基于MBD技術(shù)的數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)探究

摘 要：隨著數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)難以滿足航空零部件嚴(yán)格的檢測(cè)要求，基于MBD的數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)是檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的必由之路。目前，我國(guó)基于MBD的數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)還處于發(fā)展初期，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中還存在許多問(wèn)題。本文首先在國(guó)內(nèi)外三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)航空企業(yè)的檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀和需求進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：MBD;數(shù)字化檢測(cè)

隨著數(shù)字化技術(shù)的飛速發(fā)展，航空企業(yè)逐步建立起全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)與裝配相結(jié)合的現(xiàn)代制造模式。由于航空產(chǎn)品的特殊性，其對(duì)設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)、裝配等各個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)要求非常高。基于MBD的檢驗(yàn)技術(shù)是融通MBD環(huán)境下全三維設(shè)計(jì)制造集成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，相對(duì)于三維設(shè)計(jì)與三維工藝技術(shù)，基于MBD的三維檢驗(yàn)技術(shù)起步較晚。隨著基于MBD的全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)在飛機(jī)型號(hào)研制過(guò)程中應(yīng)用的日益深入，對(duì)實(shí)現(xiàn)全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造檢驗(yàn)一體化的要求日趨緊迫，然而，目前國(guó)內(nèi)航空制造企業(yè)的檢驗(yàn)部門(mén)多數(shù)仍采取將三維模型轉(zhuǎn)成二維工程圖，再添加公差標(biāo)注的方式，形成檢驗(yàn)的依據(jù)。此種工作模式不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，破壞了產(chǎn)品模型的唯一性及一致性，易造成模型轉(zhuǎn)換的二義性風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)，亦無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)于數(shù)字化檢驗(yàn)技術(shù)的需求。近年來(lái)，隨著飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)件日趨復(fù)雜化、精密化、大型化，整體結(jié)構(gòu)件、整體壁板等復(fù)雜機(jī)加結(jié)構(gòu)件大量出現(xiàn)，檢驗(yàn)難度、檢驗(yàn)項(xiàng)、檢驗(yàn)精度要求顯著提升，以二維圖紙為檢驗(yàn)依據(jù)，以非數(shù)字化檢驗(yàn)工具為手段的傳統(tǒng)檢驗(yàn)技術(shù)無(wú)論是在檢驗(yàn)精度、檢驗(yàn)效率、檢驗(yàn)?zāi)芰σ约芭c數(shù)字化測(cè)量設(shè)備的集成能力上均已不能適應(yīng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件高效、高精度檢驗(yàn)的需求，航空制造業(yè)對(duì)加強(qiáng)與提升基于MBD數(shù)字化檢驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用能力的需求日益緊迫[1]。

一、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

1.國(guó)外研究現(xiàn)狀

世界上第一臺(tái)現(xiàn)代意義上的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)于1956年在英國(guó)誕生[2]，第一次實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)測(cè)量到坐標(biāo)測(cè)量的巨大飛躍，使得人們對(duì)測(cè)量概念的理解從之前簡(jiǎn)單的“比較測(cè)量”擴(kuò)展到“數(shù)字測(cè)量”的新領(lǐng)域，標(biāo)志著測(cè)量技術(shù)從傳統(tǒng)的手工測(cè)量發(fā)展為現(xiàn)代坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，基于CMM（三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，CoordinateMeasuringMachine）的CAIP（計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)規(guī)劃，ComputerAddedInspectionPlanning）技術(shù)開(kāi)始興起并得到了快速發(fā)展。R.J.Hocken和ThoodoreH.Hopp在論文“CAD-DirectedInspection”中初步從整體上對(duì)智能三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)系統(tǒng)的框架進(jìn)行了描述，并率先提出了基于CAD模型的計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)規(guī)劃技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)智能三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)系統(tǒng)的初步探索。他們首次成功從CAD數(shù)據(jù)集中提取到了測(cè)量項(xiàng)目和公差信息，并采用啟發(fā)式測(cè)量的思想將測(cè)量任務(wù)拆分成不同的子任務(wù)，開(kāi)創(chuàng)了CAD模型與檢測(cè)規(guī)劃相結(jié)合的新時(shí)代。1984年，加拿大的Gu等人開(kāi)發(fā)出了一套三坐標(biāo)測(cè)量任務(wù)檢測(cè)規(guī)劃專(zhuān)家系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用prolog語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)并成功融入了基于特征建模的思想，可以依據(jù)幾何建模和特征的識(shí)別模式，從CAD中提取測(cè)量項(xiàng)目和幾何公差等檢測(cè)信息，通過(guò)知識(shí)推理，進(jìn)而獲得零件方位、測(cè)頭類(lèi)型選擇以及特征的測(cè)量順序。1997年，美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)在波音公司的協(xié)助下開(kāi)始研究和制定MBD（ModelBasedDefinition）技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，MBD技術(shù)使產(chǎn)品的定義信息僅僅通過(guò)一個(gè)集成的三維實(shí)體模型就可以完整地表達(dá)，它詳細(xì)規(guī)定了三維實(shí)體模型中幾何尺寸、形位公差、檢測(cè)要求以及其他工藝信息的標(biāo)注規(guī)則和表達(dá)方法，實(shí)現(xiàn)面向制造的設(shè)計(jì)[3]。從此，檢測(cè)技術(shù)開(kāi)始跨入基于MBD的數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)新階段。近20余年，隨著MBD、CAIP、CIMS（ComputerIntegratedManufacturing）等技術(shù)的快速發(fā)展，以三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)為代表的檢測(cè)技術(shù)正不斷地向數(shù)字化、智能化、集成化和標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，也促使檢測(cè)技術(shù)不斷與設(shè)計(jì)技術(shù)、制造技術(shù)的集成和融合。

2.國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)的三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)起步較晚，天津大學(xué)的張國(guó)雄院士結(jié)合國(guó)外先進(jìn)研究成果，從測(cè)量精度、測(cè)量效率、控制系統(tǒng)等方面對(duì)未來(lái)三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)做出了詳細(xì)分析，為我國(guó)三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展指出了明確方向。江南大學(xué)的劉勇開(kāi)發(fā)了一套基于UG/NX6.0的測(cè)量路徑規(guī)劃和測(cè)量結(jié)果分析系統(tǒng)。將自適應(yīng)的測(cè)量路徑規(guī)劃策略應(yīng)用于已知CAD模型部分，將基于灰色理論的測(cè)量路徑規(guī)劃策略應(yīng)用于未知CAD模型部分，在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上對(duì)零件進(jìn)行測(cè)量后，重構(gòu)NURBS曲線并完成測(cè)量數(shù)據(jù)的提取，最后分析測(cè)量結(jié)果并按一定格式生成零件檢測(cè)報(bào)告[4]。河北科技大學(xué)的姜騰在三坐標(biāo)檢測(cè)技術(shù)中引入了多色集合理論，通過(guò)提取MBD模型中的檢測(cè)信息，利用多色集合理論建立了檢測(cè)規(guī)劃中測(cè)頭匹配、采樣策略和路徑規(guī)劃之間的關(guān)系模型，并通過(guò)圍道矩陣和邏輯推理得到檢測(cè)項(xiàng)目、測(cè)頭類(lèi)型、測(cè)頭角度等信息，建立測(cè)量路徑規(guī)劃約束模型并通過(guò)蟻群算法優(yōu)化測(cè)量路徑，最后基于UG/NX8.0完成了相關(guān)模塊的開(kāi)發(fā)，并得到了較好的驗(yàn)證結(jié)果。

3.目前存在問(wèn)題

從國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來(lái)看，三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)已經(jīng)從起初的手工編寫(xiě)檢測(cè)規(guī)劃、簡(jiǎn)單的測(cè)量功能發(fā)展為基于MBD模型的自動(dòng)測(cè)量規(guī)劃集成系統(tǒng)。與國(guó)外情況相比，國(guó)內(nèi)制造行業(yè)在數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用方面還比較落后，缺乏一套完整、可行的數(shù)字化檢測(cè)工藝技術(shù)體系和實(shí)施方案，數(shù)字化檢測(cè)環(huán)節(jié)中各個(gè)工藝流程沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。雖然測(cè)量機(jī)廠商提供有數(shù)字化測(cè)量設(shè)備和相關(guān)的測(cè)量軟件，但是各個(gè)企業(yè)的數(shù)字化技術(shù)水平高低不一，很難與新設(shè)備、新技術(shù)進(jìn)行融合。有些企業(yè)即便擁有數(shù)字化的檢測(cè)設(shè)備，但大多都是工人手工操作設(shè)備，自動(dòng)化程度不高。這種依靠手工編程測(cè)量的測(cè)量方式效率低下，測(cè)量數(shù)據(jù)共享性和可讀性差，人工測(cè)量時(shí)如果被測(cè)零件復(fù)雜，檢測(cè)耗時(shí)會(huì)很長(zhǎng)，且操作者容易出錯(cuò)，即使數(shù)字化測(cè)量設(shè)備有著很高的精度，也不能達(dá)到理想的檢測(cè)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉睿，段桂江. MBD技術(shù)發(fā)展及在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 航空制造技術(shù)，2016（05）：93-98+109.

[2]耿衛(wèi)停.基于特征的復(fù)雜型面數(shù)字化檢測(cè)系統(tǒng)研制[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011：1-2

[3]張榮霞，張樹(shù)生等.基于MBD的零件制造模型管理[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2011，8：6-9

[4]劉勇.葉片CAD及計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量一體化技術(shù)的研究[D].江南大學(xué)，2011

作者簡(jiǎn)介：

焦彥超（19870814），男，籍貫：吉林白山，職稱(chēng)：工程師，研究方向：檢驗(yàn)檢測(cè).