三維數字化集成檢測系統實現關鍵技術研究

杜福洲，梁海澄

（北京航空航天大學 機械工程與自動化學院，北京 100191）

0 引言

當前制造業信息化已基本實現了從產品設計過程的數字化、無紙化，但產品制造與檢測過程仍采用二維圖紙作為制造或檢測工藝的表達方式，這造成了二義性、檢測規劃與產品設計更改不同步等問題。因此，如何實現真正的無圖化、無紙化的三維數字化檢測，是當前的一個重要發展方向。

CATIA (Computer Aided Tri-dimensional Interface Application)軟件是法國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標準，能夠基于產品三維模型定義完整的尺寸信息、公差與標注信息和工藝信息，這為基于CATIA的三維數字化集成檢測系統提供了基礎數據定義，因此基于CATIA開發數字化集成檢測系統能夠減少基礎開發工作，加深對數字化集成檢測系統業務過程的研究。同時，當前眾多成熟的產品模型特征分析和測量規劃理論對數字化檢測系統業務過程的研究和實現提供了豐富的理論依據；而相關的DMIS、I++ DME和DML等工業標準則為三維數字化集成檢測系統的實現提供了技術規范。

綜上所述，本文借助CATIA二次開發工具對CATIA相關模塊進行二次開發，解決三維數字化檢測中的關鍵技術，開發三維數字化集成檢測原型系統。

1 三維數字化集成檢測系統整體方案

借鑒波音公司AIMS系統中數字化檢測的實現方案，本研究將三維數字化集成檢測系統劃分為兩個分系統：基于CATIA二次開發的檢測規劃系統和基于B/S架構的信息管理系統，如圖1所示。

計算機輔助檢測規劃系統基于CATIA二次開發實現。該系統識別并提取產品三維模型中的幾何特征與公差信息，制定測量需求。根據測量需求，通過必要的分析選擇合理的測量設備。制定測量順序及其分布的規劃，生成無碰撞的檢測路徑，對檢測路徑進行優化。規劃結果輸出為XML格式的文件，經過轉換器生成測量程序文件，測量程序文件由后置處理器生成測量設備控制命令，執行測量過程。

產品測量信息模型是整個系統平臺統一的數據源。把提取出的產品幾何特征與公差信息轉化為測量特征信息。將產品三維模型、測量任務信息、測量規劃信息、測量規劃信息、測量結果等集成在同一信息模型中，減少由于產品三維模型更改造成的信息數據不一致等現象。

三維數字化檢測綜合管理系統為產品測量信息模型的統一管理提供信息化支持。該系統建立并維護產品三維模型與各種測量信息（測量任務、測量規劃、測量程序、測量結果）的關聯關系，當產品三模型設計更改時，各種測量模型自動同步更新或者在工藝人員的參與下同步更新。同時，利用B/S架構系統的界面優勢，該系統可輸出產品輕量化視圖以及測量結果的各種分析報表。此外，該系統還對各種測量設備進行統一管理，供檢測規劃系統調用。

圖1 三維數字化集成檢測系統整體方案

圖2 三維數字化集成檢測系統業務流程

集成質量管理系統由一系列集成化質量控制、質量管理和質量工具支持模塊構成，符合企業質量保證體系，并且可擴展性好。將檢測規劃系統與系統進行集成，能實現對產品三模型、測量設備、檢測規劃與測量程序的綜合分析利用，并且利用其集成化質量控制模塊可實現生產過程的質量控制。

在上述系統方案中，集成質量管理系統及其質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量管理軟件系統，因此本研究重點在于檢測規劃系統和檢驗綜合管理系統的研究，系統業務流程如圖2所示。

檢驗規劃系統主要進行產品檢驗流程的制定，以及各流程節點的工序設計；檢驗綜合管理系統主要以產品三維模型為線索，進行檢測流程的管理和測量結果的管理。

設計人員設計好產品三維模型后，將設計模型文件上傳至檢測綜合管理系統。

檢測工藝人員從檢測綜合管理系統中將產品三維模型下載到本地，使用檢測規劃系統進行檢測規劃設計，并將設計結果上傳到檢測綜合管理系統中。此時檢測綜合管理系統解析檢測規劃結果，并生成相應的檢測流程。

測量現場工人使用檢測綜合管理系統開啟或繼續檢測流程，檢測流程的每個節點都是一個測量工序。在執行具體測量工序時，測量現場工人下載測量工序相關文件（對于人工測量是工藝文件，對于自動測量則是測量程序），然后執行具體的產品測量，并將測量結果上傳到檢測綜合管理系統。

設計人員可以在檢測綜合管理系統中監控檢測流程，對產品測量的結果進行分析，如有需要則及時對產品設計進行修改并更新到檢測綜合管理系統中。

2 關鍵技術實現

根據對三維數字化集成檢測方案的研究，要實現三維數字化集成檢測系統的關鍵技術包括：檢驗規劃系統中產品特征的識別與信息提取、測量程序的自動生成，檢測綜合管理系統中測量流程的控制與管理、測量工藝模型的輕量化表示。

2.1 三維模型特征的識別與信息提取

檢驗規劃系統設計主要涉及產品三維模型中三維標注特征與幾何特征的識別與信息提取。在具體開發過程中，使用CATIA公差與標注模塊及幾何特征模塊的接口進行二次開發。

CATIA公差與標注模塊（Functional Tolerancing & Annotation）提供了相關接口操作產品中關聯的公差與標注信息，這些接口在CAA中稱為TPS對象（Technological Product Specification）。公差與標注模塊的TPS對象模型如圖3所示。該圖展示了CATIA中對公差結構的定義，圖中每一個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TPS對象模型實現了對形狀公差（CATITPSForm）、位置公差（CATITPSPosition）、尺寸公差（CATITPSDimension）、基準（CATITPSDatum）、粗糙度（CATITPSRoughness）的定義，只要使用公差和標注模塊提供的接口就可以實現對TPS特征對象屬性信息的提取。

圖3 TPS對象模型圖

例如對于一個長度尺寸公差對象，可以提取出如表1所示的公差信息，包括了上下偏差，及其關聯的幾何特征等。

表1 長度尺寸公差信息

圖4 TTRS對象結構圖

檢測規劃系統所提取的幾何特征并不是獨立的幾何特征，而是與公差信息相關聯的幾何特征，這類幾何特征在CATIA的公差與標注模塊中被封裝為TTRS對象（Technologicaly and Topologicaly Related Surfaces）。TTRS對象的作用是關聯TPS對象與幾何特征對象，如圖4所示。

首先，通過TPS對象可以獲取相關聯的TTRS對象，然后通過TTRS領域模型中的RGE對象（Related Geometric Element），則可以獲取到與TPS對象關聯的幾何特征對象，例如CATPoint、CATCurve、CATSurface，通過調用上述三個對象的接口方法，可提取出點線面中的幾何信息。

2.2 測量程序的自動生成

DMIS標準（Dimensional Measuring Interface Standard，尺寸測量接口標準）是尺寸測量領域的工業標準，它為軟件系統與尺寸測量設備之間的通信提供統一的數據格式[5]。本研究將基于DMIS標準來生成測量程序，用于驅動尺寸測量設備工作。

如圖5所示，是檢測規劃系統的測量規劃在CATIA中的樹形結構。

圖5 測量規劃的樹形圖

圖6 生成DMIS程序的算法流程

測量規劃包含了多個測量工序，每個測量工序都包含一個測量對象的列表，列表中的每個對象在DMIS標準中均有相關定義。檢測規劃系統中每個測量工序都是一個相對獨立的測量過程，因此每個測量工序對應生成一個DMIS程序段。在需要生成DMIS時，只需要遍歷測量工序列表下的對象，并根據DMIS標準生成相應的程序段即可。

例如需要生成CATIA幾何特征對象（比如圖5中的“平面.1”）對應的DMIS程序段時，其算法流程如圖6所示。

由于DMIS標準中幾何特征分類與CATIA有所不同，因此在獲取幾何特征類型時需要做對應轉化。

2.3 測量流程控制與管理

在檢測規劃系統中設計好測量規劃后，導出XML格式的測量規劃描述文件，該文件中包含測量規劃的樹形結構、測量流程的定義和測量程序等信息，檢測綜合管理系統根據此文件生成測量流程，并進行流程的控制與管理。

檢測綜合管理系統基于柔性流程定制平臺開發[6]，該平臺是本課題組的研究成果，能夠基于XML對工作流程進行定義，用于自動生成測量流程，如圖8所示。

圖7 自動生成測量流程示意圖

在檢測綜合管理系統中上傳測量規劃描述文件后，系統對上傳的文件進行解析，并且在后臺完成生成測量流程的XML文件、添加流程主記錄、發布流程、將流程節點與DMIS文件相關聯等操作，并通過柔性流程定制平臺進行流程流轉控制、流程監控等。

2.4 測量工藝模型的輕量化表示

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

在測量流程執行過程中提供產品三維模型瀏覽功能可以給檢測工人提供直觀的檢驗依據，有助于提高檢驗效率。如果將原始的產品三維模型用于模型瀏覽，可能因為模型數據量大而耗費大量時間和系統資源，因此本系統使用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ActiveX插件，能將輕量化模型嵌入到網頁中顯示，從而實現測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 實例驗證

以NIST提供的DML測試樣件為例對數字化集成檢測系統進行了驗證，驗證過程如圖9所示。

在檢測綜合管理系統中下載DML樣件模型，在基于CATIA環境的檢測規劃系統中對DML樣件進行檢測規劃，然后將DML樣件規劃結果上傳至監測綜合管理系統，此時在系統中生成檢測流程及輕量化模型。

在檢測綜合管理系統中執行DML樣件的檢測流程，此時可以查看流程以確定當前工序，也可查看DML樣件模型圖。在流程執行的同時進行流程監控，下載并查看檢測結果。

4 結論

本文利用CAA對CATIA進行二次開發，解決產品三維檢測中的關鍵技術，設計三維數字化集成檢測原型系統，為三維數字化集成檢測系統的工程應用提供理論基礎和技術支持。

圖9 實例驗證

[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.計算機輔助檢測規劃系統的研究[D].北京:清華大學,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.支持過程柔性的質量管理系統研究與實現[J].制造業自動化,2009,31:78-82.

[7] 降宇波.三維輕量化模型的工程應用[J].河套大學學報.2009,6:61-64.