基于MBD的數字化檢測工藝系統研究與應用

杜寶瑞，陳靖樂，葉柏超，孫業翔，屈力剛

（沈陽航空航天大學 航空制造工藝數字化國防重點學科實驗室，沈陽 110136）

0 引言

近年來，隨著工業現代化和信息化的飛速發展，行業對制造精度和產品質量提出了更高的要求。航空企業已逐步實現了設計、制造和裝配的數字化[1]，而檢驗日益成為企業數字化環節的瓶頸，雖然部分企業已經應用數字化測量設備進行檢測，但是檢驗模式仍然是依據二維圖紙手工檢驗和依據三維數模數控檢測相結合的手段[2]。

MBD（Model Based Definition），即基于模型的工程定義，是一個用集成的三維實體模型來完整表達產品定義信息的方法，它詳細規定了三維實體模型中產品尺寸、公差的標注規則和工藝信息的表達方法[3]。基于MBD的數字化檢測技術以產品設計、制造過程中的數字模型為數據基礎，制定合理的檢測工藝規劃，利用數字化測量設備進行檢測，并將測量結果實時反饋至質量管理系統，分析產品質量并指導設計、加工部門改進產品質量。其在測量精度、測量效率、測量柔性等方面的優勢，是傳統檢測技術所無法達到的，尤其在航空復雜零部件的檢測方面技術優勢更加明顯。

1 技術體系研究

在MBD制造環境下，零件的幾何數據和產品制造信息全部包含在零件的三維數字模型中，數字模型成為產品工藝過程制造和檢驗的唯一依據[4]。與傳統的檢驗模式相比，基于MBD的數字化檢測工藝技術主要包括以下方面：模型可檢測性分析、檢測工藝規劃、檢測工藝仿真、檢測工藝審簽、檢測實施與結果表達、產品質量分析以及檢測過程的數據傳遞與管理，其技術體系如圖1所示。

圖1 技術體系

1.1 可檢測性分析

檢測模型是產品設計模型或工序模型在檢測階段的表現形式，它包含了零件所有的檢測信息，是檢測的唯一依據。可檢測性分析是指在檢測準備階段檢查檢測模型是否規范，提取所有的待檢測信息并判斷在現有檢測設備條件下是否能夠完成檢測。主要包括以下三個部分：

1）檢測模型定義

為了滿足MBD單一數據源的要求，使檢測模型包含所有的檢測信息，需要對檢測模型進行定義。MBD檢測模型需要包括零件的尺寸信息、形狀信息、輪廓信息、定向和定位信息等幾何信息，以及檢測工藝信息等非幾何信息[5]。MBD檢測模型的數據結構如圖2所示。在實際檢測過程中，有時只需對檢測模型的部分信息進行測量，在CAD軟件中將檢測模型的待檢測信息用特定的顏色或者圖層表示，即可根據需要提取特定的待檢測信息。

圖2 檢測模型數據結構

2）模型規范檢查

在設計階段，由于人為因素可能會導致檢測模型標注不規范或者信息不完整，造成檢測模型部分信息無法被檢測系統正確識別和提取。如圖3所示，通過制定標準的模型檢查規范，利用標注信息與特征之間的關聯關系，檢查出檢測模型中不規范的標注或者缺少的檢測信息，同時依據檢測設備資源庫分析各檢測目標是否能夠通過現有的檢測設備完成檢測，最后生成檢查報告反饋給上游設計部門，指導其對檢測模型進行修改和完善。

圖3 模型規范檢查

3）未注公差處理

通常情況下，為了減少設計人員的工作量，在零件的設計模型中符合相關標準的尺寸公差可以不用標注，但是在零件檢測過程中，測量的真值需要與檢測模型的理論值進行比較，從而判斷其超差情況。所以，對于檢測來說所有檢測尺寸的公差數據都需要在模型中進行標注。根據公差標準建立標準公差數據庫，在CAD軟件中提取出檢測模型中的所有未注公差尺寸，并根據標準公差數據庫對未注公差尺寸進行自動完善，得到包含所有檢測尺寸公差數據的檢測模型。

1.2 檢測工藝規劃

1）檢測目標分類與檢測任務分工

對于復雜零件的檢測來說，其檢測特征種類比較多，用一種檢測設備可能無法完成所有特征的測量。為了充分利用企業的檢測資源，提高檢測效率，需要對檢測模型進行檢測目標分類與檢測任務分工。如圖4所示，通過整合企業的檢測資源建立檢測設備資源庫，建立基于經驗的檢測任務分工知識庫，根據基準類別、特征類型、精度等級等對檢測模型的檢測目標進行分類并分配合適的檢測設備，生成相關文件，指導檢測現場操作。

圖4 檢測任務分工

2）檢測基準定位

在實際的檢測過程中，大部分零件都需要夾具定位后進行測量，為了使檢測過程更加規范化、流程化，保證檢測工藝規劃、檢測過程仿真與實際檢測過程的一致性，需要建立檢測夾具庫，生成裝配信息文件，指導檢測現場操作。

根據實際檢測過程中所用的夾具建立夾具模型庫，對不同的夾具進行分類管理，并由特定人員定期維護，保持夾具庫中的夾具與實際檢測過程中的夾具同步。在CAD軟件中訪問檢測夾具庫并調用合適的夾具，與檢測模型進行裝配，同時記錄零件型號、夾具型號和裝配約束信息，生成裝配信息文件并推送至檢測現場，檢測人員以此為依據進行夾具選擇與基準定位。

3）測量路徑規劃

為檢測目標分類并分配測量設備后，根據檢測目標的特征類型，按照相應的布點規則，在夾具裝夾后的檢測模型上布置測量點，創建測頭角度，根據各個測量點的空間位置關系對檢測順序進行合理規劃，生成測量路徑。

1.3 檢測工藝仿真

1）過程模擬與路徑優化

通過軟件生成的測量路徑可能會存在干涉，需要在數字化離線軟件環境中進行仿真驗證。通過模擬檢測過程，檢查是否會產生碰撞、測量設備超行程等錯誤，根據仿真結果對檢測路徑進行調整優化，包括調整測量點布置、調整測頭角度、添加安全平面、添加安全點等，保證測量過程準確、安全。

2）程序后處理

不同廠商的測量設備甚至同一廠商不同型號的測量設備所使用的檢測程序格式不盡相同，DMIS標準為計算機系統和測量機設備間雙向傳遞檢測數據提供了統一的標準，它制定了用于把檢測程序傳給三坐標測量設備，或者把尺寸和處理數據返回給分析、歸檔系統的語法表[6]。

如圖5所示，仿真驗證合格后，通過離線編程模塊生成標準DMIS格式的檢測程序，根據不同測量設備的格式要求開發后處理器，將其轉換成各個測量設備所能識別的數據格式，從而驅動測量設備進行測量。這種方法的優勢在于能夠在保留檢測設備原有的軟件系統情況下，實現原有系統和外界進行符合DMIS標準的雙向數據交流，并且投入少，開發周期短，非常適合對原有測量設備的系統升級和技術改造。

圖5 程序格式轉換

1.4 檢測工藝審簽

審簽是檢測過程不可缺少的環節，通過檢測工藝審簽可以及時發現由于疏忽或經驗不足，引起的檢測模型、檢測工藝規劃以及技術文件等方面的錯誤和缺陷，并反饋至上游進行修改完善，保證了檢測過程的規范性，有效提高檢測效率和檢測質量。

通過建立審簽模板，利用程序提取檢測過程的相關信息，如模型可檢測性分析結果、檢測工藝規劃結果、檢測工藝仿真結果等以特定格式放入審簽模板中，推送至審簽部門進行審簽，若審簽合格則將相關信息以零件型號為單位進行編號并推送至檢測現場，若不合格則反饋至上游進行修改。

1.5 檢測實施與結果表達

檢測現場根據審簽結果，提取對應零件編號的檢測文件，選擇夾具并對零件進行定位，調用對應的檢測程序驅動測量設備實施測量。測量設備測量的實際結果是被測零件各個點的坐標值，根據企業的具體要求，制作不同的檢測報告模板，將檢測數據按照模板格式導入，生成檢測評價報告。

同時，將測量設備的檢測結果數據返回至CAD軟件中，以標注的形式附加在檢測模型的對應特征上，并與檢測模型的理論值進行比較，根據比較后的超差程度將標注設置為不同的顏色，相關數據可以與檢測模型一同保存，從而實現檢測結果的可視化表達，更加直觀地顯示出零件各個檢測目標的超差情況。

圖6 檢測工藝流程

1.6 產品質量分析

基于MBD的數字化檢測技術可以不依賴零件實體，通過檢測模型即可實現檢測夾具的裝夾、檢測工藝規劃、檢測程序的編制和仿真并推送至檢驗現場，實現了在線生產與線外檢驗的并行進行，從而大大縮短了首件檢驗時間。同時，建立檢測結果數據庫，進行統計過程控制（SPC）分析，實現對超差結果的實時預警與超差分析。

對于通過首件檢驗或成熟產品的加工，可以在正常加工過程中按相應的頻次實施抽檢，或者由于加工中生產要素的異常變化對工件進行復檢，就能夠做到加工過程中的超差預警，從而實現生產線不停機的線外檢驗控制。

1.7 數據傳遞與管理

在數字化檢測環境下，MBD檢測模型是所有檢測信息的載體，同時也是實施檢測的主要甚至是唯一的理論依據。將檢測過程各個階段的信息，如模型可檢測性分析結果、檢測工藝規劃結果、檢測工藝仿真結果等以特定格式附加在檢測模型上，從而實現檢測信息的無紙化傳遞。同時，開發數據接口與企業的產品數據管理系統（PDM）進行數據交互，實現檢測信息文件的存檔與讀取，以及對知識庫的維護管理。

2 系統實現與應用

本項目結合某航空企業檢測技術現狀，以產品設計模型和制造過程中的三維工序模型為數據基礎，以NX/UG和PC-DMIS為軟件基礎，通過二次開發，實現基于MBD的數字化檢測工藝系統，檢測工藝流程如果6所示，系統結構如圖7所示，部分操作界面如圖8所示。

圖7 系統結構

圖8 系統操作界面

通過該系統的應用，企業打通了基于模型驅動的檢測環節，實現了在線生產與線外檢驗的并行進行，提高了企業檢測資源的利用率，使檢驗流程更加規范化、簡單化，顯著縮短了檢測周期。運用檢測模型作為檢測的唯一依據，將產品信息的識別讀取由二維圖紙轉變為三維模型，由人工輸入變為自動讀取，減少了人為干預的錯誤，提高了檢測質量。檢測結果數據以圖形化的檢測報告和可視化的檢測結果模型來表達，更加詳實、直觀，使質量數據信息的傳遞、反饋與管理更加方便。

3 結束語

基于MBD的數字化檢測技術能夠有效提高企業檢測設備利用率，實現在線生產與線外檢驗的并行進行，使檢測工藝由二維轉變為三維，顯著縮短產品檢測周期，提高檢測效率與檢測質量，是企業數字化發展的重要環節，也是檢測技術發展的必然趨勢。本文研究了基于MBD的數字化檢測工藝系統的技術體系與實現途徑，根據某航空企業檢測技術現狀，提出了一套完整的基于MBD的數字化檢測方案，以NX/UG為平臺進行二次開發整合企業現有檢測資源實現系統功能，在企業的實際應用中取得了良好效果，對數字化檢測技術的發展具有一定的理論和實際意義。

[1] 鞏玉強.基于MBD的飛機三維數字化裝配工藝設計與應用[J]. 制造業自動化,2014,36(11)：103-107.

[2] 黃夢莉,張剛.淺談基于MBD數模測量數據采集的研究與應用[J].航空制造技術,2013,(Z2)：50-52.

[3] 張少擎.基于MBD的數字化零件檢測技術研究[J].航空制造技術,2014,(21)：89-92.

[4] 張尚安,李儒寬.基于MBD技術的零件制造與質量控制[J].中國科技信息,2013,(11)：138.

[5] 鄭偉連,楊敏潔,劉睿,段桂江.基于MBD的檢測數據和三維模型關聯與可視化技術[J].航空精密制造技術,2014,50(6)：11-14.

[6] 崔長彩,葉東,車仁生,黃慶成.基于DMIS的坐標測量機編程軟件方案設計[J].宇航計測技術,2002,22(6)：1-7.