裝備制造企業(yè)基于MBD的質量數(shù)字化轉型研究★

栗晚紅，趙 忠，張 虹

（山西汾西重工有限責任公司，山西 太原 030024）

1 裝備制造企業(yè)質量檢驗數(shù)字化過程存在的普遍問題

裝備制造企業(yè)在質檢領域數(shù)字化信息化建設水平不高，質檢環(huán)節(jié)存在重復抄錄設計工藝、圖紙技術要求，檢驗過程無控制、手工填寫質檢數(shù)據，質檢報告以文檔分結構化甚至直接以文件的方式管控的情況。主要問題體現(xiàn)在：

1）質量策劃效率低。復雜裝備制造產品質量要求高，檢驗記錄單種類多，人工進行填寫維護，工作量大，標準要求、未注公差等需要人工查詢手冊，工作效率低。

2）檢驗要求下發(fā)銜接不順暢。目前檢驗要求和質檢數(shù)據基本是以文本、圖片等形式存儲，而生產過程的精細化管理需要檢驗要求以數(shù)據的形式精準下發(fā)還需質檢人員參與干涉，才能完成質檢數(shù)據的轉換。

3）質檢信息孤島。質檢要求和質檢數(shù)據多存于紙質，數(shù)據無法實時查看或進行數(shù)據再次利用，無法檢索和重現(xiàn)測量過程中的數(shù)據，不利于質量追溯。

4）實測記錄效率低。現(xiàn)場實測數(shù)據大多采用人工手動記錄，工作量大，手工抄錄效率低，人工判斷合格性，且存在滯后性問題。

5）缺乏有效分析。數(shù)據查詢和統(tǒng)計通常需要手工計算，計算速度慢、準確率低、實時性差。不具備對實測數(shù)據趨勢分析以及實時質量結果原因判定和分析。文件存儲和管理質量數(shù)據，不具備有效檢索和數(shù)據復用能力，數(shù)據的可追溯性較差，無法形成質量改進優(yōu)化的PDCA閉環(huán)。

因此，在具備基于MBD數(shù)字化應用擴展的復雜裝備制造業(yè)企業(yè)中，有必要探索基于MBD數(shù)據實現(xiàn)設計—工藝—質量—生產—檢測環(huán)節(jié)的業(yè)務模式研究和數(shù)字量傳遞相關技術，解決質檢人工重復工作太多、數(shù)據難以有效管控和利用等問題，提升質量策劃、檢驗要求、現(xiàn)場測量等相關業(yè)務的執(zhí)行效率。

2 基于MBD數(shù)字化質量檢驗技術分析

山西汾西重工有限責任公司在裝備產品的數(shù)字化方面實現(xiàn)了基于MBD技術的產品設計、工藝設計、現(xiàn)場基于MBD的輕量化工藝看板，為了打通數(shù)字化研制全過程，數(shù)字化檢測檢驗是其中一個關鍵環(huán)節(jié)，檢測是制造的眼睛，通過基于MBD的數(shù)字化檢測檢驗技術推進產品設計、工藝、制造的優(yōu)化應用。

檢測包括檢測工藝規(guī)劃和檢測執(zhí)行兩部分，其檢測對象是最終的加工結果或加工過程中的工序模型。檢測工藝規(guī)劃將基于檢測的對象，確定檢測的內容和方式。檢測的內容在檢測工序模型上根據相關標準進行描述，例如對檢測的尺寸和幾何形位公差進行分類編號等。檢測執(zhí)行則是根據檢測工藝規(guī)定的內容進行實際的檢測，并將檢測結果返回保存。

基于MBD數(shù)字化質量檢驗關鍵技術主要包括：獲取、解析并轉換設計/工藝環(huán)節(jié)的模型數(shù)據，實現(xiàn)數(shù)字化、結構化的解析；質量檢測與企業(yè)其他業(yè)務環(huán)節(jié)質檢的關聯(lián)關系；檢測工藝策劃與檢驗執(zhí)行規(guī)程的自動生成邏輯。

2.1 基于MBD檢驗信息及解析表達

復雜裝備制造業(yè)多是“多品種、單件或小批量”的生產模式，產品應用環(huán)境條件對零件加工、產品裝配精度要求較高。汾西重工是典型的多品種、小批量制造企業(yè)，設計環(huán)節(jié)三維數(shù)字化應用走在企業(yè)前端，從設計的數(shù)字化應用向工藝、制造、質檢等環(huán)節(jié)的逐步應用。

基于MBD的模型解析與表達，通過數(shù)字化手段實現(xiàn)基于模型的質檢工藝策劃，利用數(shù)字化工藝模型進行結構化抽取，是實現(xiàn)數(shù)字化質檢業(yè)務的重要輸入，同時也有效降低人工重復的質量策劃工作。基于模型的檢驗信息表達，是在設計模型基礎上形成的一套面向質檢環(huán)節(jié)的工藝模型，其中檢驗工藝模型主要包括：設計模型、零件（模型）屬性、檢驗信息標注及注釋。

基于面向檢驗應用的模型數(shù)據信息表達需求，對于檢測應用數(shù)據進行轉換—識別—解析—提取—完善等系列工作，應將當前多格式模型數(shù)據進行解析和轉換。按照模型數(shù)據提取篩選、顯示數(shù)據表示、模型簡化、數(shù)據組織管理、存儲壓縮的流程，結合任務需求將輕量化數(shù)據轉換為輕量化模型。

2.2 質檢與產品生命周期其他環(huán)節(jié)的關聯(lián)業(yè)務分析

在復雜裝備制造企業(yè)，從業(yè)務之間關聯(lián)可以發(fā)現(xiàn)，質量檢驗數(shù)據與工藝、產品以及企業(yè)檢驗裝備資源、知識積累等數(shù)據對象間存在強關聯(lián)。質檢策劃的技術要求，通常來自于產品和工藝數(shù)據以及產品和工藝關聯(lián)的MBD模型中表達的技術要求。質量策劃及檢驗任務的策劃，又通常與企業(yè)的質量管理規(guī)則既有的，面向自制、外購、外協(xié)的，標準化的檢驗要求有較強的關聯(lián)關系。

2.3 質量策劃與檢驗規(guī)劃業(yè)務及數(shù)據分析

以質量策劃與檢驗規(guī)劃的業(yè)務環(huán)節(jié)開展分析，梳理其業(yè)務、數(shù)據、規(guī)則、標準進行抽象分析規(guī)劃，分析其質量策劃、檢驗規(guī)劃以及面向復雜裝備制造企業(yè)的質量數(shù)據的內置結構化與表格化，展示相關技術。

質量策劃主要實現(xiàn)的兩項數(shù)據包括基于MBD模型自動抽取寫入質量對象的數(shù)據以及根據企業(yè)自主的工藝知識和資源庫基于業(yè)務關聯(lián)規(guī)則設置的數(shù)據。檢驗規(guī)劃：基于質量策劃各項條目，規(guī)劃創(chuàng)建的數(shù)據：包括測量頻次、采樣計算方案、質量合格方案等。

報表樣式（檢測規(guī)程文件模板）與檢測業(yè)務模型的關聯(lián)規(guī)則的定義，通過界面化的后臺模型與報表格式的配置，實現(xiàn)業(yè)務模型與報表樣式的配置關聯(lián)，為檢測數(shù)據的自動獲取提供基礎的數(shù)據抽取機制。

業(yè)務模型屬性的關聯(lián)規(guī)則定義，例如典型零件尺寸類型與質檢標準以及采樣方案質檢是存在關聯(lián)關系的，可以通過規(guī)則的解構，關聯(lián)條件設置實現(xiàn)交互匹配。

基于檢測業(yè)務模型之間的關聯(lián)規(guī)則定義，可以實現(xiàn)檢測規(guī)劃過程的半自動化，基于檢測業(yè)務模型數(shù)據，與標準檢測規(guī)程模板樣式的數(shù)據抽取規(guī)則，實現(xiàn)檢測規(guī)程的自動生成。

3 裝備制造企業(yè)基于MBD數(shù)字化質量檢測技術解決方案

公司在基于MBD數(shù)字化檢測關鍵技術與業(yè)務分析的基礎上，形成數(shù)字化質量檢測解決方案，面向質檢規(guī)劃與實測數(shù)據采集業(yè)務環(huán)節(jié)，全面覆蓋質檢實測業(yè)務過程，實現(xiàn)全過程無紙化、數(shù)字化、可視化，提高企業(yè)檢驗工藝編制效率，降低工作量與人為失誤，企業(yè)實時有效地利用實測數(shù)據過程數(shù)據。實現(xiàn)質檢實測業(yè)務環(huán)節(jié)的全功能準備，包括結構化質量策劃，質檢方案策劃，可視化質檢測量引導，實時的質檢數(shù)據采集，可定制擴展的實測數(shù)據分析。

3.1 三維數(shù)據輕量化轉換

考慮到對異構CAD的承接能力，通過wav三維輕量化模式轉換服務，將設計PMI信息、屬性信息等同步提取，可以通過三維可視化質檢規(guī)劃工具進行尺寸交互瀏覽。

支持面向檢驗規(guī)劃應用的PMI信息（尺寸、表面粗糙度、幾何公差、技術要求等）的提取、結構化保存以及與數(shù)模中PMI的互動高亮。

識別解析檢驗特征，支持后續(xù)基于內置的標準測量規(guī)范實現(xiàn)檢驗方案的智能推薦以及檢驗工具的智能關聯(lián)、推薦。

識別基于原模型設計視圖的PMI信息組織，可以在轉換后通過切換原有定義的視圖實現(xiàn)質檢信息要求的可視化瀏覽。

3.2 可視化質量策劃

三維轉換輸出的模型及其關聯(lián)的PMI信息是下一步開展可視化質檢要求策劃的關鍵輸入。根據企業(yè)質檢策劃業(yè)務環(huán)節(jié)需要定義、管理的關鍵屬性信息，定制質檢策劃界面，將提取出的與模型關聯(lián)的質檢要求信息填充到質檢要求策劃的相關屬性內。結構化質檢數(shù)據和圖中質檢信息可雙向聯(lián)動。

基于三維模型中提取的PMI信息可以直接在視圖區(qū)中選擇相應的尺寸填充到需要的屬性列中，填充后的尺寸列與模型中尺寸保持雙向高亮交互。

如前期對于質檢要求策劃進行充分的分類分解，即可實現(xiàn)基于模型PMI信息類型實現(xiàn)尺寸列的自動填充，即尺寸標注、尺寸公差、形位公差、粗糙度、技術條件的獲取，判斷尺寸類型并進行特征匹配。

此外，系統(tǒng)提供防重復判斷機制，防止尺寸填充分配過程中出現(xiàn)錯漏、重復等問題。

3.3 檢驗規(guī)劃

獲取質量要求完成后，需要針對質量要求的不同，定義其檢驗方法以及檢驗工具。針對不同的尺寸特征，檢驗工具多種多樣，每種檢驗工具的使用方法又存在差異。通過知識資源庫的創(chuàng)建和持續(xù)更新，幫助企業(yè)實現(xiàn)質量檢測工具和檢驗方法的標準化和知識沉淀。在檢驗規(guī)劃時支持定制符合相關質檢標準規(guī)則，并實現(xiàn)設計指標、關鍵PMI值與檢驗要求的關聯(lián)創(chuàng)建。

質檢要求規(guī)劃完成后，部分業(yè)務分工相對明確的企業(yè)還需要對具體的測量方案進行進一步的規(guī)劃分析。測量規(guī)劃主要涵蓋的內容包括：測量方法的設定、取值的選擇方式，根據質檢項規(guī)劃測量的方案，如測試的組數(shù)、一組測量的數(shù)據量、測量方式、測量的儀器通道、測量數(shù)據選擇規(guī)則等。

3.4 實測數(shù)據采集

完成檢驗策劃后，在實測數(shù)據自動化采集系統(tǒng)中進行實測數(shù)據采集填報。實測數(shù)據自動化采集系統(tǒng)與數(shù)字化量具設備進行集成，配置檢驗要求與檢驗工具集成接口和方法。實現(xiàn)實測數(shù)據自動化采集系統(tǒng)與硬件設備之間的互聯(lián)互通，構建在先進的工業(yè)控制總線網絡上，運行于計算機網絡系統(tǒng)與數(shù)據庫環(huán)境下，能夠采集工件的質量數(shù)據，通過有效的數(shù)據分析實現(xiàn)產品制造過程高效有序地流動和科學管理，以滿足提升質量和效率的需要。

針對數(shù)字化采集設備現(xiàn)狀，對待采集設備進行分配包括：支持數(shù)字化直連采集設備、可輸出報告解析設備以及傳統(tǒng)非數(shù)字化設備三種情況。

在實測數(shù)據自動化采集系統(tǒng)中進行實測數(shù)據采集填報。實測數(shù)據自動化采集系統(tǒng)與數(shù)字化量具設備進行集成，通過與數(shù)字化檢測工具連接，現(xiàn)場實測數(shù)據自動填報到系統(tǒng)中進行計算分析。

在實測數(shù)據自動化采集系統(tǒng)中選中要測量的PMI值，點擊實測欄，彈出實測數(shù)據表；通過數(shù)字化量具按實測數(shù)據表中的測量組數(shù)進行測量；完成測量后，點擊計算，按照提前策劃的測量方案得出數(shù)值；點擊確定，將計算結果返回到實測欄內。同時，也會自動填寫到質檢實測數(shù)據表中。實測結果與理論PMI值進行比對，不合格項警告色顯示。點擊保存數(shù)據，測量結果被凍結，不允許進行修改。

4 基于MBD數(shù)字化檢測技術的推廣價值

本文通過分析中國對基于MBD的數(shù)字化質檢技術的研究，對MBD在產品生命周期質量檢測檢驗環(huán)節(jié)的關鍵技術進行了研究。通過基于三維模型的轉換和數(shù)據采集，解決復雜裝備企業(yè)質檢業(yè)務中人工錄入工作量大和低效的問題；基于MBD的數(shù)字化質檢方案能夠實現(xiàn)質檢過程直觀可視化，模型圖紙中的尺寸與提取列表中雙向關聯(lián)，直觀可視化的方式避免歧義問題。基于MBD的結構化質檢數(shù)據建模，以及設計-工藝-質量-檢驗數(shù)據關聯(lián)和自動匹配技術，為質量檢驗數(shù)據的共享、傳遞、分析奠定了基礎，也為企業(yè)PDCA閉環(huán)管理和質量追溯提供了業(yè)務和數(shù)據基礎。

此外，可以通過與數(shù)字化檢測設備集成，實現(xiàn)實測數(shù)據自動填報，不僅避免測量后人工填寫的大量工作，規(guī)避了人為失誤，同時也為復雜裝備制造業(yè)基于CPS的智能制造提供了典型的落地應用場景。