數字化模型質量檢查技術研究與應用

楊 報

隨著我國航空企業信息化建設的不斷深入以及計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）技術的不斷發展，3維數字化設計越來越多地應用到產品設計中，我國航空信息化已基本實現了產品設計過程的數字化、無紙化，基于模型的定義（Model Based Define，MBD）技術應用日漸成熟，飛機研制周期得到明顯縮短，產品質量得到明顯提高。

在MBD技術的實施過程中，3維平臺的建模要求、2維制圖規定、3維產品幾何模型設計要求等建模規范被制定和實施，不僅規范了設計，同時保證了并行工程的順利進行。在MBD模式的產品研制過程中，CAD模型已經是產品研制的唯一數據源，CAD模型的質量直接影響到下游工藝設計、工裝設計、生產制造、數字檢驗、維護支持等產品全生命周期的使用，可以說，CAD數模的質量就是生產產品的質量。

在產品數模質量檢查方面，在航空行業內，已經開始擺脫傳統人工檢查的方式，制定模型質量檢查標準，進而采用信息化的手段，依據統一標準要求，通過數字化模型質量檢查技術對CAD數模進行快捷檢查，并對檢查結果進行有效管理統計分析，控制模型質量，總結設計經驗，不斷提高設計標準化水平，使企業的CAD模型數據及文件符合產品數字化定義的總要求，從而推進航空產品制造業的快速發展。

1 數字化模型質量檢查技術的研究目的

1.1 改變傳統的標準化審查方式

目前大部分企業對產品3維設計的標準化、規范化審查方式還依然采用人工的方式，這種傳統的方式成本高、效率低，而且有些模型質量的錯誤采用人工方法是無法檢查到的。通過使用數字化模型質量檢查工具，不但可以檢查單一的CAD數據文件，還可以進行批量審查，同時可以對檢查項進行客戶化配置管理，在很大程度上提高設計效率，不易產生錯誤，而且可以通過相關的統計分析程序對出現的錯誤進行統計分析，幫助企業完善相關的企業標準。

1.2 提高產品設計的標準化與規范化

設計人員是產品CAD模型數據質量的第一責任人。對于設計人員來說，如果模型中出現了數據質量問題，尋找和改正這些問題是極其費時費力的，有時不得不重新建立模型。因此，企業應建立相應的監督與管理機制，引導和約束設計人員在產品CAD 建模過程中遵循相應的規范。除此之外，對設計人員CAD建模的不規范進行統計分析，這樣企業可以比較準確地把握設計人員建模過程中的常見錯誤，從而進行有針對性的培訓。同時，便于設計人員及時更正錯誤和養成規范建模的好習慣。

2 國內外數字化模型質量檢查技術的研究現狀

目前，CAD產品模型數據質量已經受到了國內外一些大企業的重視，對模型質量檢查軟件方面的需求也極其迫切。一些制造企業與專業的軟件公司合作，已經開發出了一些成熟的CAD模型質量檢查系統，例如，Prescient QA、MQC（Model Quality Check）、PDQ（Product Data Quality）、Model Check（Pro/E）、Q-Check（CATIA）、Check-Mate（UG）等軟件產品，并且在國內外大型制造企業里得到了很好的應用。

美國洛克希德·馬丁公司在2000年就開始使用Prescient QA 軟件系統，通過使用該套系統，洛克希德·馬丁公司對企業及其供應商提供的設計產品進行嚴格的標準化檢查，大大提高了產品設計質量和新產品的市場投放速度，很多以前經常在產品制造過程中才能發現的缺陷，在模型質量檢查軟件的檢查過程中大部分能被發現，因此，產品的報廢率和生產成本均有明顯下降。美國波音、GM公司從2001年開始使用MQC（Model Quality Check）系統。通過MQC很好地解決了來自世界各國的零部件配套商提供的產品圖紙的不一致問題。

這些成功的應用表明，CAD 數據質量控制是在CAD/CAM 等軟件大規模普及應用之后第2個工業數字化技術的熱點，這也是CAD/CAM 技術大規模應用后的必然結果。

當前，在航空行業內，MBD技術的成功實施，將工程技術人員從傳統的以2維圖紙作為產品制造的唯一依據的工作方式中解放出來，給飛機研制手段和研制過程帶來了革命性的變化。通過在3維模型上定義完整的產品定義信息，替換過去的依靠2維圖樣飛機定義方式。使得設計、工藝、工裝等參與飛機研制的人員能夠在直觀且語義信息豐富的3維可視化環境下進行并行研制和溝通交流，有助于飛機研制周期的縮短和產品質量的提高。

在飛機研制過程中，MBD模型設計質量直接關系到后續工藝設計、工裝設計、生產制造等階段的產品質量，因此保證MBD模型幾何特征、注釋信息的規范性是企業標準化工作的一個很重要的組成部分，只有統一了標準并嚴格依照標準要求進行檢查，才會使企業的MBD模型及文件符合產品數字化定義的總要求。

3 影響數字化模型質量的主要因素

根據GB/T 18784-2002《CAD/CAM數據質量》，影響數據質量的因素主要有設計方法、用戶知識/培訓、CAD系統程序、檢查程序、數據交互、修復等。對于CAD模型來說，影響模型數據質量的最主要因素是CAD設計所應用的方法。采用適合于產品、材料、制造過程和CAD系統的設計方法是保證高質量CAD設計的基礎，這樣的CAD模型數據可以在后續的過程中使用而不必加以修改，最大程度地提高CAD模型數據在下游研制階段的重用性。若數據質量不好，在后續處理過程例如倒圓、數控程序生成、數據交換、STL文件生成和有限元網格生成中，會造成各種各樣的問題，從而帶來大量的修改返工問題。

4 數字化模型質量檢查的原則、方法與步驟

由于影響模型質量的主要原因是在模型建模過程中產生的，故需要在模型建模時就需要對模型質量進行檢查和控制。

模型質量檢查的基本原則是：

● 以產品規范及相關建模標準等為技術依據；

● 以模型的有效性和規范性檢查為重點；

● 在設計的各個環節進行，并在數據交換/數據發放前完成。

模型質量檢查方法主要是根據檢查規范和相關標準，通過特定的模型檢查程序，對CAD模型進行自動檢查和交互檢查，對于特殊模型，根據產品特點、產品功能或物理要求進行特殊內容檢查。

模型質量檢查的基本步驟為：

● 依據檢查規范和相關標準，制定檢查項，并確定判定值、錯誤級別和錯誤描述；

● 根據業務需求，制定特定檢查集，并配置檢查項；

● 通過模型質量檢查程序，對目標CAD模型進行質量檢查；

● 保存模型質量檢查結果，輸出模型質量檢查報告；

● 對模型質量檢查結果進行統計分析，提高建模的規范性。

5 檢查項與檢查集的確定

5.1 檢查項的確定

檢查項是對模型文件進行規范檢查的單個標準規范。檢查項的內容分為設計規范要求和幾何數據質量這兩大類。

● 設計規范要求檢查項

包括基本規范要求、實體建模規范要求、裝配建模規范要求、工程圖規范要求等。如裝配檢查包括：裝配體干涉檢查、裝配定位和約束檢查、零件和子裝配隱藏檢查、裝配組件材料檢查等檢查項。

● 幾何數據質量檢查項

包括曲線數據質量、曲面數據質量、拓撲關系數據質量、實體數據質量等。例如，曲面檢查包括：微小曲面、連續性、多項式次數、最小曲率半徑、邊界曲線之間的夾角等檢查項。

檢查項的內容除了檢查標準規范外，還包含每個檢查項的判定值、錯誤級別、錯誤描述等。

● 判定值

即檢查標準規范中，某檢查項設置的標準值的統稱。通過設置檢查項的判定值，可實現相同檢查項在不同部門、不同人員檢查過程中的依據的檢查規范不同。例如在檢查曲線的C0、C1、C2級連續性時，可根據部門或人員的不同，設置判定值為0、1、2，從而實現不同人員對相同模型的檢查標準不同。

● 錯誤級別

對檢查項的錯誤情況進行分級管理，設置某一檢查項的錯誤級別，可方便管理檢查過程與檢查結果。如根據需求，可將檢查項的級別分為1、2，當檢查結果中出現級別為3的檢查項，表示該模型的質量檢查不通過，需要設計人員修改模型，同時不允許該檢查結果提交。

● 錯誤描述

檢查項的錯誤描述，主要是在該檢查項檢查發生錯誤時，向使用人員提示錯誤內容描述，使用人員可根據錯誤描述的提示，方便修改設計過程中的錯誤。

在檢查項的確定過程中，可以對每個檢查項的判定值、錯誤級別、錯誤描述等進行自定義，實現檢查項的客戶化配置管理。

5.2 檢查集的確定

根據被檢查的產品型號特性，在已有的全部檢查項中選擇符合該產品審查要求的檢查項，組成一個檢查集。檢查集初步設計方案如表1所示。

在檢查集的確定過程中，通過將不同的檢查項歸集到不同的檢查集下，并對檢查項的判定值、錯誤級別等進行自定義，可以對不同部門、不同人員配置不同的檢查集，從而實現根據不同的業務需求對檢查集進行自定義配置管理。

表1 檢查集功能

6 數字化模型質量檢查技術的應用

6.1 檢查集配置的應用

在模型質量檢查系統設計過程中，確定了所有需要檢查的對象，并根據檢查對象確定檢查集。在實際應用中，這些所定制的所有檢查項并不一定都會用到，且檢查項標準值會根據設計階段、產品型號等發生變化。因此，需要建立不同的檢查標準來供設計人員使用。

例如，根據專業、設計階段的不同，檢查標準應根據不同的模型類型進行分類，可以分為結構檢查集、電氣檢查集、成熟度檢查集等，檢查模型時只選用一個統一的標準，系統自動調用對應的不同專業、不同階段的檢查集對模型進行質量檢查，避免人工選擇多個檢查標準的誤操作。

檢查集配置管理模塊功能可以滿足檢查集配置、檢查項定制、判定值輸入等功能業務需求。

6.2 模型質量檢查執行的應用

在確定檢查項和檢查集后，通過檢查集配置管理模塊對檢查項和檢查集進行客戶化定義后，就可以對目標模型進行模型質量檢查，從而可以引導和約束設計人員遵循相關標準規范進行建模，提高建模質量和建模效率。

● 模型質量檢查的執行

設計人員在對模型進行檢查時，首先要選擇相應的檢查集，查看檢查集下包含的檢查項及詳細信息后，對模型進行質量檢查。可以查看檢查結果，對未通過的檢查項可以查看其詳細特征信息。

● 錯誤特征的高亮顯示

為了方便跟蹤模型質量出錯信息，模型質量檢查系統提供錯誤特征高亮顯示，便于設計人員迅速查看到錯誤信息，以便修改。

● 檢查項的自動修復

為了提高建模效率，模型質量檢查系統提供檢測項錯誤特征自動修復功能，可以使設計人員快速一鍵批量修復錯誤建模特征，節約模型修復時間。

● 檢查結果的保存及查詢

對通過模型質量檢查的模型的檢查信息，可以上傳到服務器數據庫中或保存在本地文件中，便于以后查閱審核并對檢查結果進行統計分析。同時，設計人員可以對當前模型的檢查信息進行查詢，了解模型的質量檢查歷史情況。

6.3 檢查結果統計分析的應用

模型質量檢查執行后，對于檢查結果的處理，分為統計、分析兩部分功能。通過檢查結果的統計與分析，可以統計分析各組的不規范數據，例如按檢測集、檢測人、檢測時間等統計。設計人員可以登陸系統查看自己的歷史不規范數據統計，對于普遍存在、出現頻率高的問題予以重視，并統一標準。

7 結束語

目前，傳統數字化模型質量的檢查方法已不能滿足企業實際需求，其弊端主要表現在以下幾個方面：

● 標準化審查工作以人工方式進行，工作量大、效率低、準確性不易保證

由于沒有行之有效的輔助應用工具，企業中對模型的標準化、規范化審查方式主要是采用人工的方式。人工審查方式主要是人工參照國標、國軍標、航標、企標等標準，在打印的工程圖上進行審查或者在CAD、PDM、PLM 中對2維工程圖紙、3維模型進行審查和注釋。企業內部或者協作企業之間對產品CAD 模型有規范性和正確性要求，但是沒有便捷的檢驗工具。

● 審查存在滯后性與事后性

打印出紙型文件再進行人工檢測的方式有嚴重的滯后性，往往是在設計師設計完畢一段時間后，標準化審查人員才進行審查，存在滯后性與事后性。如果不能在建模過程中對模型進行實時檢查，并提示設計師進行更改，數據流入下一節點后必然要進行返工修改。

● 有些3維建模、審查規范無法用人工方式審查

多余實體、零厚度實體等問題，用人工方式無法快速檢查出來。例如，重復線條或細小的不連續線段，在打印的工程圖上，人工肉眼沒有辦法審查出來。但使用這些圖紙生成NC代碼后，在數控機床上進行加工時會出現重復走刀或不走刀的現象，影響加工效率。

采用數字化模型質量檢查技術，可以為企業產品設計、產品標準化及管理部門人員提供一套完整的模型質量檢查解決方案，一方面幫助企業完善模型設計和檢查標準規范；另一方面解決手工狀態下模型質量檢查過程中工作量大、效率低的問題，并快速準確地檢查設計過程中形成的諸如零件設計標注等不規范、不合理的數據，實現動態配置檢查集、自動實現標準化檢查的功能。

通過數字化模型質量檢查技術的應用，可以建立CAD模型檢查的相關標準規范，引導和約束設計人員遵循相關標準規范進行建模，統計和分析設計人員建模的不規范性。同時，通過模型質量檢查的CAD數據模型，有利于建立符合MBD技術體系中單一數據源的要求，從而進一步推動MBD技術在我國航空產品數字化研制中的應用實施。