基于数字化样机的三维质量检测技术研究

徐杨 王宏

（中国电子科技集团公司第十四研究所 江苏省南京市 210039）

数字化研制模式已经成为以复杂系统为代表的装备研制模式的发展趋势，数字化仿真、虚拟样机已经在复杂系统的研制过程中得到了应用，传统的质量管控及检测模式已经不能完全适应新的研发模式的需要，需要构建以数字化样机为基础的三维模型数字化质量检测控制体系。

随着数字化环境下复杂装备产品基于三维数字化样机的设计与生产制造技术的日趋成熟，产品零部件规格和数量变得更加复杂和种类繁多，对产品的经济性和功能性能等质量要求不断提升，因而对产品的加工精度也提出了更高要求，并造成了产品检验检测难度的加大，传统的质量检验技术已不能满足复杂电子设备迅速和高精度的质量控制需求。应用三维数字化样机的质量检验检测已具备与智能化、数字化三维设计、工艺、生产制造一体化协同的能力，形成了高效、刚性管控的质量检测控制体系。

基于数字化样机的质量检验检测是一种从复杂产品数字化样机三维设计、工艺和生产模型BOM中提取复杂产品关键特性数据，通过仿真分析、知识工程，以及数字三维模型与物理实体的相互映射，在可视化交互环境下构建基于数字化三维样机的质量检验检测试验平台。

目前，数字化、智能化的质检技术已形成了“虚实融合，相互映射”的发展方向，通过仿真分析、虚拟试验、模拟试验，以及实物验证试验的有机融合，在虚实映射融合的试验环境中验证复杂产品的整体质量能否满足设计要求。在此基础上，验证系统间的协调和匹配性，并对复杂电子设备的质量特性做出评价。

MBD(Model Based Definition)即为基于模型的定义。其在数字化三维模型中赋予数字化三维设计信息和数字化三维制造信息，使CAD和CAM，以及质量检验检测实现了一体化集成。近年来，国外MBD在波音787上已应用成功，以三坐标测量、激光跟踪、激光扫描等为代表的数字化检验设备已取代传统手工检测，在数字化制造和数字化检验检测中发挥了重要作用，已成为数字化制造和数字化检验检测中的关键技术。

1 数字化环境三维检验检测质量管控架构

数字化三维质量检验控制体系架构以复杂电子产品研制生产中的数字化三维检测需求为牵引，按照“虚实相互映射融合”的层次化结构建立数字化环境三维检验检测质量管控体系架构，形成了数字化三维检验检测方法，以实现数字化环境下复杂产品设计与虚拟验证的一体化协同。

如图1所示，数字化环境三维检验质量管控流程体系框架由五部分构成，即数据资源层、基础组件层、信息交互层、虚拟试验核心服务层和虚拟试验资源集成层。

图1：数字化环境三维检验质量管控体系框架

数据资源层：可将产品设计模型导入检验检测中，充分利用了数字化样机设计成果，为虚拟试验验证和简化模型提供了统一数据来源。其统一存储在三维数字化虚拟试验验证中需要的数字化模型、知识和数据资源，统一管理和重用包括设计模型库、试验检测模型库、环境条件模型库、试验检测数据库，以及试验检测设备等资源。

基础模块层：负责底层试验检测资源的存取、监测与控制，以及检验检测数据的动态收集和存储，提供物理验证资源的实时接入接口。该层主要包括试验验证管理、数据收集、存储管理、通用接口和实时数据转换等模块。试验验证管理模块将对试验验证过程进行监控，其向信息交互和核心服务层反馈试验验证资源状态；数据收集模块动态收集试验检测产生的数据，但不进行数据解析，以确保数据的实时性和可靠性；存储管理模块以表格形式将试验检测数据存储到试验检测数据库中，可供上层的服务调用独立于数据库类型的试验检测数据存储函数；实时数据转换模块主要封装实时板卡等实时设备的输入输出接口，将接口数据转换成共享内存或实时网络上的数据对象。

信息交互层：基于数字化样机三维模型，交互虚拟试验验证中各类对象的数据流、信息流和控制流，并进行检验检测对象管理、质量信息的管理和发布，以及信息交互通讯管理等。按照对象描述规范实现虚拟试验检测对象的共享和重用来进行对象管理，由于数字化虚拟三维样机模型依据系统体系结构实体类建立，定义了类属性和类方法。以及虚拟试验验证组成之间的静态或动态结构关系，因此，信息交互层主要提供数字化样机模型质量信息的产生、使用、管理维护等方面的状态更新和传输，并依赖底层设备提供的API接口。

虚拟试验核心服务层：为了试验检验过程中的流程驱动和复杂计算，以及试验资源调度和状态监控，进行流程管理服务和试验网格服务。试验流程管理服务主要提供试验验证任务规划、过程驱动和监控管理的工具。试验网格服务为并行计算、调度和优化试验资源提供工具。

虚拟试验资源集成层：对试验验证过程中涉及的试验对象、试验环境和试验交互控制接口分类管理。生成并管理虚拟试验检验过程中的数字试验样机模型、试验模型模板和试验流程模板等。应具备可视化、数字化三维应用开发环境，帮助试验策划者将试验检测质量管控流程中的试验资源对象模型、试验人员、试验环境、试验边界、试验设备等集成封装。模拟多物理场耦合环境可使用虚拟三维试验环境（包括自然使用环境、电磁环境和多应力综合环境等）的模型管理，并以统一的接口发布，便于存取；可视化虚拟试验过程的交互控制有利于进行高仿真的本地和异地一体化协同试验，实现基于虚拟现实的沉浸式三维人机交互。

虚拟试验三维检验应用层以复杂产品研制和使用过程为主线，构建三维数字化试验检验应用流程，从而实现对复杂装备产品检验方案的有效验证。基于数字化样机三维模型质量检验框架充分考虑了复杂电子设备设计、生产制造、三维检验检测的一体化协同需求，并对试验过程中的虚拟三维模型、质量数据进行了集成共享。

2 基于虚拟样机的三维模型数字化检验检测方法

在数字化环境下复杂产品制造过程中，为保证制造过程中高效的质量管理和控制，复杂装备制造企业急需根据开展数字化检验技术，形成针对不同类型零部件的快速数字化检验方法，并利用先进的测量设备，建立与数字化设计制造环境相适应的数字化检验技术体系。基于虚拟样机的三维模型数字化检验方法主要由四部分构成：基于数字化样机三维工艺模型的检验规程、数字化高效检测、自动化数据处理、数字化检验测量技术应用规范。

2.1 基于数字化样机三维工艺模型的检验规程

在车间数字化生产制造检验前，从数字样机三维设计模型中提取出产品特征参数，识别产品检验特征，通过三维设计、工艺模型快速生成产品数字化检验规程，通过数字化检验检测仿真分析，优化检验方式、检验途径和检验检测设备，以提高复杂产品的检验检测质量，真正试验基于数字化样机三维工艺模型的检验规划与三维检验模型的有机融合。

基于产品数字化样机典型三维结构特征，进行检验检测任务的迅速定义、识别与提取，并选用适应数字化三维模型的检验检测方案；通过数字化三维设计、三维工艺模型生成数字化检验规程，并以规范化的方式输出；建立三维检验检测坐标系；进行三维检验模型的简化，使得检验规划与复杂电子设备数字化样机三维模型实现一体化融合。实现基于数字化三维模型的数字化智能检验、自动数据分析和质量评价，达到高效、精确、刚性的质量控制目的。

2.2 数字化高效检测

复杂装备产品生产制造中涉及的零部件形式多种多样，数量多、批次多，因此必须利用数字化、智能化手段实现快速高效的检验检测，通常采用三种方法：

（1）利用拍照比对或光学测量等现代检验检测技术，形成不同类型零部件的测量方法；

（2）利用自动测试技术，选用适配的测量仪器和设备建立复杂产品自动化检验检测系统；

（3）对现场通用辅助量具为了测量数据的自动采集上传，应研制测试数据的采集接口。

数字化高效快速检验的重点为复杂产品三维自动化检验检测方案，数控检验检测编程与仿真分析，基于数字化三维样机的各种可视化、自动化检验方式的集成，以及多源检验检测数据的融合。

2.3 自动化数据处理

对于复杂产品的检验检测，需要构建各种检验检测设备协同检验，并与数字化三维模型快速自动比对分析的检验环境，以实现在实际工程中大量测试检验数据的高效快速处理。通过自动比对预处理后的检验实测值和三维模型理论值，生成产品质量评价。

自动化的数据处理包含：异构测量数据的拼合、融合、去噪、光顺、过滤等预处理；工程约束条件下检测数据与三维模型的配准对齐；自动比对三维设计模型和数字化检验规范的误差点判别；做出产品是否合格的质量评价，实现产品质量的刚性管控。

2.4 数字化检验测量技术应用规范

数字化检验测量技术应用规范是对复杂产品基于数字化三维模型检验中相关自动测量技术的总结归纳，需要针对工程应用环境，具体问题具体分析，但是通常应包括：基于数字化三维模型的检验规程的编制、基于数字化三维模型检验方法的选用、数字化检验检测数据的处理分析、基于数字化三维模型检验流程模板等。

3 应用实例

数字化、智能化研制生产模式使传统的生产制造和产品检验都产生了变革。在制造环节利用数字化加工和装配设备、物料存储和输送系统、生产过程的数字控制开展了基于三维模型的数字化生产。为全面解决数字化环境下三维产品的检验问题，从以下方面开展基于MBD的三维检测（图2）：

图2：基于数字化模型的三维检测

（1）导入电子产品三维设计模型，进行参数提取：通过建立文件指针和机械接口与三维模型的特征数进行连接，提取出产品零部件的参数，输出到指定路径的Excel表格中；

（2）利用三坐标测量软件的功能，实现自动编程、检测；

（3）利用专业的离线自动编程软件，实现依据三维设计模型的自动编程、检测；

（4）利用激光扫描比对的技术方案对制造过程质量信息自动获取、有效评估，控制产品质量。测量方法如图3所示。

图3：测量方法

制造过程自动获取质量信息和有效评估主要包括：信息采集、信息处理、信息对比及质量评价等。首先通过数字化、智能化的信息采集设备，自动、精准地取得检测实物表面离散各点空间几何信息，生成数据点云；该点云经过稀释、分层、删除误差点等预处理后，自动构造测量体的三维实物模型；将测量得到的三维实物模型与数字化样机设计模型通过比对软件进行自动比对，最终得出被检对象的质检评价结论。如图4所示。

图4：制造过程质量信息自动获取与有效评价技术

采集数据点云的质量直接影响了三维实体模型与三维设计模型比对的结果，因此高精度的数据采集是实现数字化制造产品质量检测的基础和关键。

检测信息的采集方式按传感器类型分为接触式和非接触式。

接触式检测通过测试探头与被测对象接触，采集被测表面的轮廓曲面，进行数据处理后，从而获得被测对象的表面轮廓信息。接触式触发测试探头通过测试探头的探尖与被测对象接触，产生的接触力由测杆传递到测试探头内部的触发机构，当测试力达到能够克服内部弹簧的预压力时，触发机构的机械触点便脱离接触，进而产生触发信号。接触式检测具有精度高、稳定可靠的优点，但其最大的缺点就是采集效率低，限制了测量速度，并且接触式测量有一定的测量力，对于薄壁件、曲线曲面等异型面测量有一定的局限。

非接触测量主要是运用光、声、电磁等介质，获得被测对象曲面的三维坐标数据。在工程中，大量的非接触检测方法主要采用光学方法，例如激光三角法等。三角法的基本原理是：激光发生器产生的激光投射到被测对象，位置传感器接收由被测对象表面反射回的漫反射光，依据其成像位置，即可按照三角几何原理算出被测物体的空间坐标。非接触式测量，不需要直接接触被测对象，并且检测速度比接触式要高效，因此，在三维检验检测领域被大量应用。

三坐标激光检测设备将三坐标测量技术与激光扫描技术相结合，其综合了三坐标测量机测量范围大、精度高、效率高，可与柔性制造系统相连接等众多优点，又具备激光扫描非接触、工作速度快、测量距离长、对被测体表面特性要求不高等特点，在数字化三维检验检测获得了广泛的应用。

在基于三维模型的数字化制造过程中，三维激光扫描检测可实现实物质量信息的自动获取与有效评估，充分利用三维模型基于数字化样机直接生成的优点，实现了生产过程质检数据的自动采集与刚性评估，显著提高了制造环节的质量管控效率。

3.1 设计模型

导入的设计模型格式一般为通用的STEP、PRO/E、IGES等格式，设计模型摆放的位置矢量应与零件在三坐标平台上的摆放位置矢量一致。

3.2 数据采集

三坐标测量机的激光扫描测头，可以快速实现产品的结构扫描。如图5所示。

图5：三坐标测量效果

3.3 建立对比模型

应用导入的点云信息，进行过滤后，使用网状表面构造被检产品的三维实物模型，并与数字化样机的三维设计模型比对。如图6所示。

图6：模型比对效果

3.4 产品质量检测评价

完成比对模型的构建，利用软件的对比功能，则可以实现产品的质量评估，并以表面色差图或多种格式的检测报告显示质量评估结果。如图7所示。

图7：质量检测评估结果

将激光扫描后形成的数据点云进行处理，删除误差点后与设计模型在比对软件中进行比对。按照公差要求设置色带数值，将数据点云与设计模型进行全局比对或者截面比对，形成色谱图检测报告。

4 结论

基于数字化三维模型的制造技术已日趋成熟和完善，三维数控加工和三维装配仿真等已在实际工程中应用，基于三维模型的制造技术已向三维设计、三维工艺、三维制造仿真、三维检验的产品研制全过程发展，保证了产品全寿命周期数据的一致性，提高了产品研制生产的质量和效率。