三維數(shù)字化集成檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)研究

杜福洲，梁海澄

（北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191）

0 引言

當(dāng)前制造業(yè)信息化已基本實(shí)現(xiàn)了從產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程的數(shù)字化、無(wú)紙化，但產(chǎn)品制造與檢測(cè)過(guò)程仍采用二維圖紙作為制造或檢測(cè)工藝的表達(dá)方式，這造成了二義性、檢測(cè)規(guī)劃與產(chǎn)品設(shè)計(jì)更改不同步等問(wèn)題。因此，如何實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)圖化、無(wú)紙化的三維數(shù)字化檢測(cè)，是當(dāng)前的一個(gè)重要發(fā)展方向。

CATIA (Computer Aided Tri-dimensional Interface Application)軟件是法國(guó)Dassualt Aviation公司與IBM公司合作推出的CAD/CAM/CAE/PDM一體化軟件[2]。CATIA符合MBD標(biāo)準(zhǔn)，能夠基于產(chǎn)品三維模型定義完整的尺寸信息、公差與標(biāo)注信息和工藝信息，這為基于CATIA的三維數(shù)字化集成檢測(cè)系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)定義，因此基于CATIA開(kāi)發(fā)數(shù)字化集成檢測(cè)系統(tǒng)能夠減少基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)工作，加深對(duì)數(shù)字化集成檢測(cè)系統(tǒng)業(yè)務(wù)過(guò)程的研究。同時(shí)，當(dāng)前眾多成熟的產(chǎn)品模型特征分析和測(cè)量規(guī)劃理論對(duì)數(shù)字化檢測(cè)系統(tǒng)業(yè)務(wù)過(guò)程的研究和實(shí)現(xiàn)提供了豐富的理論依據(jù)；而相關(guān)的DMIS、I++ DME和DML等工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)則為三維數(shù)字化集成檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)規(guī)范。

綜上所述，本文借助CATIA二次開(kāi)發(fā)工具對(duì)CATIA相關(guān)模塊進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，解決三維數(shù)字化檢測(cè)中的關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)發(fā)三維數(shù)字化集成檢測(cè)原型系統(tǒng)。

1 三維數(shù)字化集成檢測(cè)系統(tǒng)整體方案

借鑒波音公司AIMS系統(tǒng)中數(shù)字化檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)方案，本研究將三維數(shù)字化集成檢測(cè)系統(tǒng)劃分為兩個(gè)分系統(tǒng)：基于CATIA二次開(kāi)發(fā)的檢測(cè)規(guī)劃系統(tǒng)和基于B/S架構(gòu)的信息管理系統(tǒng)，如圖1所示。

計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)規(guī)劃系統(tǒng)基于CATIA二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)識(shí)別并提取產(chǎn)品三維模型中的幾何特征與公差信息，制定測(cè)量需求。根據(jù)測(cè)量需求，通過(guò)必要的分析選擇合理的測(cè)量設(shè)備。制定測(cè)量順序及其分布的規(guī)劃，生成無(wú)碰撞的檢測(cè)路徑，對(duì)檢測(cè)路徑進(jìn)行優(yōu)化。規(guī)劃結(jié)果輸出為XML格式的文件，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換器生成測(cè)量程序文件，測(cè)量程序文件由后置處理器生成測(cè)量設(shè)備控制命令，執(zhí)行測(cè)量過(guò)程。

產(chǎn)品測(cè)量信息模型是整個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源。把提取出的產(chǎn)品幾何特征與公差信息轉(zhuǎn)化為測(cè)量特征信息。將產(chǎn)品三維模型、測(cè)量任務(wù)信息、測(cè)量規(guī)劃信息、測(cè)量規(guī)劃信息、測(cè)量結(jié)果等集成在同一信息模型中，減少由于產(chǎn)品三維模型更改造成的信息數(shù)據(jù)不一致等現(xiàn)象。

三維數(shù)字化檢測(cè)綜合管理系統(tǒng)為產(chǎn)品測(cè)量信息模型的統(tǒng)一管理提供信息化支持。該系統(tǒng)建立并維護(hù)產(chǎn)品三維模型與各種測(cè)量信息（測(cè)量任務(wù)、測(cè)量規(guī)劃、測(cè)量程序、測(cè)量結(jié)果）的關(guān)聯(lián)關(guān)系，當(dāng)產(chǎn)品三模型設(shè)計(jì)更改時(shí)，各種測(cè)量模型自動(dòng)同步更新或者在工藝人員的參與下同步更新。同時(shí)，利用B/S架構(gòu)系統(tǒng)的界面優(yōu)勢(shì)，該系統(tǒng)可輸出產(chǎn)品輕量化視圖以及測(cè)量結(jié)果的各種分析報(bào)表。此外，該系統(tǒng)還對(duì)各種測(cè)量設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理，供檢測(cè)規(guī)劃系統(tǒng)調(diào)用。

圖1 三維數(shù)字化集成檢測(cè)系統(tǒng)整體方案

圖2 三維數(shù)字化集成檢測(cè)系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

集成質(zhì)量管理系統(tǒng)由一系列集成化質(zhì)量控制、質(zhì)量管理和質(zhì)量工具支持模塊構(gòu)成，符合企業(yè)質(zhì)量保證體系，并且可擴(kuò)展性好。將檢測(cè)規(guī)劃系統(tǒng)與系統(tǒng)進(jìn)行集成，能實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品三模型、測(cè)量設(shè)備、檢測(cè)規(guī)劃與測(cè)量程序的綜合分析利用，并且利用其集成化質(zhì)量控制模塊可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量控制。

在上述系統(tǒng)方案中，集成質(zhì)量管理系統(tǒng)及其質(zhì)量控制方法在本課題組已有成熟的研究，并且形成了一套完善的質(zhì)量管理軟件系統(tǒng)，因此本研究重點(diǎn)在于檢測(cè)規(guī)劃系統(tǒng)和檢驗(yàn)綜合管理系統(tǒng)的研究，系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程如圖2所示。

檢驗(yàn)規(guī)劃系統(tǒng)主要進(jìn)行產(chǎn)品檢驗(yàn)流程的制定，以及各流程節(jié)點(diǎn)的工序設(shè)計(jì)；檢驗(yàn)綜合管理系統(tǒng)主要以產(chǎn)品三維模型為線索，進(jìn)行檢測(cè)流程的管理和測(cè)量結(jié)果的管理。

設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)好產(chǎn)品三維模型后，將設(shè)計(jì)模型文件上傳至檢測(cè)綜合管理系統(tǒng)。

檢測(cè)工藝人員從檢測(cè)綜合管理系統(tǒng)中將產(chǎn)品三維模型下載到本地，使用檢測(cè)規(guī)劃系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)，并將設(shè)計(jì)結(jié)果上傳到檢測(cè)綜合管理系統(tǒng)中。此時(shí)檢測(cè)綜合管理系統(tǒng)解析檢測(cè)規(guī)劃結(jié)果，并生成相應(yīng)的檢測(cè)流程。

測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)工人使用檢測(cè)綜合管理系統(tǒng)開(kāi)啟或繼續(xù)檢測(cè)流程，檢測(cè)流程的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)測(cè)量工序。在執(zhí)行具體測(cè)量工序時(shí)，測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)工人下載測(cè)量工序相關(guān)文件（對(duì)于人工測(cè)量是工藝文件，對(duì)于自動(dòng)測(cè)量則是測(cè)量程序），然后執(zhí)行具體的產(chǎn)品測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果上傳到檢測(cè)綜合管理系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)人員可以在檢測(cè)綜合管理系統(tǒng)中監(jiān)控檢測(cè)流程，對(duì)產(chǎn)品測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行分析，如有需要?jiǎng)t及時(shí)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行修改并更新到檢測(cè)綜合管理系統(tǒng)中。

2 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)對(duì)三維數(shù)字化集成檢測(cè)方案的研究，要實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字化集成檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括：檢驗(yàn)規(guī)劃系統(tǒng)中產(chǎn)品特征的識(shí)別與信息提取、測(cè)量程序的自動(dòng)生成，檢測(cè)綜合管理系統(tǒng)中測(cè)量流程的控制與管理、測(cè)量工藝模型的輕量化表示。

2.1 三維模型特征的識(shí)別與信息提取

檢驗(yàn)規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要涉及產(chǎn)品三維模型中三維標(biāo)注特征與幾何特征的識(shí)別與信息提取。在具體開(kāi)發(fā)過(guò)程中，使用CATIA公差與標(biāo)注模塊及幾何特征模塊的接口進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

CATIA公差與標(biāo)注模塊（Functional Tolerancing & Annotation）提供了相關(guān)接口操作產(chǎn)品中關(guān)聯(lián)的公差與標(biāo)注信息，這些接口在CAA中稱為TPS對(duì)象（Technological Product Specification）。公差與標(biāo)注模塊的TPS對(duì)象模型如圖3所示。該圖展示了CATIA中對(duì)公差結(jié)構(gòu)的定義，圖中每一個(gè)父類接口表示一種公差分類，子類接口則表示具體的公差類型，例如CATITPSForm接口表示形位公差，其子類CATITPSFlatness表示平面度，CATITPSStraighness則表示直線度。

CATIA整個(gè)TPS對(duì)象模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)形狀公差（CATITPSForm）、位置公差（CATITPSPosition）、尺寸公差（CATITPSDimension）、基準(zhǔn)（CATITPSDatum）、粗糙度（CATITPSRoughness）的定義，只要使用公差和標(biāo)注模塊提供的接口就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)TPS特征對(duì)象屬性信息的提取。

圖3 TPS對(duì)象模型圖

例如對(duì)于一個(gè)長(zhǎng)度尺寸公差對(duì)象，可以提取出如表1所示的公差信息，包括了上下偏差，及其關(guān)聯(lián)的幾何特征等。

表1 長(zhǎng)度尺寸公差信息

圖4 TTRS對(duì)象結(jié)構(gòu)圖

檢測(cè)規(guī)劃系統(tǒng)所提取的幾何特征并不是獨(dú)立的幾何特征，而是與公差信息相關(guān)聯(lián)的幾何特征，這類幾何特征在CATIA的公差與標(biāo)注模塊中被封裝為TTRS對(duì)象（Technologicaly and Topologicaly Related Surfaces）。TTRS對(duì)象的作用是關(guān)聯(lián)TPS對(duì)象與幾何特征對(duì)象，如圖4所示。

首先，通過(guò)TPS對(duì)象可以獲取相關(guān)聯(lián)的TTRS對(duì)象，然后通過(guò)TTRS領(lǐng)域模型中的RGE對(duì)象（Related Geometric Element），則可以獲取到與TPS對(duì)象關(guān)聯(lián)的幾何特征對(duì)象，例如CATPoint、CATCurve、CATSurface，通過(guò)調(diào)用上述三個(gè)對(duì)象的接口方法，可提取出點(diǎn)線面中的幾何信息。

2.2 測(cè)量程序的自動(dòng)生成

DMIS標(biāo)準(zhǔn)（Dimensional Measuring Interface Standard，尺寸測(cè)量接口標(biāo)準(zhǔn)）是尺寸測(cè)量領(lǐng)域的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它為軟件系統(tǒng)與尺寸測(cè)量設(shè)備之間的通信提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式[5]。本研究將基于DMIS標(biāo)準(zhǔn)來(lái)生成測(cè)量程序，用于驅(qū)動(dòng)尺寸測(cè)量設(shè)備工作。

如圖5所示，是檢測(cè)規(guī)劃系統(tǒng)的測(cè)量規(guī)劃在CATIA中的樹(shù)形結(jié)構(gòu)。

圖5 測(cè)量規(guī)劃的樹(shù)形圖

圖6 生成DMIS程序的算法流程

測(cè)量規(guī)劃包含了多個(gè)測(cè)量工序，每個(gè)測(cè)量工序都包含一個(gè)測(cè)量對(duì)象的列表，列表中的每個(gè)對(duì)象在DMIS標(biāo)準(zhǔn)中均有相關(guān)定義。檢測(cè)規(guī)劃系統(tǒng)中每個(gè)測(cè)量工序都是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的測(cè)量過(guò)程，因此每個(gè)測(cè)量工序?qū)?yīng)生成一個(gè)DMIS程序段。在需要生成DMIS時(shí)，只需要遍歷測(cè)量工序列表下的對(duì)象，并根據(jù)DMIS標(biāo)準(zhǔn)生成相應(yīng)的程序段即可。

例如需要生成CATIA幾何特征對(duì)象（比如圖5中的“平面.1”）對(duì)應(yīng)的DMIS程序段時(shí)，其算法流程如圖6所示。

由于DMIS標(biāo)準(zhǔn)中幾何特征分類與CATIA有所不同，因此在獲取幾何特征類型時(shí)需要做對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)化。

2.3 測(cè)量流程控制與管理

在檢測(cè)規(guī)劃系統(tǒng)中設(shè)計(jì)好測(cè)量規(guī)劃后，導(dǎo)出XML格式的測(cè)量規(guī)劃描述文件，該文件中包含測(cè)量規(guī)劃的樹(shù)形結(jié)構(gòu)、測(cè)量流程的定義和測(cè)量程序等信息，檢測(cè)綜合管理系統(tǒng)根據(jù)此文件生成測(cè)量流程，并進(jìn)行流程的控制與管理。

檢測(cè)綜合管理系統(tǒng)基于柔性流程定制平臺(tái)開(kāi)發(fā)[6]，該平臺(tái)是本課題組的研究成果，能夠基于XML對(duì)工作流程進(jìn)行定義，用于自動(dòng)生成測(cè)量流程，如圖8所示。

圖7 自動(dòng)生成測(cè)量流程示意圖

在檢測(cè)綜合管理系統(tǒng)中上傳測(cè)量規(guī)劃描述文件后，系統(tǒng)對(duì)上傳的文件進(jìn)行解析，并且在后臺(tái)完成生成測(cè)量流程的XML文件、添加流程主記錄、發(fā)布流程、將流程節(jié)點(diǎn)與DMIS文件相關(guān)聯(lián)等操作，并通過(guò)柔性流程定制平臺(tái)進(jìn)行流程流轉(zhuǎn)控制、流程監(jiān)控等。

2.4 測(cè)量工藝模型的輕量化表示

模型輕量化可以將產(chǎn)品三維模型文件轉(zhuǎn)換為體積小、便于瀏覽和傳遞的文件格式，用于滿足特定的工程需求[7]。

在測(cè)量流程執(zhí)行過(guò)程中提供產(chǎn)品三維模型瀏覽功能可以給檢測(cè)工人提供直觀的檢驗(yàn)依據(jù)，有助于提高檢驗(yàn)效率。如果將原始的產(chǎn)品三維模型用于模型瀏覽，可能因?yàn)槟Ｐ蛿?shù)據(jù)量大而耗費(fèi)大量時(shí)間和系統(tǒng)資源，因此本系統(tǒng)使用Actify公司的Spinfire軟件生成CATIA三維模型的輕量化模型，用于模型瀏覽。

SpinFire提供的三維模型瀏覽器是一個(gè)ActiveX插件，能將輕量化模型嵌入到網(wǎng)頁(yè)中顯示，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量工藝模型的輕量化表示，如圖8所示。

圖8 輕量化模型瀏覽

3 實(shí)例驗(yàn)證

以NIST提供的DML測(cè)試樣件為例對(duì)數(shù)字化集成檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證過(guò)程如圖9所示。

在檢測(cè)綜合管理系統(tǒng)中下載DML樣件模型，在基于CATIA環(huán)境的檢測(cè)規(guī)劃系統(tǒng)中對(duì)DML樣件進(jìn)行檢測(cè)規(guī)劃，然后將DML樣件規(guī)劃結(jié)果上傳至監(jiān)測(cè)綜合管理系統(tǒng)，此時(shí)在系統(tǒng)中生成檢測(cè)流程及輕量化模型。

在檢測(cè)綜合管理系統(tǒng)中執(zhí)行DML樣件的檢測(cè)流程，此時(shí)可以查看流程以確定當(dāng)前工序，也可查看DML樣件模型圖。在流程執(zhí)行的同時(shí)進(jìn)行流程監(jiān)控，下載并查看檢測(cè)結(jié)果。

4 結(jié)論

本文利用CAA對(duì)CATIA進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，解決產(chǎn)品三維檢測(cè)中的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)三維數(shù)字化集成檢測(cè)原型系統(tǒng)，為三維數(shù)字化集成檢測(cè)系統(tǒng)的工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

圖9 實(shí)例驗(yàn)證

[1] Thomas G Melson.AIMS Metrology[R].Maryland USA:National Institute of Standards and Technology (NIST),2007.

[2] DASSAULT SYSTEMS.CAA V5 for CATIA Foundations[Z].2001.

[3] 秦鵬.計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)規(guī)劃系統(tǒng)的研究[D].北京:清華大學(xué),2004.

[4] NIST.High-Level Inspection Process Planning (HIPP) Minutes[EB/OL]. http://www.isd.mel.nist.gov/projects/metrology_interoperability/HIPP_presentations/HIPPminutes2006-4-25.doc, 2007-5-3/2010-9-28.

[5] CAM-I, Inc.ANSI/CAM-I 104.0-2001,Part 1.Dimensional Measuring Interface Standard Part 1 Revision 04.0[S],2001.

[6] 徐慶豐,段桂江.支持過(guò)程柔性的質(zhì)量管理系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2009,31:78-82.

[7] 降宇波.三維輕量化模型的工程應(yīng)用[J].河套大學(xué)學(xué)報(bào).2009,6:61-64.