数字化模型质量检查技术研究与应用

杨 报

随着我国航空企业信息化建设的不断深入以及计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）技术的不断发展，3维数字化设计越来越多地应用到产品设计中，我国航空信息化已基本实现了产品设计过程的数字化、无纸化，基于模型的定义（Model Based Define，MBD）技术应用日渐成熟，飞机研制周期得到明显缩短，产品质量得到明显提高。

在MBD技术的实施过程中，3维平台的建模要求、2维制图规定、3维产品几何模型设计要求等建模规范被制定和实施，不仅规范了设计，同时保证了并行工程的顺利进行。在MBD模式的产品研制过程中，CAD模型已经是产品研制的唯一数据源，CAD模型的质量直接影响到下游工艺设计、工装设计、生产制造、数字检验、维护支持等产品全生命周期的使用，可以说，CAD数模的质量就是生产产品的质量。

在产品数模质量检查方面，在航空行业内，已经开始摆脱传统人工检查的方式，制定模型质量检查标准，进而采用信息化的手段，依据统一标准要求，通过数字化模型质量检查技术对CAD数模进行快捷检查，并对检查结果进行有效管理统计分析，控制模型质量，总结设计经验，不断提高设计标准化水平，使企业的CAD模型数据及文件符合产品数字化定义的总要求，从而推进航空产品制造业的快速发展。

1 数字化模型质量检查技术的研究目的

1.1 改变传统的标准化审查方式

目前大部分企业对产品3维设计的标准化、规范化审查方式还依然采用人工的方式，这种传统的方式成本高、效率低，而且有些模型质量的错误采用人工方法是无法检查到的。通过使用数字化模型质量检查工具，不但可以检查单一的CAD数据文件，还可以进行批量审查，同时可以对检查项进行客户化配置管理，在很大程度上提高设计效率，不易产生错误，而且可以通过相关的统计分析程序对出现的错误进行统计分析，帮助企业完善相关的企业标准。

1.2 提高产品设计的标准化与规范化

设计人员是产品CAD模型数据质量的第一责任人。对于设计人员来说，如果模型中出现了数据质量问题，寻找和改正这些问题是极其费时费力的，有时不得不重新建立模型。因此，企业应建立相应的监督与管理机制，引导和约束设计人员在产品CAD 建模过程中遵循相应的规范。除此之外，对设计人员CAD建模的不规范进行统计分析，这样企业可以比较准确地把握设计人员建模过程中的常见错误，从而进行有针对性的培训。同时，便于设计人员及时更正错误和养成规范建模的好习惯。

2 国内外数字化模型质量检查技术的研究现状

目前，CAD产品模型数据质量已经受到了国内外一些大企业的重视，对模型质量检查软件方面的需求也极其迫切。一些制造企业与专业的软件公司合作，已经开发出了一些成熟的CAD模型质量检查系统，例如，Prescient QA、MQC（Model Quality Check）、PDQ（Product Data Quality）、Model Check（Pro/E）、Q-Check（CATIA）、Check-Mate（UG）等软件产品，并且在国内外大型制造企业里得到了很好的应用。

美国洛克希德·马丁公司在2000年就开始使用Prescient QA 软件系统，通过使用该套系统，洛克希德·马丁公司对企业及其供应商提供的设计产品进行严格的标准化检查，大大提高了产品设计质量和新产品的市场投放速度，很多以前经常在产品制造过程中才能发现的缺陷，在模型质量检查软件的检查过程中大部分能被发现，因此，产品的报废率和生产成本均有明显下降。美国波音、GM公司从2001年开始使用MQC（Model Quality Check）系统。通过MQC很好地解决了来自世界各国的零部件配套商提供的产品图纸的不一致问题。

这些成功的应用表明，CAD 数据质量控制是在CAD/CAM 等软件大规模普及应用之后第2个工业数字化技术的热点，这也是CAD/CAM 技术大规模应用后的必然结果。

当前，在航空行业内，MBD技术的成功实施，将工程技术人员从传统的以2维图纸作为产品制造的唯一依据的工作方式中解放出来，给飞机研制手段和研制过程带来了革命性的变化。通过在3维模型上定义完整的产品定义信息，替换过去的依靠2维图样飞机定义方式。使得设计、工艺、工装等参与飞机研制的人员能够在直观且语义信息丰富的3维可视化环境下进行并行研制和沟通交流，有助于飞机研制周期的缩短和产品质量的提高。

在飞机研制过程中，MBD模型设计质量直接关系到后续工艺设计、工装设计、生产制造等阶段的产品质量，因此保证MBD模型几何特征、注释信息的规范性是企业标准化工作的一个很重要的组成部分，只有统一了标准并严格依照标准要求进行检查，才会使企业的MBD模型及文件符合产品数字化定义的总要求。

3 影响数字化模型质量的主要因素

根据GB/T 18784-2002《CAD/CAM数据质量》，影响数据质量的因素主要有设计方法、用户知识/培训、CAD系统程序、检查程序、数据交互、修复等。对于CAD模型来说，影响模型数据质量的最主要因素是CAD设计所应用的方法。采用适合于产品、材料、制造过程和CAD系统的设计方法是保证高质量CAD设计的基础，这样的CAD模型数据可以在后续的过程中使用而不必加以修改，最大程度地提高CAD模型数据在下游研制阶段的重用性。若数据质量不好，在后续处理过程例如倒圆、数控程序生成、数据交换、STL文件生成和有限元网格生成中，会造成各种各样的问题，从而带来大量的修改返工问题。

4 数字化模型质量检查的原则、方法与步骤

由于影响模型质量的主要原因是在模型建模过程中产生的，故需要在模型建模时就需要对模型质量进行检查和控制。

模型质量检查的基本原则是：

● 以产品规范及相关建模标准等为技术依据；

● 以模型的有效性和规范性检查为重点；

● 在设计的各个环节进行，并在数据交换/数据发放前完成。

模型质量检查方法主要是根据检查规范和相关标准，通过特定的模型检查程序，对CAD模型进行自动检查和交互检查，对于特殊模型，根据产品特点、产品功能或物理要求进行特殊内容检查。

模型质量检查的基本步骤为：

● 依据检查规范和相关标准，制定检查项，并确定判定值、错误级别和错误描述；

● 根据业务需求，制定特定检查集，并配置检查项；

● 通过模型质量检查程序，对目标CAD模型进行质量检查；

● 保存模型质量检查结果，输出模型质量检查报告；

● 对模型质量检查结果进行统计分析，提高建模的规范性。

5 检查项与检查集的确定

5.1 检查项的确定

检查项是对模型文件进行规范检查的单个标准规范。检查项的内容分为设计规范要求和几何数据质量这两大类。

● 设计规范要求检查项

包括基本规范要求、实体建模规范要求、装配建模规范要求、工程图规范要求等。如装配检查包括：装配体干涉检查、装配定位和约束检查、零件和子装配隐藏检查、装配组件材料检查等检查项。

● 几何数据质量检查项

包括曲线数据质量、曲面数据质量、拓扑关系数据质量、实体数据质量等。例如，曲面检查包括：微小曲面、连续性、多项式次数、最小曲率半径、边界曲线之间的夹角等检查项。

检查项的内容除了检查标准规范外，还包含每个检查项的判定值、错误级别、错误描述等。

● 判定值

即检查标准规范中，某检查项设置的标准值的统称。通过设置检查项的判定值，可实现相同检查项在不同部门、不同人员检查过程中的依据的检查规范不同。例如在检查曲线的C0、C1、C2级连续性时，可根据部门或人员的不同，设置判定值为0、1、2，从而实现不同人员对相同模型的检查标准不同。

● 错误级别

对检查项的错误情况进行分级管理，设置某一检查项的错误级别，可方便管理检查过程与检查结果。如根据需求，可将检查项的级别分为1、2，当检查结果中出现级别为3的检查项，表示该模型的质量检查不通过，需要设计人员修改模型，同时不允许该检查结果提交。

● 错误描述

检查项的错误描述，主要是在该检查项检查发生错误时，向使用人员提示错误内容描述，使用人员可根据错误描述的提示，方便修改设计过程中的错误。

在检查项的确定过程中，可以对每个检查项的判定值、错误级别、错误描述等进行自定义，实现检查项的客户化配置管理。

5.2 检查集的确定

根据被检查的产品型号特性，在已有的全部检查项中选择符合该产品审查要求的检查项，组成一个检查集。检查集初步设计方案如表1所示。

在检查集的确定过程中，通过将不同的检查项归集到不同的检查集下，并对检查项的判定值、错误级别等进行自定义，可以对不同部门、不同人员配置不同的检查集，从而实现根据不同的业务需求对检查集进行自定义配置管理。

表1 检查集功能

6 数字化模型质量检查技术的应用

6.1 检查集配置的应用

在模型质量检查系统设计过程中，确定了所有需要检查的对象，并根据检查对象确定检查集。在实际应用中，这些所定制的所有检查项并不一定都会用到，且检查项标准值会根据设计阶段、产品型号等发生变化。因此，需要建立不同的检查标准来供设计人员使用。

例如，根据专业、设计阶段的不同，检查标准应根据不同的模型类型进行分类，可以分为结构检查集、电气检查集、成熟度检查集等，检查模型时只选用一个统一的标准，系统自动调用对应的不同专业、不同阶段的检查集对模型进行质量检查，避免人工选择多个检查标准的误操作。

检查集配置管理模块功能可以满足检查集配置、检查项定制、判定值输入等功能业务需求。

6.2 模型质量检查执行的应用

在确定检查项和检查集后，通过检查集配置管理模块对检查项和检查集进行客户化定义后，就可以对目标模型进行模型质量检查，从而可以引导和约束设计人员遵循相关标准规范进行建模，提高建模质量和建模效率。

● 模型质量检查的执行

设计人员在对模型进行检查时，首先要选择相应的检查集，查看检查集下包含的检查项及详细信息后，对模型进行质量检查。可以查看检查结果，对未通过的检查项可以查看其详细特征信息。

● 错误特征的高亮显示

为了方便跟踪模型质量出错信息，模型质量检查系统提供错误特征高亮显示，便于设计人员迅速查看到错误信息，以便修改。

● 检查项的自动修复

为了提高建模效率，模型质量检查系统提供检测项错误特征自动修复功能，可以使设计人员快速一键批量修复错误建模特征，节约模型修复时间。

● 检查结果的保存及查询

对通过模型质量检查的模型的检查信息，可以上传到服务器数据库中或保存在本地文件中，便于以后查阅审核并对检查结果进行统计分析。同时，设计人员可以对当前模型的检查信息进行查询，了解模型的质量检查历史情况。

6.3 检查结果统计分析的应用

模型质量检查执行后，对于检查结果的处理，分为统计、分析两部分功能。通过检查结果的统计与分析，可以统计分析各组的不规范数据，例如按检测集、检测人、检测时间等统计。设计人员可以登陆系统查看自己的历史不规范数据统计，对于普遍存在、出现频率高的问题予以重视，并统一标准。

7 结束语

目前，传统数字化模型质量的检查方法已不能满足企业实际需求，其弊端主要表现在以下几个方面：

● 标准化审查工作以人工方式进行，工作量大、效率低、准确性不易保证

由于没有行之有效的辅助应用工具，企业中对模型的标准化、规范化审查方式主要是采用人工的方式。人工审查方式主要是人工参照国标、国军标、航标、企标等标准，在打印的工程图上进行审查或者在CAD、PDM、PLM 中对2维工程图纸、3维模型进行审查和注释。企业内部或者协作企业之间对产品CAD 模型有规范性和正确性要求，但是没有便捷的检验工具。

● 审查存在滞后性与事后性

打印出纸型文件再进行人工检测的方式有严重的滞后性，往往是在设计师设计完毕一段时间后，标准化审查人员才进行审查，存在滞后性与事后性。如果不能在建模过程中对模型进行实时检查，并提示设计师进行更改，数据流入下一节点后必然要进行返工修改。

● 有些3维建模、审查规范无法用人工方式审查

多余实体、零厚度实体等问题，用人工方式无法快速检查出来。例如，重复线条或细小的不连续线段，在打印的工程图上，人工肉眼没有办法审查出来。但使用这些图纸生成NC代码后，在数控机床上进行加工时会出现重复走刀或不走刀的现象，影响加工效率。

采用数字化模型质量检查技术，可以为企业产品设计、产品标准化及管理部门人员提供一套完整的模型质量检查解决方案，一方面帮助企业完善模型设计和检查标准规范；另一方面解决手工状态下模型质量检查过程中工作量大、效率低的问题，并快速准确地检查设计过程中形成的诸如零件设计标注等不规范、不合理的数据，实现动态配置检查集、自动实现标准化检查的功能。

通过数字化模型质量检查技术的应用，可以建立CAD模型检查的相关标准规范，引导和约束设计人员遵循相关标准规范进行建模，统计和分析设计人员建模的不规范性。同时，通过模型质量检查的CAD数据模型，有利于建立符合MBD技术体系中单一数据源的要求，从而进一步推动MBD技术在我国航空产品数字化研制中的应用实施。