飛機(jī)零件MBD模型規(guī)范性檢查知識(shí)庫(kù)技術(shù)*

□ 王 凱 □ 許建新 □ 蒲 娟 □ 王 成

西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院制造軟件研究所 西安 710072

在數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造環(huán)境下，三維CAD模型是數(shù)字化信息鏈的源頭，是工程分析、虛擬裝配、數(shù)字樣機(jī)、數(shù)控加工等的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。但是，在產(chǎn)品三維CAD建模過(guò)程中，由于種種原因會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量上的缺陷和不規(guī)范，這些缺陷和不規(guī)范可能會(huì)引起后續(xù)使用的各種問(wèn)題。比如曲面上某點(diǎn)處的曲率半徑過(guò)小，將使后續(xù)的數(shù)控加工不能正常進(jìn)行。更為嚴(yán)重的是，數(shù)據(jù)質(zhì)量的缺陷，如果不能在設(shè)計(jì)階段被及時(shí)發(fā)現(xiàn)和改正，由此引起的產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題可能在制造甚至產(chǎn)品使用階段才能被發(fā)現(xiàn)，這會(huì)給企業(yè)帶來(lái)產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期延長(zhǎng)以及直接的經(jīng)濟(jì)損失。

在飛機(jī)制造領(lǐng)域，產(chǎn)品品種多、批量小、要求高、研制周期長(zhǎng)、使用周期短，這就要求工藝技術(shù)具有足夠的快速應(yīng)變能力，要求在軍工企業(yè)型號(hào)產(chǎn)品研制過(guò)程中，需要對(duì)新設(shè)計(jì)產(chǎn)品的零部件的結(jié)構(gòu)、材料、精度要求等方面進(jìn)行審查，以確定產(chǎn)品的可制造性。而在企業(yè)中，可制造性評(píng)價(jià)往往也由工藝人員憑個(gè)人的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)積累進(jìn)行，速度慢，效率低，很難適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)多品種、小批量的市場(chǎng)需求。因此，對(duì)于飛機(jī)制造企業(yè)來(lái)說(shuō)，建立面向并行工程的產(chǎn)品模型規(guī)范知識(shí)庫(kù)顯得尤為重要，從而有利于設(shè)計(jì)人員、工藝工裝人員以及加工人員更好地協(xié)調(diào)［1］。

鑒于目前企業(yè)現(xiàn)狀，根據(jù)航空工業(yè)關(guān)于MBD技術(shù)的規(guī)范手冊(cè)以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)/制造各階段人員的經(jīng)驗(yàn)，研究開發(fā)了一套飛機(jī)零件MBD模型規(guī)范性檢查知識(shí)庫(kù)技術(shù)，并提出了“模型信息輸入-知識(shí)搜索匹配-檢查規(guī)范配置”模式的檢查規(guī)范報(bào)表定制流程。在企業(yè)里，設(shè)計(jì)人員、工藝人員、工裝人員以及生產(chǎn)加工人員可以根據(jù)產(chǎn)品模型信息進(jìn)行規(guī)范的檢索，形成零件檢查規(guī)范報(bào)表，并最終打印出來(lái)供使用或參考。

1 基于MBD的產(chǎn)品模型質(zhì)量控制體系

1.1 MBD概念

MBD技術(shù)是目前飛機(jī)行業(yè)領(lǐng)域推行的新一代產(chǎn)品定義方法，其核心是全三維的特征表述、并行協(xié)同的文檔驅(qū)動(dòng)模式、高度工程化等。 MBD（ModelBased Definition），即基于模型的定義，是一種面向計(jì)算機(jī)應(yīng)用的產(chǎn)品數(shù)字化定義技術(shù)，其核心思想是用一個(gè)集成的三維實(shí)體模型完整地表達(dá)產(chǎn)品定義信息，實(shí)現(xiàn)面向制造的設(shè)計(jì)。即將設(shè)計(jì)信息和制造信息 （產(chǎn)品幾何信息、三維尺寸標(biāo)注及各種工藝信息等）共同定義到產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型中，保證設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的唯一性［2］。

▲圖1 基于MBD技術(shù)的產(chǎn)品模型質(zhì)量控制體系

采用MBD制造技術(shù)后，MBD模型成為產(chǎn)品幾何與非幾何信息的唯一載體。因此，MBD模型不僅成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中同一零部件設(shè)計(jì)對(duì)象的唯一輸出結(jié)果，也成為工藝、工裝等部門直接開展工藝和工裝設(shè)計(jì)的唯一數(shù)據(jù)源。同時(shí)，MBD模型為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)的一體化管理創(chuàng)造了技術(shù)條件，從而真正形成可操作、可實(shí)施的產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)程［3］。

1.2 基于MBD的產(chǎn)品模型質(zhì)量控制體系

為了全面考慮設(shè)計(jì)、制造各階段對(duì)于產(chǎn)品三維模型的要求，保證最終產(chǎn)品三維模型的品質(zhì)，提出了基于MBD技術(shù)的產(chǎn)品模型質(zhì)量控制體系。依據(jù)零件MBD模型的結(jié)構(gòu)樹，考慮并行工程的要求，對(duì)于每一項(xiàng)建立合適的檢查規(guī)范要素，包含圖形的顯示/隱藏、實(shí)體的規(guī)范性、參數(shù)的規(guī)范性以及工藝性審查等要素，具體的質(zhì)量控制體系見圖1。

基于MBD技術(shù)的產(chǎn)品模型質(zhì)量控制體系包含了產(chǎn)品設(shè)計(jì)/制造的各方面要素，能為后期知識(shí)庫(kù)的建立提供全面的依據(jù)，保證了最終產(chǎn)品的質(zhì)量。

這些規(guī)范要素從大的方面分為兩類，一是幾何信息的規(guī)范性，二是非幾何信息的規(guī)范性。

1.2.1 幾何信息的規(guī)范性

（1）工程幾何信息（Engineering Geometry），主要包含坐標(biāo)系和基準(zhǔn)面的規(guī)范性；

（2）外部參考（External References），主要包含關(guān)聯(lián)關(guān)系的規(guī)范性；

（3）構(gòu)建幾何（Construction Geometry），主要包含在工程幾何和外部參考的基礎(chǔ)上構(gòu)建的零件實(shí)體所需的幾何數(shù)據(jù)的規(guī)范性；

（4）零件實(shí)體（Part Body），主要包含總體特征規(guī)范要素、獨(dú)立特征規(guī)范要素、工藝凸臺(tái)規(guī)范要素等。1.2.2 非幾何信息的規(guī)范性

（1）標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)明（Standard Notes），主要包含知識(shí)產(chǎn)權(quán)和有關(guān)管理信息的規(guī)范性；

（2）零件說(shuō)明（Part Notes），主要包含制造工藝要求的規(guī)范性；

（3）標(biāo)注說(shuō)明（Annotation Notes），主要包含旗注（FlagNote）和旗注說(shuō)明的規(guī)范性；

（4）標(biāo)注設(shè)置 （Annotations Set），主要包含基準(zhǔn)、尺寸和公差標(biāo)注的規(guī)范性；

（5）材料描述（Material Description），主要包含原材料需求定義的規(guī)范性;

（6）其它定義數(shù)據(jù)，主要包含審核狀態(tài)標(biāo)記（Approval Status） 和出 口控制 標(biāo) 記 （Export Control Classification Number，ECCN）的規(guī)范性。

2 飛機(jī)零件檢查需求分析

飛機(jī)零件種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造各階段都有不同的要求，這使檢查規(guī)范的需求分析變得異常困難。為了后期建立的檢查規(guī)范全面可靠以及數(shù)據(jù)模型建立的方便性，根據(jù)實(shí)際的各專業(yè)廠調(diào)研以及MBD技術(shù)的要求，可以按照下面六大類進(jìn)行飛機(jī)零件MBD模型的檢查需求分析，包括合理性、穩(wěn)健性、標(biāo)準(zhǔn)化、高效性、經(jīng)濟(jì)性以及可加工性。

（1）合理性。機(jī)器的整體布局和整體結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單（以便于加工、檢測(cè)、裝配和維護(hù)）；產(chǎn)品各部分、各總成之間裝配關(guān)系是否合理，結(jié)構(gòu)是否便于裝配定位；操作空間是否足夠；零件要有足夠的工藝通路（考慮刀具的尺寸和可達(dá)性），以避免零件上出現(xiàn)無(wú)法加工的區(qū)域；定位基準(zhǔn)應(yīng)合理，并盡量統(tǒng)一，以保證加工精度和便于裝夾；去除細(xì)小的面；進(jìn)行合理的容差分配；凹槽深度應(yīng)該小于上限值。

（2）穩(wěn)健性。把零件的幾個(gè)加工表面布置在同一個(gè)平面上或是同一個(gè)軸線上（可以減小形位誤差,提高零件的質(zhì)量）；采用強(qiáng)力切削，必須考慮零件的結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的剛度 （避免由于切削時(shí)的振動(dòng)而影響零件的表面粗糙度）；在保證零件的設(shè)計(jì)強(qiáng)度和剛度要求的前提下，應(yīng)根據(jù)載荷的分布情況合理地選擇零件截面尺寸和形狀、并盡可能減重；應(yīng)盡量采用可以提高零件抗疲勞性能的措施，如采取截面變化均勻過(guò)渡，盡量采取合理的倒圓、增加加強(qiáng)槽和窩，以降低應(yīng)力集中；槽深度與底角半徑比≤3.5。

（3）標(biāo)準(zhǔn)化。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化與零件的各種參數(shù)和結(jié)構(gòu)要素標(biāo)準(zhǔn)化，以簡(jiǎn)化刀具和量具的品種及規(guī)格；骨架結(jié)構(gòu)、蒙皮結(jié)構(gòu)是否適于現(xiàn)有工藝手段進(jìn)行，如焊接、點(diǎn)焊、脹拉等工藝手段進(jìn)行加工、裝配；應(yīng)盡量采用CATIA所具有的特征定義的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便于零件的更改和制造過(guò)程中的識(shí)別；盡可能用直線、平面或直母線的旋轉(zhuǎn)體來(lái)設(shè)計(jì)零件形狀。

（4）高效性。要盡量減少加工表面數(shù)量和加工表面面積,合理地確定毛坯尺寸；各調(diào)整點(diǎn)、維修點(diǎn)是否便于接近，空間是否足夠；須拆卸處是否便于拆卸、安裝；用最少的PATCH來(lái)生成曲面，以滿足制造和設(shè)計(jì)對(duì)曲面的準(zhǔn)確性和光滑性的要求；用盡可能少的曲面構(gòu)造外形；盡可能不生成三角曲面片，避免在曲面片尖點(diǎn)處發(fā)生法矢倒轉(zhuǎn)；避免將曲率完全不同的域組合到一張曲面中，應(yīng)分割曲率差別較大的曲面；零件的建模順序應(yīng)盡可能與機(jī)械加工順序一致；銑床加工的零件應(yīng)設(shè)計(jì)相對(duì)統(tǒng)一的圓角半徑，以減少刀具種類和加工工序；設(shè)計(jì)基準(zhǔn)與工藝基準(zhǔn)應(yīng)盡量統(tǒng)一，以避免加工過(guò)程復(fù)雜化，同時(shí)可獲得較高的加工精度和較好的零件互換性，也可簡(jiǎn)化零件檢測(cè)；相同的結(jié)構(gòu)要素應(yīng)盡可能統(tǒng)一尺寸，以簡(jiǎn)化制造過(guò)程；倒角、底角要統(tǒng)一。

（5）經(jīng)濟(jì)性。合理地選擇材料并正確地確定尺寸；選擇合理的配合面，盡量減少和縮小基準(zhǔn)面和精加工面。

（6）可加工性。對(duì)非直紋曲面，用低階數(shù)的曲線來(lái)生成曲面的控制曲線；應(yīng)盡可能地采用直紋曲面；外形曲面片的劃分應(yīng)便于加工和成形；需要鉆孔的零件應(yīng)有良好的可操作性和可達(dá)性，例如方孔、長(zhǎng)方孔、帶銑槽的孔、套齒孔等一般不能設(shè)計(jì)成盲孔；非直紋面轉(zhuǎn)化成直紋面；避免閉角殘留；角半徑一般要大于刀具半徑0.5mm；避免零件上的凸起實(shí)體［4］。

3 知識(shí)庫(kù)結(jié)構(gòu)

飛機(jī)零件MBD模型規(guī)范性檢查知識(shí)庫(kù)的關(guān)鍵技術(shù)就是檢查規(guī)范數(shù)據(jù)模型的建立，通過(guò)上面檢查規(guī)范六大類的需求分析，結(jié)合零件設(shè)計(jì)/制造各階段的不同要求，可以對(duì)檢查規(guī)范進(jìn)行如下的分類和數(shù)據(jù)模型的建立。

3.1 檢查規(guī)范的分類

航空制造企業(yè)零件種類繁多，而且基于MBD技術(shù)的產(chǎn)品三維模型包含了產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制造的各階段信息，這導(dǎo)致飛機(jī)零件檢查規(guī)范分類困難。為了解決這些難題，以產(chǎn)品類型、模型類型以及標(biāo)準(zhǔn)、幾何、設(shè)計(jì)方法三大類進(jìn)行規(guī)范的劃分。在此三大類下面又根據(jù)產(chǎn)品類型以及模型類型的不同進(jìn)行檢查集細(xì)分，比如，命名規(guī)范檢查、結(jié)構(gòu)樹檢查、草圖檢查、三維標(biāo)注檢查、工程圖檢查、通用設(shè)置檢查、曲線檢查、曲面檢查、面體檢查、視圖檢查、顯示檢查、加工檢查等，圖2是檢查規(guī)范的分類。

3.2 檢查規(guī)范數(shù)據(jù)模型的建立

在歸納總結(jié)國(guó)標(biāo)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及檢查經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立零件模型設(shè)計(jì)規(guī)范。采用知識(shí)的形式化表達(dá)方法，構(gòu)建零件模型檢查規(guī)范，最后采用數(shù)據(jù)庫(kù)方式表示出檢查規(guī)范描述性知識(shí)。最終形成的檢查規(guī)范數(shù)據(jù)模型包括規(guī)范編號(hào)、規(guī)范中文名稱、規(guī)范英文名稱、零件類型、模型類型、所屬檢查集、功能描述、判定值集合、判定值配置說(shuō)明、來(lái)源、錯(cuò)誤級(jí)別等，錯(cuò)誤級(jí)別數(shù)值越高，對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤越嚴(yán)重。下面以其中一條關(guān)于倒角的規(guī)范“不允許的倒角角度”，說(shuō)明檢查規(guī)范數(shù)據(jù)模型的知識(shí)化表達(dá)。

▲圖2 檢查規(guī)范分類

NormNum：0010

NormChName：不允許的倒角角度

NormEnName：Non-AllowedChamferAngle

PartType：機(jī)加工件、鈑金件

ModelType：設(shè)計(jì)模型

Collection：實(shí)體特征檢查

FunctionDes：倒角的角度是否符合規(guī)定值

ValueColl：按照企業(yè)規(guī)定

Configuration：按照企業(yè)規(guī)定配置

Source：企業(yè)級(jí)規(guī)定

ErrorLevel：3

知識(shí)說(shuō)明：對(duì)于機(jī)加工件、鈑金件設(shè)計(jì)模型的實(shí)體倒角的角度值要求符合企業(yè)規(guī)定值。

檢查說(shuō)明：如果被檢查零件的倒角角度是ValueColl中的值，那么就不符合本企業(yè)規(guī)定的關(guān)于倒角角度的規(guī)范。

其中的檢查集就是檢查規(guī)范的集合，最終形成的檢查集數(shù)據(jù)模型包括檢查集編號(hào)、檢查集名稱、零件類型、模型類型、功能描述、包含檢查規(guī)范數(shù)目、來(lái)源等，下面以其中一條“實(shí)體特征檢查”倒角的規(guī)范，說(shuō)明檢查集數(shù)據(jù)模型的知識(shí)化表達(dá)。

NormColleNum：011

NormColleName：實(shí)體特征檢查

PartType：機(jī)加工件

ModelType：設(shè)計(jì)模型

FunctionDes：對(duì)于實(shí)體各種特征的檢查Number：23

Source：航標(biāo)、企業(yè)級(jí)規(guī)定等

知識(shí)說(shuō)明：對(duì)于機(jī)加工件設(shè)計(jì)模型的各種實(shí)體特征的檢查，包含23條檢查規(guī)范。

▲圖3 檢查規(guī)范報(bào)表定制流程

4 檢查規(guī)范報(bào)表定制流程

本知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫(kù)方式和程序方式，分別表示出檢查規(guī)范描述性知識(shí)和過(guò)程性知識(shí)，最終提出“模型信息輸入-知識(shí)搜索匹配-檢查規(guī)范配置”的檢查規(guī)范報(bào)表定制流程，圖3是零件檢查規(guī)范報(bào)表具體的定制流程［5-6］。

在定制檢查規(guī)范報(bào)表之前，首先要全面分析零件模型，包括零件設(shè)計(jì)信息、加工信息、檢查需求以及加工需求，然后再進(jìn)行檢查規(guī)范的知識(shí)搜索匹配，找到合適的檢查規(guī)范，形成以零件命名的檢查規(guī)范報(bào)表，最后進(jìn)行打印。

最終形成的檢查規(guī)范報(bào)表，是依據(jù)企業(yè)要求和零件特點(diǎn)，對(duì)于模型所要檢查內(nèi)容進(jìn)行歸納總結(jié)，形成一個(gè)檢查規(guī)范的集合，它涵蓋了模型的規(guī)范性、幾何、設(shè)計(jì)方法學(xué)以及工藝性等各方面的內(nèi)容。各類模型設(shè)計(jì)人員、工藝工裝設(shè)計(jì)人員以及生產(chǎn)加工人員，都可以直接拿來(lái)使用或者參考。

零件檢查規(guī)范報(bào)表的定制步驟如下。

（1）直接使用檢查規(guī)范報(bào)表實(shí)例。選擇零件類型（機(jī)加工件、鈑金件、復(fù)合材料、裝配件）和模型類型（設(shè)計(jì)模型、工藝模型、工裝模型）進(jìn)行檢索，如果檢索出的檢查規(guī)范完全滿足使用人員的需求，就可以配置所有的檢查規(guī)范并最終打印報(bào)表。如果不能滿足使用人員的需求，那么就進(jìn)行步驟（2）的操作。

（2）個(gè)性化定制檢查規(guī)范報(bào)表。這種方式的檢查規(guī)范，其選擇包含兩種途徑，即檢查集檢索和檢查規(guī)范檢索。 ①檢查集檢索。選擇檢查集，如果檢索出的檢查規(guī)范是使用人員需求的，就可以進(jìn)行檢查規(guī)范的配置并歸入到零件檢查規(guī)范報(bào)表當(dāng)中。②檢查規(guī)范檢索。輸入檢查規(guī)范名稱關(guān)鍵詞，如果檢索出的檢查規(guī)范是使用人員需求的，就可以進(jìn)行檢查規(guī)范的配置并歸入到零件檢查規(guī)范報(bào)表當(dāng)中。具體定制流程見圖3。

其中零件信息模型與檢查規(guī)范報(bào)表的定義為：

//定義零件信息

typedef struct partcheck

▲圖4 檢查規(guī)范知識(shí)庫(kù)的應(yīng)用

5 應(yīng)用

圖4是以某飛機(jī)結(jié)構(gòu)件XX梁三維模型的檢查為例，說(shuō)明檢查規(guī)范知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)的應(yīng)用以及實(shí)際的操作過(guò)程。

這里需要檢查的是XX梁 （機(jī)加工件）的設(shè)計(jì)模型，最后使用CATIA中的檢查工具Q-checker進(jìn)行檢查的實(shí)施。首先根據(jù)零件信息、零件檢查需求以及知識(shí)庫(kù)中實(shí)例化的檢查規(guī)范報(bào)表，確定使用個(gè)性化定制檢查規(guī)范報(bào)表，通過(guò)檢查需求的關(guān)鍵詞，搜索找到合適的檢查規(guī)范并最終輸出XX梁檢查規(guī)范報(bào)表。然后調(diào)用Q-checker進(jìn)行檢查規(guī)范的一一配置，輸入零件模型以及配置好的檢查模板進(jìn)行檢查，輸出檢查報(bào)告。

6 結(jié)論

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際所開發(fā)的飛機(jī)零件MBD模型檢查規(guī)范性檢查知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)，已經(jīng)在某專業(yè)飛機(jī)制造廠的設(shè)計(jì)、工藝、工裝、生產(chǎn)部門進(jìn)行了初步使用，結(jié)果表明，整個(gè)系統(tǒng)具備如下優(yōu)點(diǎn)。

（1）以現(xiàn)成檢查集作為知識(shí)的基本單元，檢查集類別豐富完整，且相互獨(dú)立，易于知識(shí)庫(kù)的維護(hù)；

（2）界面友好，功能完善，操作簡(jiǎn)單，知識(shí)的表現(xiàn)形式多樣，且支持多用戶，數(shù)據(jù)由系統(tǒng)管理員統(tǒng)一管理，保證數(shù)據(jù)的安全性；

（3）知識(shí)齊全可靠，該系統(tǒng)涵蓋了上下游的模型設(shè)計(jì)與審查規(guī)范，每一條規(guī)范都是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐檢驗(yàn)的；

（4）功能覆蓋面廣，系統(tǒng)可以為設(shè)計(jì)人員、工藝/工裝人員、生產(chǎn)制造人員提供相應(yīng)的參考和反饋渠道。

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