基于MBD的数字化军检技术研究*

2023-10-10侯世红李鹏程赵宇博尹雪巅

舰船电子工程 2023年6期

侯世红李鹏程赵宇博尹雪巅

（1.中国电子科技集团公司第二十研究所西安 710068）（2.中国电子科技集团公司第二十研究所高端电子装备工业设计中心西安 710068）

1 引言

随着数字化技术的快速发展，对国防科技工业起到了积极的推动作用，武器装备研制企业逐步建立起基于MBD 模型的数字化设计、工艺、制造、检验与装配相结合的数字化制造新模式。而在整个装备的生产制造过程中，军检是保证装备质量的基本手段，传统军检技术难以满足现有武器装备结构复杂、对零部件质量要求严格等的特点，2012年，总装备部在A号文件中，正式提出了“军检数字化”的要求。为适应武器装备数字化制造新模式，充分运用数字化、信息化的技术和手段，开展基于MBD（Model Based Definition，基于模型的定义技术）的数字化军检，将成为未来军检工作的发展趋势［1～5］。

2 数字化军检技术

数字化军检是指军代表在开展军检活动过程中利用先进的数字化技术，对武器装备的科研生产和技术服务等实现质量管理和监督的过程。

相比于传统军检模式，开展数字化军检具有以下优势：1）检验手段智能化，数字化的技术、软件、工具等的应用能够极大程度简化操作过程，缩短检验周期，提高检验精度，提升军检理论水平；2）信息处理数字化，通过信息化、数字化、可视化的数据管理技术，实现军代表对装备设计、制造、试验和交付等相关数据的实时获取和管理监督能力；3）提升军检工作的效率和准确性，减少重复性工作，规范军检验收流程，提升军代表在军检过程中的质量监督能力。

3 基于MBD的数字化军检技术

3.1 MBD技术

MBD 技术是一种基于全三维模型的数字化定义技术，通过产品数据集来定义产品信息，是波音公司最新先行的新一代产品定义方法。1997年，美国机械工程师协会在波音公司协助下开始起草有关MBD 相关标准，并在2003年发布了美国国家标准ASME Y14.41-2003（后修订为ASME Y14.41-2012），随着MBD 技术的广泛应用和发展，国际标准化组织也制定有关MBD 的标准ISO 16792-2006（后修订为ISO 16792-2015），美国军方为了武器装备的数字化建设，制定了美军标MIL-STD-31000A，我国为了MBD 技术在制造领域的推广应用，制定了国标GB/T 24734-2009。

MBD 模型包含了产品的全部制造信息PMI（Product Manufacture Information），如图1，包括产品的三维模型、产品的三维标注信息、零部件的其他属性等。MBD 技术的发展和应用，旨在将产品的定义技术由二维CAD 图纸迈向三维模型的转变，为数字化设计、制造和检测提供信息载体，实现无纸化设计和制造。目前MBD 技术已广泛用于航空制造业［6～9］。

图1 MBD模型数据信息

3.2 基于MBD的数字化军检技术

基于MBD的数字化军检，是通过数字化的系统和设备，以MBD 模型为基础，提取其中与制造信息有关的设计数据作为检验依据，并提取和记录产品的生产制造数据，与设计数据进行比对，进而自动给出合格与否的判定结果，完成对武器装备的军检过程，其主要的检测流程如图2所示。

图2 基于MBD的装备军检流程

基于MBD的数字化军检技术，作为一项新的检测技术，主要综合了机电一体化、图像识别和处理、软件集成、数据处理等方面的先进技术，数字化军检技术使得装备质量检验的检验流程、检验方法、流程审签、检验数据记录和管理等方面标准化、规范化。通过实时采集和记录制造检测数据，并与生产制造流程的执行系统进行融合和集成，摆脱传统依附于工艺过程的检验验收模式，在信息化数据共享的基础上打通数字化设计、工艺、制造和检验的全流程［10～12］。

4 基于MBD的数字化军检关键技术

4.1 编制基于模型的在线智能检测评价系统

数字化军检活动实施过程中，首先需要编制基于模型的在线智能检测系统。该系统能够集成模型导入、模型的特征识别和提取、检测需求定义、检测数据提取和对比，检测结果的输出和可视化、检测数据的存储和分析、检测文件的签审和导出等方面的功能。本文在研究过程中，开发了基于UG 软件的在线智能检测系统，通过对UG 软件进行二次开发，开发成UG的一个插件形式嵌入其中，系统界面如图3所示，该界面为左右结构，左侧功能区域主要包括三个页面，分别为主界面LOGO、前处理页面和评价页面。右侧的显示区域借用UG的模型显示区域，可展示零部件的模型和三维标准信息。

图3 在线智能检测评价系统主界面

4.2 MBD模型信息提取

装备零部件的MBD 模型，包含了产品生产周期内的所有的几何信息和非几何信息，在进行数字化军检时，首先需要得到包含所有需要检测的PMI信息的零部件MBD模型，如图4所示。

图4 基于UG的MBD模型

结合图1所示的MBD模型包含的数据结构，在进行零部件的模型信息提取过程中，可将基于MBD的零部件模型定义为

式中，Pi为零部件三维实体模型，包含了构成零件模型的各几何要素，包括所有构成三维模型形状和轮廓的点、线、面等；Annj为零部件的三维标准信息，包括几何尺寸，形位公差，表面粗糙度、基准、其他有关注释等信息；Attk为零部件的其他属性，包括材料，热处理，其他技术要求等信息。

通过提取零部件的所有MBD 数据集，结合在实际军检过程中对零部件的检测要求，即可生成检测标准数据库，后期通过军检获得的数据可与之比对，从而生成合格与否的判据。

4.3 未注公差处理

在前期设计过程中，为减少设计人员工作量，在三维模型中可对尺寸要求不严格的标注省略其尺寸公差，但在实际检测过程中，需要得到其公差数据，以比较真实值与测量值的超差情况，因此在数据提取过程中，首先要对提取的尺寸信息分类，筛选出未注公差的尺寸，对于未注公差，需提前给出相关执行标准或公差等级，完善未注公差尺寸的默认公差，得到包含全部检测尺寸与尺寸公差的检测模型。

4.4 检测工艺规划

传统检测工艺主要是检测人员根据工艺文件，对比产品的二维图纸实施手工检测过程。随着计算机技术的发展，基于CAD 模型的CAIP（Computer Aided Inspection Planning，计算机辅助检测规划）技术得以应用和发展，而基于MBD 模型的数字化检测工艺，对CAIP 系统提出了越来越高的智能化要求。而在实施数字化检测工艺过程中，利用CAIP技术预先完成智能检测工艺规划是关键的一步。

基于MBD 模型的检测工艺规划流程如图5所示，首先要对MBD 模型进行可测性分析，根据结构模型定义检测需求，同时对检测过程进行仿真，根据模型的不同，对测点和检测路径进行设计规划，输出检测程序［13］。

图5 检测工艺规划流程图

4.5 检测数据提取和对比

通过光学测试仪器、三坐标测量机等数字化检测设备，对需要检测的零部件按照规定检测工艺路径进行模型扫描检测，通过图像识别和计算机数据处理，将扫描的图形处理生成模型的点云数据，如图6所示。

图6 模型点云数据

如图7所示，将得到的点云数据与零部件的三维模型置于同一坐标系中，进行坐标系配准，通过将点云数据和三维模型分析和比对，得到零部件的检测结果。

图7 点云数据配准

4.6 检测结果评价

根据实际的检测需求，设置相应的监测点，通过数据比对，即可得到相应的检测结果，如图8所示。

图8 检测特征匹配

得到所有检测节点的检测结果，通过设置颜色的不同即可粗略显示检测结果合格与否。点击需要查看的节点，即可得到某节点的检测结果详情，如图9所示。如图10，同软件还设置了生成检测报告的功能，可以输出所有节点的详细检测结果，以供军代表查看。

图9 检测结果详情

4.7 检测数据处理

传统的检测数据大多以纸质介质保存，后期利用过程中，数据处理和分析难度较大，二次利用较为困难。数字化军检技术通过对检测数据的结构化存储，可以实时提取和查看，通过横向和纵向的对比分析，还可以评价装备的质量走向，后期可通过对检测数据的进一步信息化处理，通过大数据分析，还可以获得装备质量问题的关键点，同时各军代表通过军检数据的共享，还可对系统级的装备质量进行评价和分析，全面提升对武器装备的质量监督能力。