗(yàn)的全流程［10～12］。

4 基于MBD的數(shù)字化軍檢關(guān)鍵技術(shù)

4.1 編制基于模型的在線(xiàn)智能檢測(cè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)

數(shù)字化軍檢活動(dòng)實(shí)施過(guò)程中，首先需要編制基于模型的在線(xiàn)智能檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠集成模型導(dǎo)入、模型的特征識(shí)別和提取、檢測(cè)需求定義、檢測(cè)數(shù)據(jù)提取和對(duì)比，檢測(cè)結(jié)果的輸出和可視化、檢測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析、檢測(cè)文件的簽審和導(dǎo)出等方面的功能。本文在研究過(guò)程中，開(kāi)發(fā)了基于UG 軟件的在線(xiàn)智能檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)UG 軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)成UG的一個(gè)插件形式嵌入其中，系統(tǒng)界面如圖3所示，該界面為左右結(jié)構(gòu)，左側(cè)功能區(qū)域主要包括三個(gè)頁(yè)面，分別為主界面LOGO、前處理頁(yè)面和評(píng)價(jià)頁(yè)面。右側(cè)的顯示區(qū)域借用UG的模型顯示區(qū)域，可展示零部件的模型和三維標(biāo)準(zhǔn)信息。

圖3 在線(xiàn)智能檢測(cè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)主界面

4.2 MBD模型信息提取

裝備零部件的MBD 模型，包含了產(chǎn)品生產(chǎn)周期內(nèi)的所有的幾何信息和非幾何信息，在進(jìn)行數(shù)字化軍檢時(shí)，首先需要得到包含所有需要檢測(cè)的PMI信息的零部件MBD模型，如圖4所示。

圖4 基于UG的MBD模型

結(jié)合圖1所示的MBD模型包含的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行零部件的模型信息提取過(guò)程中，可將基于MBD的零部件模型定義為

式中，Pi為零部件三維實(shí)體模型，包含了構(gòu)成零件模型的各幾何要素，包括所有構(gòu)成三維模型形狀和輪廓的點(diǎn)、線(xiàn)、面等；Annj為零部件的三維標(biāo)準(zhǔn)信息，包括幾何尺寸，形位公差，表面粗糙度、基準(zhǔn)、其他有關(guān)注釋等信息；Attk為零部件的其他屬性，包括材料，熱處理，其他技術(shù)要求等信息。

通過(guò)提取零部件的所有MBD 數(shù)據(jù)集，結(jié)合在實(shí)際軍檢過(guò)程中對(duì)零部件的檢測(cè)要求，即可生成檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)，后期通過(guò)軍檢獲得的數(shù)據(jù)可與之比對(duì)，從而生成合格與否的判據(jù)。

4.3 未注公差處理

在前期設(shè)計(jì)過(guò)程中，為減少設(shè)計(jì)人員工作量，在三維模型中可對(duì)尺寸要求不嚴(yán)格的標(biāo)注省略其尺寸公差，但在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，需要得到其公差數(shù)據(jù)，以比較真實(shí)值與測(cè)量值的超差情況，因此在數(shù)據(jù)提取過(guò)程中，首先要對(duì)提取的尺寸信息分類(lèi)，篩選出未注公差的尺寸，對(duì)于未注公差，需提前給出相關(guān)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)或公差等級(jí)，完善未注公差尺寸的默認(rèn)公差，得到包含全部檢測(cè)尺寸與尺寸公差的檢測(cè)模型。

4.4 檢測(cè)工藝規(guī)劃

傳統(tǒng)檢測(cè)工藝主要是檢測(cè)人員根據(jù)工藝文件，對(duì)比產(chǎn)品的二維圖紙實(shí)施手工檢測(cè)過(guò)程。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于CAD 模型的CAIP（Computer Aided Inspection Planning，計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)規(guī)劃）技術(shù)得以應(yīng)用和發(fā)展，而基于MBD 模型的數(shù)字化檢測(cè)工藝，對(duì)CAIP 系統(tǒng)提出了越來(lái)越高的智能化要求。而在實(shí)施數(shù)字化檢測(cè)工藝過(guò)程中，利用CAIP技術(shù)預(yù)先完成智能檢測(cè)工藝規(guī)劃是關(guān)鍵的一步。

基于MBD 模型的檢測(cè)工藝規(guī)劃流程如圖5所示，首先要對(duì)MBD 模型進(jìn)行可測(cè)性分析，根據(jù)結(jié)構(gòu)模型定義檢測(cè)需求，同時(shí)對(duì)檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行仿真，根據(jù)模型的不同，對(duì)測(cè)點(diǎn)和檢測(cè)路徑進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃，輸出檢測(cè)程序［13］。

圖5 檢測(cè)工藝規(guī)劃流程圖

4.5 檢測(cè)數(shù)據(jù)提取和對(duì)比

通過(guò)光學(xué)測(cè)試儀器、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等數(shù)字化檢測(cè)設(shè)備，對(duì)需要檢測(cè)的零部件按照規(guī)定檢測(cè)工藝路徑進(jìn)行模型掃描檢測(cè)，通過(guò)圖像識(shí)別和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理，將掃描的圖形處理生成模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖6 模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)

如圖7所示，將得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與零部件的三維模型置于同一坐標(biāo)系中，進(jìn)行坐標(biāo)系配準(zhǔn)，通過(guò)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)和三維模型分析和比對(duì)，得到零部件的檢測(cè)結(jié)果。

圖7 點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

4.6 檢測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)

根據(jù)實(shí)際的檢測(cè)需求，設(shè)置相應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)數(shù)據(jù)比對(duì)，即可得到相應(yīng)的檢測(cè)結(jié)果，如圖8所示。

圖8 檢測(cè)特征匹配

得到所有檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果，通過(guò)設(shè)置顏色的不同即可粗略顯示檢測(cè)結(jié)果合格與否。點(diǎn)擊需要查看的節(jié)點(diǎn)，即可得到某節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果詳情，如圖9所示。如圖10，同軟件還設(shè)置了生成檢測(cè)報(bào)告的功能，可以輸出所有節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)檢測(cè)結(jié)果，以供軍代表查看。

圖9 檢測(cè)結(jié)果詳情

4.7 檢測(cè)數(shù)據(jù)處理

傳統(tǒng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)大多以紙質(zhì)介質(zhì)保存，后期利用過(guò)程中，數(shù)據(jù)處理和分析難度較大，二次利用較為困難。數(shù)字化軍檢技術(shù)通過(guò)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)，可以實(shí)時(shí)提取和查看，通過(guò)橫向和縱向的對(duì)比分析，還可以評(píng)價(jià)裝備的質(zhì)量走向，后期可通過(guò)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步信息化處理，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，還可以獲得裝備質(zhì)量問(wèn)題的關(guān)鍵點(diǎn)，同時(shí)各軍代表通過(guò)軍檢數(shù)據(jù)的共享，還可對(duì)系統(tǒng)級(jí)的裝備質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析，全面提升對(duì)武器裝備的質(zhì)量監(jiān)督能力。

5 結(jié)語(yǔ)

1）對(duì)比傳統(tǒng)的軍檢技術(shù)，開(kāi)展基于MBD 環(huán)境下的數(shù)字化軍檢驗(yàn)收流程及其技術(shù)方法的研究，能夠?qū)崿F(xiàn)裝備軍檢效率和軍檢質(zhì)量的顯著提升，加強(qiáng)軍代表對(duì)武器裝備質(zhì)量監(jiān)督和管理的能力，推動(dòng)武器裝備智能制造和智能檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，是未來(lái)軍檢技術(shù)的發(fā)展方向；

2）本文探討了基于MBD的數(shù)字化軍檢流程和方法，梳理了其中所涉及的幾種關(guān)鍵技術(shù)，為基于MBD的數(shù)字化軍檢應(yīng)用和推廣提供了技術(shù)支撐和方法指導(dǎo)；

3）開(kāi)發(fā)了適用于基于MBD的數(shù)字化軍檢的檢測(cè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，本檢測(cè)系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足數(shù)字化軍檢的要求，提高檢測(cè)效率和精度，對(duì)現(xiàn)有軍檢技術(shù)進(jìn)行提升和完善；

4）目前各軍工制造企業(yè)三維設(shè)計(jì)、工藝和制造技術(shù)參差不齊，而基于MBD的數(shù)字化軍檢技術(shù)還需要不斷發(fā)展和完善。