基于MBD的数字化检测工艺系统研究与应用

杜宝瑞，陈靖乐，叶柏超，孙业翔，屈力刚

（沈阳航空航天大学 航空制造工艺数字化国防重点学科实验室，沈阳 110136）

0 引言

近年来，随着工业现代化和信息化的飞速发展，行业对制造精度和产品质量提出了更高的要求。航空企业已逐步实现了设计、制造和装配的数字化[1]，而检验日益成为企业数字化环节的瓶颈，虽然部分企业已经应用数字化测量设备进行检测，但是检验模式仍然是依据二维图纸手工检验和依据三维数模数控检测相结合的手段[2]。

MBD（Model Based Definition），即基于模型的工程定义，是一个用集成的三维实体模型来完整表达产品定义信息的方法，它详细规定了三维实体模型中产品尺寸、公差的标注规则和工艺信息的表达方法[3]。基于MBD的数字化检测技术以产品设计、制造过程中的数字模型为数据基础，制定合理的检测工艺规划，利用数字化测量设备进行检测，并将测量结果实时反馈至质量管理系统，分析产品质量并指导设计、加工部门改进产品质量。其在测量精度、测量效率、测量柔性等方面的优势，是传统检测技术所无法达到的，尤其在航空复杂零部件的检测方面技术优势更加明显。

1 技术体系研究

在MBD制造环境下，零件的几何数据和产品制造信息全部包含在零件的三维数字模型中，数字模型成为产品工艺过程制造和检验的唯一依据[4]。与传统的检验模式相比，基于MBD的数字化检测工艺技术主要包括以下方面：模型可检测性分析、检测工艺规划、检测工艺仿真、检测工艺审签、检测实施与结果表达、产品质量分析以及检测过程的数据传递与管理，其技术体系如图1所示。

图1 技术体系

1.1 可检测性分析

检测模型是产品设计模型或工序模型在检测阶段的表现形式，它包含了零件所有的检测信息，是检测的唯一依据。可检测性分析是指在检测准备阶段检查检测模型是否规范，提取所有的待检测信息并判断在现有检测设备条件下是否能够完成检测。主要包括以下三个部分：

1）检测模型定义

为了满足MBD单一数据源的要求，使检测模型包含所有的检测信息，需要对检测模型进行定义。MBD检测模型需要包括零件的尺寸信息、形状信息、轮廓信息、定向和定位信息等几何信息，以及检测工艺信息等非几何信息[5]。MBD检测模型的数据结构如图2所示。在实际检测过程中，有时只需对检测模型的部分信息进行测量，在CAD软件中将检测模型的待检测信息用特定的颜色或者图层表示，即可根据需要提取特定的待检测信息。

图2 检测模型数据结构

2）模型规范检查

在设计阶段，由于人为因素可能会导致检测模型标注不规范或者信息不完整，造成检测模型部分信息无法被检测系统正确识别和提取。如图3所示，通过制定标准的模型检查规范，利用标注信息与特征之间的关联关系，检查出检测模型中不规范的标注或者缺少的检测信息，同时依据检测设备资源库分析各检测目标是否能够通过现有的检测设备完成检测，最后生成检查报告反馈给上游设计部门，指导其对检测模型进行修改和完善。

图3 模型规范检查

3）未注公差处理

通常情况下，为了减少设计人员的工作量，在零件的设计模型中符合相关标准的尺寸公差可以不用标注，但是在零件检测过程中，测量的真值需要与检测模型的理论值进行比较，从而判断其超差情况。所以，对于检测来说所有检测尺寸的公差数据都需要在模型中进行标注。根据公差标准建立标准公差数据库，在CAD软件中提取出检测模型中的所有未注公差尺寸，并根据标准公差数据库对未注公差尺寸进行自动完善，得到包含所有检测尺寸公差数据的检测模型。

1.2 检测工艺规划

1）检测目标分类与检测任务分工

对于复杂零件的检测来说，其检测特征种类比较多，用一种检测设备可能无法完成所有特征的测量。为了充分利用企业的检测资源，提高检测效率，需要对检测模型进行检测目标分类与检测任务分工。如图4所示，通过整合企业的检测资源建立检测设备资源库，建立基于经验的检测任务分工知识库，根据基准类别、特征类型、精度等级等对检测模型的检测目标进行分类并分配合适的检测设备，生成相关文件，指导检测现场操作。

图4 检测任务分工

2）检测基准定位

在实际的检测过程中，大部分零件都需要夹具定位后进行测量，为了使检测过程更加规范化、流程化，保证检测工艺规划、检测过程仿真与实际检测过程的一致性，需要建立检测夹具库，生成装配信息文件，指导检测现场操作。

根据实际检测过程中所用的夹具建立夹具模型库，对不同的夹具进行分类管理，并由特定人员定期维护，保持夹具库中的夹具与实际检测过程中的夹具同步。在CAD软件中访问检测夹具库并调用合适的夹具，与检测模型进行装配，同时记录零件型号、夹具型号和装配约束信息，生成装配信息文件并推送至检测现场，检测人员以此为依据进行夹具选择与基准定位。

3）测量路径规划

为检测目标分类并分配测量设备后，根据检测目标的特征类型，按照相应的布点规则，在夹具装夹后的检测模型上布置测量点，创建测头角度，根据各个测量点的空间位置关系对检测顺序进行合理规划，生成测量路径。

1.3 检测工艺仿真

1）过程模拟与路径优化

通过软件生成的测量路径可能会存在干涉，需要在数字化离线软件环境中进行仿真验证。通过模拟检测过程，检查是否会产生碰撞、测量设备超行程等错误，根据仿真结果对检测路径进行调整优化，包括调整测量点布置、调整测头角度、添加安全平面、添加安全点等，保证测量过程准确、安全。

2）程序后处理

不同厂商的测量设备甚至同一厂商不同型号的测量设备所使用的检测程序格式不尽相同，DMIS标准为计算机系统和测量机设备间双向传递检测数据提供了统一的标准，它制定了用于把检测程序传给三坐标测量设备，或者把尺寸和处理数据返回给分析、归档系统的语法表[6]。

如图5所示，仿真验证合格后，通过离线编程模块生成标准DMIS格式的检测程序，根据不同测量设备的格式要求开发后处理器，将其转换成各个测量设备所能识别的数据格式，从而驱动测量设备进行测量。这种方法的优势在于能够在保留检测设备原有的软件系统情况下，实现原有系统和外界进行符合DMIS标准的双向数据交流，并且投入少，开发周期短，非常适合对原有测量设备的系统升级和技术改造。

图5 程序格式转换

1.4 检测工艺审签

审签是检测过程不可缺少的环节，通过检测工艺审签可以及时发现由于疏忽或经验不足，引起的检测模型、检测工艺规划以及技术文件等方面的错误和缺陷，并反馈至上游进行修改完善，保证了检测过程的规范性，有效提高检测效率和检测质量。

通过建立审签模板，利用程序提取检测过程的相关信息，如模型可检测性分析结果、检测工艺规划结果、检测工艺仿真结果等以特定格式放入审签模板中，推送至审签部门进行审签，若审签合格则将相关信息以零件型号为单位进行编号并推送至检测现场，若不合格则反馈至上游进行修改。

1.5 检测实施与结果表达

检测现场根据审签结果，提取对应零件编号的检测文件，选择夹具并对零件进行定位，调用对应的检测程序驱动测量设备实施测量。测量设备测量的实际结果是被测零件各个点的坐标值，根据企业的具体要求，制作不同的检测报告模板，将检测数据按照模板格式导入，生成检测评价报告。

同时，将测量设备的检测结果数据返回至CAD软件中，以标注的形式附加在检测模型的对应特征上，并与检测模型的理论值进行比较，根据比较后的超差程度将标注设置为不同的颜色，相关数据可以与检测模型一同保存，从而实现检测结果的可视化表达，更加直观地显示出零件各个检测目标的超差情况。

图6 检测工艺流程

1.6 产品质量分析

基于MBD的数字化检测技术可以不依赖零件实体，通过检测模型即可实现检测夹具的装夹、检测工艺规划、检测程序的编制和仿真并推送至检验现场，实现了在线生产与线外检验的并行进行，从而大大缩短了首件检验时间。同时，建立检测结果数据库，进行统计过程控制（SPC）分析，实现对超差结果的实时预警与超差分析。

对于通过首件检验或成熟产品的加工，可以在正常加工过程中按相应的频次实施抽检，或者由于加工中生产要素的异常变化对工件进行复检，就能够做到加工过程中的超差预警，从而实现生产线不停机的线外检验控制。

1.7 数据传递与管理

在数字化检测环境下，MBD检测模型是所有检测信息的载体，同时也是实施检测的主要甚至是唯一的理论依据。将检测过程各个阶段的信息，如模型可检测性分析结果、检测工艺规划结果、检测工艺仿真结果等以特定格式附加在检测模型上，从而实现检测信息的无纸化传递。同时，开发数据接口与企业的产品数据管理系统（PDM）进行数据交互，实现检测信息文件的存档与读取，以及对知识库的维护管理。

2 系统实现与应用

本项目结合某航空企业检测技术现状，以产品设计模型和制造过程中的三维工序模型为数据基础，以NX/UG和PC-DMIS为软件基础，通过二次开发，实现基于MBD的数字化检测工艺系统，检测工艺流程如果6所示，系统结构如图7所示，部分操作界面如图8所示。

图7 系统结构

图8 系统操作界面

通过该系统的应用，企业打通了基于模型驱动的检测环节，实现了在线生产与线外检验的并行进行，提高了企业检测资源的利用率，使检验流程更加规范化、简单化，显著缩短了检测周期。运用检测模型作为检测的唯一依据，将产品信息的识别读取由二维图纸转变为三维模型，由人工输入变为自动读取，减少了人为干预的错误，提高了检测质量。检测结果数据以图形化的检测报告和可视化的检测结果模型来表达，更加详实、直观，使质量数据信息的传递、反馈与管理更加方便。

3 结束语

基于MBD的数字化检测技术能够有效提高企业检测设备利用率，实现在线生产与线外检验的并行进行，使检测工艺由二维转变为三维，显著缩短产品检测周期，提高检测效率与检测质量，是企业数字化发展的重要环节，也是检测技术发展的必然趋势。本文研究了基于MBD的数字化检测工艺系统的技术体系与实现途径，根据某航空企业检测技术现状，提出了一套完整的基于MBD的数字化检测方案，以NX/UG为平台进行二次开发整合企业现有检测资源实现系统功能，在企业的实际应用中取得了良好效果，对数字化检测技术的发展具有一定的理论和实际意义。

[1] 巩玉强.基于MBD的飞机三维数字化装配工艺设计与应用[J]. 制造业自动化,2014,36(11)：103-107.

[2] 黄梦莉,张刚.浅谈基于MBD数模测量数据采集的研究与应用[J].航空制造技术,2013,(Z2)：50-52.

[3] 张少擎.基于MBD的数字化零件检测技术研究[J].航空制造技术,2014,(21)：89-92.

[4] 张尚安,李儒宽.基于MBD技术的零件制造与质量控制[J].中国科技信息,2013,(11)：138.

[5] 郑伟连,杨敏洁,刘睿,段桂江.基于MBD的检测数据和三维模型关联与可视化技术[J].航空精密制造技术,2014,50(6)：11-14.

[6] 崔长彩,叶东,车仁生,黄庆成.基于DMIS的坐标测量机编程软件方案设计[J].宇航计测技术,2002,22(6)：1-7.