基于MBD的飛機結構件檢驗規(guī)劃技術研究

北京航空航天大學機械工程及自動化學院 段桂江 岑 榮

現(xiàn)代航空制造業(yè)以CAD或VPD（Virtual Product Development，虛擬產(chǎn)品開發(fā)）技術為平臺，在產(chǎn)品研制過程中推廣了基于模型的定義（Model-Based Definition，MBD）技術，使得產(chǎn)品在設計制造過程中的基礎數(shù)據(jù)定義、信息生成、授權、共享和傳遞模式發(fā)生了根本變化，并將MBD模型作為產(chǎn)品設計制造等全生命周期各階段的唯一依據(jù)和數(shù)據(jù)源。

國際上已經(jīng)制訂了MBD技術的相關標準體系，例如美國工程師協(xié)會（ASME）于2003年發(fā)布了“數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)實踐Y14.41”，這成為美國的國家標準；ISO組織則借鑒ASME Y14.41標準制定了ISO16792標準等；同時各大CAD軟件，如CATIA、NX、Creo等都支持Y14.41標準。國外發(fā)達航空企業(yè)的成功經(jīng)驗則證明MBD模式是數(shù)字化設計制造的成功途徑，如美國波音公司依托CATIA軟件系統(tǒng)，在研制波音787時采用MBD技術實現(xiàn)了產(chǎn)品設計、工藝設計、工裝設計、零件加工、裝配、檢驗等環(huán)節(jié)的高度融合和協(xié)同，真正實現(xiàn)了飛機設計制造過程的三維數(shù)字化、無紙化，大大縮短了飛機的研制周期。

國內(nèi)航空工業(yè)也在大力推廣MBD技術，在基于MBD的設計、制造等領域都獲得了進展。但總體而言，國內(nèi)基于MBD的數(shù)字化設計和制造模式還處于探索階段，產(chǎn)品信息的數(shù)字化定義及設計、管理規(guī)范需要進一步完善，尤其是在飛機零部件檢驗這一環(huán)節(jié)，目前國內(nèi)航空企業(yè)仍然依賴二維圖紙表達產(chǎn)品的檢驗過程信息[1]，而設計過程已經(jīng)實現(xiàn)了三維數(shù)字化，這就直接導致產(chǎn)品檢驗信息具有雙數(shù)據(jù)源，容易引起檢驗工藝二義性、檢驗規(guī)劃與產(chǎn)品設計更改不同步[2]，以及信息組織管理難度大、信息量缺失、信息傳遞不通暢等潛在問題。本文通過對MBD技術體系的研究，針對我國航空制造業(yè)飛機機加結構件檢驗過程的特點和需要，探討基于MBD的飛機機加結構件檢驗規(guī)劃技術，從而彌合檢驗規(guī)劃與數(shù)字化設計制造的縫隙。

1 基于MBD的飛機機加結構件檢驗規(guī)劃技術應用體系

1.1 基于MBD的檢驗規(guī)劃的意義

基于模型的定義（MBD）是一個用集成的三維實體模型來完整表達產(chǎn)品定義信息的方法體，它詳細規(guī)定了三維實體模型中產(chǎn)品尺寸、公差標注規(guī)則和工藝信息表達方法[3]。MBD技術的本質(zhì)是以產(chǎn)品三維模型為信息載體定義產(chǎn)品設計、制造工藝、工裝設計、裝配工藝、檢驗等信息，作為設計、制造、檢驗等產(chǎn)品全生命周期各階段的唯一依據(jù)和數(shù)據(jù)源。飛機機加結構件的傳統(tǒng)檢驗規(guī)劃方式是以二維圖紙為主表達尺寸、公差、材料等非幾何信息，而通過三維模型表達零部件的幾何信息，檢驗信息分布定義，離散分布于不同的信息載體。而基于MBD的檢驗規(guī)劃則將產(chǎn)品幾何信息以及非幾何檢驗檢測信息進行融合，以MBD檢驗模型作為產(chǎn)品檢驗的唯一依據(jù)和數(shù)據(jù)源，易于保證檢驗規(guī)劃信息數(shù)據(jù)的正確性和完整性以及與產(chǎn)品設計制造信息的一致性，消除了以往檢驗工藝二義性、檢驗規(guī)劃與設計更改不同步等問題。依據(jù)MBD模型生成測量程序，驅(qū)動數(shù)字化測量設備執(zhí)行檢測任務，可以實現(xiàn)數(shù)字化檢測與設計、制造的有效銜接；通過測量路徑優(yōu)化、干涉檢查等計算機輔助手段，可幫助企業(yè)擺脫目前數(shù)字化測量設備（如三坐標測量機）執(zhí)行效率低下的現(xiàn)狀，并且可充分利用數(shù)字化測量設備的測量精度與效率，充分發(fā)揮數(shù)字化測量技術的優(yōu)勢。

1.2 飛機機加結構件的檢驗特點與需求

飛機機加結構件是構成飛機機體骨架和氣動外形的重要組成部分，主要包括梁、肋、框、壁板、座艙蓋骨架等多種類型。它們的品種繁多、形狀復雜、材料各異，是由構成飛機氣動外形的流線型曲面、各種異形切面、結合槽口、交點孔組合而成的復雜實體[4]。飛機結構件檢驗任務的80%以上來源于這些復雜零部件。與一般機械制造業(yè)的零部件不同，飛機結構件的檢驗具有檢測任務量大、檢測耗時長、檢測精度要求高、裝夾定位難度大、檢測手段復雜多樣、對操作人員素質(zhì)要求高等特點。飛機結構件常見的檢測內(nèi)容、方法、工具及技術見表1[5]。顯然，傳統(tǒng)的基于二維圖紙檢驗規(guī)劃方式由于存在數(shù)據(jù)多源性、人工解讀的差異性、人為失誤等諸多因素很難完全滿足飛機零部件的質(zhì)量保障需求，并且在檢驗效率、成本、精度等方面越來越難以滿足國內(nèi)航空工業(yè)的要求。

1.3 基于MBD的檢驗規(guī)劃體系

MBD技術的應用使產(chǎn)品檢驗過程發(fā)生了根本變化，依托滿足MBD規(guī)范的三維數(shù)?？梢詫崿F(xiàn)對產(chǎn)品檢驗信息的全生命周期管理?；贛BD的三維檢驗規(guī)劃體系如圖1所示。在該體系中，基于MBD的檢驗數(shù)據(jù)定義和提取是基礎，依照MBD檢驗規(guī)劃體系規(guī)范，可以建立聚合完整檢驗信息的檢驗規(guī)劃工藝模型。通過輕量化產(chǎn)品模型獲得輕量化視圖信息，與產(chǎn)品檢驗規(guī)劃工藝模型進行信息融合形成MBD檢驗規(guī)劃統(tǒng)一模型，根據(jù)產(chǎn)品檢驗過程的需要可以從多個維度對MBD檢驗規(guī)劃統(tǒng)一模型進行解析，進行多視圖的數(shù)據(jù)展示和應用，從而實現(xiàn)對產(chǎn)品檢驗過程全方位支持。

2 基于MBD的檢驗規(guī)劃體系應用

2.1 MBD檢驗規(guī)劃工藝模型的定義

MBD檢驗規(guī)劃工藝模型以設計模型或工藝模型為基礎，除要求設計模型或工藝模型包含完整的幾何信息外，還需要包含較為完整的非幾何信息，如尺寸公差、形位公差、材料、加工工藝等。在檢驗規(guī)劃工藝模型中，不能對設計模型或工藝模型原有信息進行修改、刪除操作，只能進行公差、檢驗規(guī)劃等相關信息的添加。檢驗規(guī)劃工藝模型包含的內(nèi)容如圖2所示，圖中藍色部分表示不得修改。

表1 飛機結構件的檢測內(nèi)容、方法及技術

檢測工序包含檢測工序號、檢測名稱信息，針對產(chǎn)品工序檢驗時也包含對應加工工序關聯(lián)信息，代表該檢測工序在某一工序加工結束后進行。檢測對象通常是指幾何表面，用于指導檢測人員現(xiàn)場作業(yè)。檢測工具分為手工和自動兩大類，有游標卡尺、百分表、千分尺、粗糙度標準塊、電動輪廓儀、圓度儀、渦流測厚儀、卡板、明膠板、塞規(guī)、R規(guī)、角度尺、比較塊、三坐標測量機等。測量點位信息是測點規(guī)劃的結果，記錄著測點笛卡爾三坐標值和測點在零件幾何表面上的法矢向量值。測量路徑描述的是在三坐標機測量過程中測頭運行軌跡，以折線連接的形式在三維模型中展現(xiàn)。檢測要求記錄的是用于判斷檢測結果是否合格的信息，如尺寸公差值、形位公差值、按BAC5946標準進行硬度檢查等。

2.2 MBD檢驗規(guī)劃工藝模型數(shù)據(jù)的組織

圖1 基于MBD的三維檢驗規(guī)劃體系Fig.1 Three-dimensional inspection planning system based on MBD

圖2 檢驗規(guī)劃工藝模型的信息內(nèi)容Fig.2 Information of inspection planning process model

MBD數(shù)據(jù)的組織與管理中，根據(jù)計算機輔助設計系統(tǒng)對應用對象控制方法的不同，可以采用兩種管理方式[3]：基于特征樹的管理方法和基于層及層表過濾器的管理方法。特征樹法是指利用建模過程中對產(chǎn)品特征描述的不同，建立相應的特征樹，并通過隱藏開關實現(xiàn)對產(chǎn)品信息分類顯示閱讀的一種方法。層及層表過濾法是指在建模過程中將產(chǎn)品不同類別的信息分布建立在不同的層空間中，通過對層空間的關聯(lián)組合控制，實現(xiàn)對產(chǎn)品信息的分類[6]。

考慮到CATIA采用的是特征樹方式對模型數(shù)據(jù)進行管理，這里采用特征樹方式對檢驗規(guī)劃信息進行管理，將檢驗規(guī)劃信息融合到設計或工藝數(shù)模中。以特征樹方式管理的關鍵是檢驗規(guī)劃信息的特征建模和導航樹顯示兩大部分。依據(jù)檢驗規(guī)劃工藝模型的定義，歸納總結出一個根特征原型，經(jīng)擴展得到其余特征原型，例如用于存儲檢測工序信息的工序特征原型、測量點位信息的測點特征原型、測量路徑信息的測量路徑特征原型。將各個特征原型按照檢驗規(guī)劃信息的內(nèi)在邏輯和關聯(lián)關系進行組織，將原型實例化從而完成信息的特征建模。導航樹顯示是基于特征樹管理的另一關鍵內(nèi)容，目的是將特征原型經(jīng)實例化后以結構樹的形式組織在一起，使得用戶可以查看、操作相應的特征實例。采用特征樹方式對檢驗規(guī)劃信息進行組織和管理的效果如圖3所示。

圖3 檢驗規(guī)劃信息導航樹顯示的結構示意圖Fig.3 Structure of inspection planning information navigation tree

2.3 MBD檢驗數(shù)據(jù)的管理與應用

基于MBD的檢驗規(guī)劃體系融合了各類檢驗信息，為了有效管理和應用檢驗數(shù)據(jù)，建立了基于MBD的檢驗規(guī)劃統(tǒng)一模型：將檢驗規(guī)劃工藝模型、輕量化模型、檢驗規(guī)程、測量程序、檢測報告等集成在一個統(tǒng)一的整體信息框架中，實現(xiàn)統(tǒng)一、規(guī)范化管理；同時將其作為基于MBD的檢驗數(shù)據(jù)與業(yè)務管理系統(tǒng)內(nèi)部集成信息交換源，實現(xiàn)檢驗規(guī)程、檢測數(shù)據(jù)等信息從三維檢驗規(guī)劃系統(tǒng)向檢驗數(shù)據(jù)與業(yè)務管理信息系統(tǒng)的傳遞。

圖4 基于MBD的檢驗規(guī)劃統(tǒng)一模型Fig.4 Unified inspection planning model based on MBD

通過分析檢驗規(guī)劃工藝模型、檢驗規(guī)程、測量程序、檢測報告等信息，梳理得到其內(nèi)在關聯(lián)性，以信息包含、聚合關系為依據(jù)，構建基于MBD的檢驗規(guī)劃統(tǒng)一模型，如圖4所示?；贛BD的檢驗規(guī)劃統(tǒng)一模型信息包含原始數(shù)模、檢驗規(guī)劃工藝模型、輕量化模型3部分內(nèi)容。原始數(shù)模通常為三維設計模型或三維工藝模型。在三維檢驗規(guī)劃系統(tǒng)中打開原始數(shù)模，經(jīng)過相應的檢驗規(guī)劃，可以生成檢驗規(guī)劃工藝數(shù)模。檢驗規(guī)劃工藝數(shù)模不僅包含了原始數(shù)模中的已有信息，如產(chǎn)品名稱、產(chǎn)品代號、幾何信息等，還存儲了測量路徑、坐標系等檢驗信息。檢驗規(guī)程信息與檢驗規(guī)劃工藝數(shù)模相關聯(lián)，從三維檢驗規(guī)劃系統(tǒng)導出，將存儲在模型文檔中的信息轉(zhuǎn)換到文本文檔中。

檢驗規(guī)程信息的生成是實現(xiàn)檢驗規(guī)劃相關信息從三維檢驗規(guī)劃系統(tǒng)向檢驗數(shù)據(jù)與業(yè)務管理信息系統(tǒng)傳遞的關鍵。檢驗規(guī)程信息包含多個檢測工序信息，檢測工序信息由工序名稱、工序編號、檢測工具等組成，對于采用三坐標測量機進行自動檢測的工序，還包含測量程序、坐標系信息，這些信息可以指導現(xiàn)場檢測作業(yè)執(zhí)行。將測量結果輸入到檢測報告中，并上傳至檢驗數(shù)據(jù)與業(yè)務管理信息系統(tǒng)，形成檢測報告與檢測規(guī)程信息的一一對應關系。利用檢驗數(shù)據(jù)與業(yè)務管理信息系統(tǒng)功能，可由檢驗規(guī)程信息自動解析生成檢測流程定義和檢驗計劃信息。

檢驗規(guī)劃統(tǒng)一模型所包含的信息結構各異，同時信息來源多樣，本文采用描述文件記錄文檔路徑、文檔存儲檢測相關信息的方式（如圖5所示），建立檢驗規(guī)劃統(tǒng)一模型所包含信息的內(nèi)在關聯(lián)性，以此實現(xiàn)對檢驗規(guī)劃工藝數(shù)模、檢驗計劃、檢測報告等大量文檔的歸檔管理，達到飛機產(chǎn)品檢驗過程的可追溯性要求。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)與案例驗證

為了展示基于MBD的檢驗規(guī)劃技術的功能，驗證系統(tǒng)對飛機機加結構件的適用性，本文基于達索公司的三維設計軟件CATIA V5R18，在集成開發(fā)環(huán)境Microsoft Visual Studio .NET 2005中利用CAA、RADE環(huán)境對CATIA進行二次開發(fā)完成三維檢驗規(guī)劃系統(tǒng)，同時在Eclipse RCP平臺下開發(fā)了檢驗數(shù)據(jù)與業(yè)務管理信息系統(tǒng)，系統(tǒng)的實現(xiàn)方案如圖6所示。

圖5 基于MBD的檢驗規(guī)劃統(tǒng)一模型的文件描述Fig.5 Description of unified inspection planning model based on MBD

圖6 系統(tǒng)實現(xiàn)方案Fig.6 System implementation

圖7 系統(tǒng)功能與驗證效果Fig.7 System functions and verification

最后，本文以整體框結構件為實例，從檢驗工藝規(guī)劃和檢驗數(shù)據(jù)與業(yè)務管理兩個方面，對系統(tǒng)主要功能進行了介紹和驗證。系統(tǒng)功能與驗證效果如圖7所示。

4 結論

基于MBD的三維檢驗規(guī)劃對航空制造業(yè)實現(xiàn)設計、制造、檢驗等產(chǎn)品全生命周期的無紙化、數(shù)字化具有重要意義，本文在分析MBD技術應用體系和三維檢驗規(guī)劃技術的基礎上，提出了融合MBD思想的飛機結構件檢驗規(guī)劃技術體系，同時對該體系從MBD數(shù)據(jù)定義、組織、管理與應用等方面進行了闡述，最后分別基于CATIA和Eclipse平臺開發(fā)了三維檢驗規(guī)劃系統(tǒng)和檢驗數(shù)據(jù)與業(yè)務管理信息系統(tǒng)，并以飛機典型機加結構件整體框為例進行了驗證，為基于MBD的檢驗規(guī)劃技術工程化應用提供了技術支撐和方法指導。

[1] 張江.飛機典型結構件三維檢測規(guī)劃技術研究與系統(tǒng)開發(fā)[D].北京：北京航空航天大學，2012.

[2] 杜福洲，梁海澄.三維數(shù)字化集成檢測系統(tǒng)實現(xiàn)關鍵技術研究 .制造業(yè)自動化，2011，33(5)：1-5.

[3] 周秋忠，范玉青.MBD 技術在飛機制造中的應用.航空維修與工程，2008(3)：55-57.

[4] 范玉青. 現(xiàn)代飛機制造技術.北京：北京航空航天大學出版社，2001: 453-460.

[5] 《航空制造工程手冊》總編委會.航空制造工程手冊-工藝檢測.北京：航空工業(yè)出版社，1993:2-8.

[6] 盧鵠，韓爽，范玉青. 基于模型的數(shù)字化定義技術.航空制造技術，2008(3):78-82.