基于MBD的數(shù)字化檢測(cè)工藝分工技術(shù)研究

屈力剛，孫業(yè)翔，葉柏超，蘇長(zhǎng)青，楊野光

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110136）

隨著數(shù)字化集成制造系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用，數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)作為數(shù)字化集成制造系統(tǒng)中的重要組成部分，工程需要日益強(qiáng)烈。產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型和制造信息的傳遞方式已從傳統(tǒng)的二維模擬量傳遞向三維數(shù)字傳遞方向發(fā)展。隨著MBD技術(shù)的深入研究與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了基于MBD的數(shù)字傳遞、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和模型全信息表達(dá)[1-4]。

一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)企業(yè)所擁有的測(cè)量設(shè)備資源在一定時(shí)期內(nèi)是相對(duì)不變的，被測(cè)零件的檢測(cè)工藝規(guī)劃都是基于企業(yè)靜態(tài)測(cè)量設(shè)備資源，結(jié)合數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的[5-6]。與MBD技術(shù)相結(jié)合，從MBD模型中獲取檢測(cè)工序模型，利用三維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)字傳遞，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)源的單一化和無(wú)紙化，避免了數(shù)據(jù)源的二義性，保證了測(cè)量過(guò)程的準(zhǔn)確性和效率[7-9]。但是，由于零件的檢測(cè)工藝規(guī)劃是基于企業(yè)測(cè)量設(shè)備資源進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)設(shè)計(jì)的，測(cè)量程序?qū)τ诖_定零件具有重復(fù)性、可互換性和高效性的特點(diǎn)，這就要求被測(cè)零件需要合理利用各種檢測(cè)設(shè)備資源進(jìn)行協(xié)同測(cè)量，即檢測(cè)工藝分工[10-11]。檢測(cè)工藝分工規(guī)劃是檢測(cè)規(guī)劃程序設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)，對(duì)合理利用測(cè)量設(shè)備資源、保證產(chǎn)品質(zhì)量和提高檢測(cè)效率等具有重要作用。顯然，缺乏合理的檢測(cè)工藝分工路線的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)檢測(cè)工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)方法難以滿足基于靜態(tài)測(cè)量設(shè)備資源配置的實(shí)際應(yīng)用需求[12]。

針對(duì)檢測(cè)工藝分工規(guī)劃和檢測(cè)工藝路線優(yōu)化的問(wèn)題，在研究了工藝分工概念和關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合MBD技術(shù)，提出了以檢測(cè)成本和檢測(cè)時(shí)間為約束條件，以檢測(cè)速率、特征精度、特征尺寸為檢測(cè)變量構(gòu)造檢測(cè)工藝路線函數(shù)來(lái)求解最優(yōu)檢測(cè)工藝路線的方法。結(jié)合檢測(cè)工藝分析知識(shí)庫(kù)和企業(yè)測(cè)量設(shè)備資源，完成檢測(cè)工藝分工規(guī)劃的選擇。

數(shù)字化檢測(cè)工藝分工概念定義

1 測(cè)量元素和檢測(cè)特征

一般來(lái)說(shuō)，特征是指對(duì)特定的活動(dòng)或應(yīng)用具有意義的對(duì)象[13]。即特征用一種很自然的方式將應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)的知識(shí)和對(duì)象的表達(dá)方法聯(lián)系在一起。形狀特征與設(shè)計(jì)相關(guān)，它關(guān)注產(chǎn)品的功能性；制造特征與工藝過(guò)程相關(guān)，它關(guān)注零件的工藝性；檢測(cè)特征與檢測(cè)過(guò)程相關(guān)，它關(guān)注零件的準(zhǔn)確性。檢測(cè)特征是指產(chǎn)品（零件）制造特征完成加工工藝過(guò)程后與設(shè)計(jì)特征的幾何尺寸、形位公差、表面粗糙度等偏離程度的評(píng)價(jià)過(guò)程。

測(cè)量元素是指在測(cè)量過(guò)程中，由基本幾何元素點(diǎn)、直線、多邊形和圓所構(gòu)成幾何特征（平面、圓柱面、球面、錐面等）[14]。幾何特征是構(gòu)成零件的基本單位，幾何特征的加工質(zhì)量和檢測(cè)精度將直接決定零件產(chǎn)品的使用性能和使用壽命。

2 檢測(cè)工藝分工規(guī)劃

檢測(cè)工藝分工規(guī)劃是指產(chǎn)品或零部件在檢測(cè)過(guò)程中，由測(cè)量準(zhǔn)備到檢測(cè)完畢的全部檢測(cè)工藝過(guò)程及其被測(cè)特征和測(cè)量設(shè)備在測(cè)量過(guò)程中的順序經(jīng)歷，也稱為檢測(cè)工藝分工路線或檢測(cè)工藝分工計(jì)劃。

在企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中，零部件的檢測(cè)規(guī)劃過(guò)程是：首先對(duì)組成產(chǎn)品的零部件的被測(cè)特征要求進(jìn)行分析，形成檢測(cè)工藝分工規(guī)劃，然后依據(jù)檢測(cè)工藝分工規(guī)劃和企業(yè)的檢測(cè)資源配置情況和被測(cè)零部件的精度要求進(jìn)行檢測(cè)工藝分工（測(cè)量設(shè)備資源分配），形成檢測(cè)工藝規(guī)劃路線并最終推送至現(xiàn)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)測(cè)量機(jī)進(jìn)行測(cè)量。檢測(cè)工藝分工規(guī)劃屬于檢測(cè)工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)（產(chǎn)品總體工藝設(shè)計(jì)的一部分），通常由企業(yè)專職工藝工程師和檢測(cè)工程師負(fù)責(zé)完成。

3 物理檢測(cè)單元

物理檢測(cè)單元（Physical Inspecting Cell，PIC）是指在測(cè)量室中相對(duì)集中的、能夠協(xié)同完成某種零件檢測(cè)工藝規(guī)劃要求的若干臺(tái)測(cè)量設(shè)備的組合。物理檢測(cè)單元一般以零件族為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，要求其能夠完成零件族中主要或全部特征的檢測(cè)和評(píng)價(jià)過(guò)程。物理檢測(cè)單元是測(cè)量室中的基本組成單位，即一個(gè)測(cè)量室可由一個(gè)或若干個(gè)物理檢測(cè)單元組成。以物理檢測(cè)單元而不是以測(cè)量設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)能力的描述可以有效地避免檢測(cè)能力的重復(fù)表達(dá)。

4 邏輯檢測(cè)單元

邏輯檢測(cè)單元（Logical Inspecting Cell，LIC）是指邏輯上可完成某種零件特征的檢測(cè)能力的描述。事實(shí)上，邏輯檢測(cè)單元是根據(jù)零件族的典型特征及其檢測(cè)要求而確定的一種檢測(cè)方法。通常，一個(gè)物理檢測(cè)單元可對(duì)若干種零件特征進(jìn)行檢測(cè)，邏輯檢測(cè)單元可將物理檢測(cè)單元的檢測(cè)能力進(jìn)行細(xì)化，物理檢測(cè)單元又可分解為若干邏輯檢測(cè)單元。

5 邏輯檢測(cè)工藝路線

邏輯檢測(cè)工藝路線（Logical Inspecting Process Route，LIPR）表示一個(gè)零件在邏輯上所需的全部檢測(cè)工藝過(guò)程，它是邏輯檢測(cè)單元的有序組合。邏輯檢測(cè)工藝路線與具體的測(cè)量設(shè)備資源無(wú)關(guān)，是零件檢測(cè)工藝規(guī)劃路線，描述了零件檢測(cè)時(shí)的主要檢測(cè)工藝路線及檢測(cè)能力需求。例如，檢測(cè)精度、檢測(cè)成本、檢測(cè)時(shí)間等檢測(cè)能力需求信息，是匹配具體的物理檢測(cè)單元和測(cè)量設(shè)備資源優(yōu)化配置的約束條件。邏輯檢測(cè)工藝路線是以邏輯檢測(cè)單元為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，是邏輯檢測(cè)單元的有序組合，邏輯檢測(cè)單元又是對(duì)物理檢測(cè)單元的檢測(cè)能力的描述，在零件檢測(cè)工藝規(guī)劃和測(cè)量設(shè)備資源之間建立起對(duì)應(yīng)關(guān)系，為檢測(cè)工藝分工路線自動(dòng)規(guī)劃奠定了基礎(chǔ)。

6 可執(zhí)行檢測(cè)工藝路線

可執(zhí)行檢測(cè)工藝路線 （Executive Inspecting Process Route，EIPR） 表示一種與物理檢測(cè)單元相關(guān)聯(lián)的可實(shí)際應(yīng)用的檢測(cè)工藝規(guī)劃路線?？蓤?zhí)行檢測(cè)工藝路線是物理檢測(cè)單元經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的有序組合，將零件中的被測(cè)特征與物理檢測(cè)單元進(jìn)行關(guān)聯(lián)和優(yōu)化，最終確定可執(zhí)行的檢測(cè)工藝路線。它是邏輯檢測(cè)工藝路線與零件關(guān)聯(lián)并優(yōu)化后的結(jié)果。

檢測(cè)工藝分工過(guò)程

通過(guò)對(duì)上述概念和定義的分析，可將檢測(cè)工藝分工過(guò)程分為5個(gè)主要過(guò)程：檢測(cè)工序模型的獲取、邏輯檢測(cè)工藝路線設(shè)計(jì)、可執(zhí)行檢測(cè)工藝路線生成、檢測(cè)工藝路線優(yōu)化和檢測(cè)工藝分工規(guī)劃生成，如圖1所示。

圖1 檢測(cè)工藝分工過(guò)程Fig.1 Inspection process assignment

首先，從MBD模型中獲取檢測(cè)信息和檢測(cè)工藝要求，建立檢測(cè)工藝模型，根據(jù)檢測(cè)工藝模型與邏輯檢測(cè)單元庫(kù)設(shè)計(jì)邏輯檢測(cè)工藝路線；其次將邏輯檢測(cè)工藝路線中所包含的所有邏輯檢測(cè)單元進(jìn)行映射，生成物理檢測(cè)單元。將物理檢測(cè)單元進(jìn)行排序，生成可執(zhí)行檢測(cè)工藝路線。一個(gè)零件可以生成多個(gè)可執(zhí)行檢測(cè)工藝路線，根據(jù)檢測(cè)時(shí)間、檢測(cè)成本等約束條件，被測(cè)特征尺寸、精度等級(jí)、測(cè)量速度等為測(cè)量變量，對(duì)檢測(cè)工藝路線進(jìn)行優(yōu)化，得到優(yōu)化后的可執(zhí)行檢測(cè)工藝路線；最后，以企業(yè)現(xiàn)有測(cè)量設(shè)備資源作為檢測(cè)工藝分工約束條件，以檢測(cè)工藝性分析知識(shí)庫(kù)為理論支持，以最優(yōu)可執(zhí)行檢測(cè)工藝路線為基礎(chǔ)，生成檢測(cè)工藝分工規(guī)劃。

檢測(cè)工藝分工規(guī)劃設(shè)計(jì)

零件的信息和企業(yè)（測(cè)量室）檢測(cè)工藝性是影響零件工藝分工的關(guān)鍵因素。檢測(cè)工藝模型主要由零件信息和檢測(cè)能力兩部分組成，如圖2所示。零件信息主要包括：零件類型、零件中所包含特征類型、材料類型、精度等級(jí)、基本尺寸等信息，企業(yè)（測(cè)量室）檢測(cè)工藝性主要由測(cè)量設(shè)備、測(cè)量方法等因素共同決定。

圖2 檢測(cè)工藝模型數(shù)據(jù)集Fig.2 Inspection process model data set

在對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)工藝分工時(shí)，需在MBD模型中提取其零件信息及企業(yè)（測(cè)量室）的檢測(cè)工藝性，建立檢測(cè)工藝模型并根據(jù)檢測(cè)工藝模型進(jìn)行檢測(cè)工藝分工，如圖3所示。

圖3 檢測(cè)工藝模型Fig.3 Inspection process model

檢測(cè)工藝分工是一項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng)的工作，傳統(tǒng)的工藝分工方式在面對(duì)數(shù)量較多的測(cè)量設(shè)備資源時(shí)，往往存在缺乏動(dòng)態(tài)性、重復(fù)性和可互換性低等問(wèn)題。因此，為滿足企業(yè)在檢測(cè)零件時(shí)對(duì)檢測(cè)工藝規(guī)劃和檢測(cè)工藝分工規(guī)劃的需要，采用基于MBD模型和知識(shí)庫(kù)、資源庫(kù)的智能化設(shè)計(jì)方法，可提高自動(dòng)化程度，減少對(duì)檢測(cè)工藝人員的依賴程度[15-16]。

在對(duì)被測(cè)零件進(jìn)行工藝分工時(shí)，首先需要判斷零件的類型，根據(jù)不同的零件類型基于知識(shí)庫(kù)分析其檢測(cè)工藝性，得到邏輯檢測(cè)單元并進(jìn)行合理的排序形成邏輯檢測(cè)工藝路線。將組成邏輯檢測(cè)工藝路線的邏輯檢測(cè)單元進(jìn)行映射即可到物理檢測(cè)單元，將其按照一定順序進(jìn)行排列即得到可執(zhí)行檢測(cè)工藝路線。在生成可執(zhí)行檢測(cè)工藝路線后，以企業(yè)現(xiàn)有的測(cè)量設(shè)備資源作為約束條件，即可得到檢測(cè)工藝分工規(guī)劃（路線）（圖4）。

圖4 基于MBD的檢測(cè)工藝分工過(guò)程Fig.4 Inspection process assignment based on MBD

對(duì)于零件的檢測(cè)工藝性分析，原理上以企業(yè)所形成的檢測(cè)工藝知識(shí)庫(kù)為基礎(chǔ)，對(duì)被測(cè)零件的特征、公稱尺寸、材料類型、精度要求、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等進(jìn)行綜合分析，得到邏輯檢測(cè)單元，邏輯檢測(cè)單元的有序集合即組成了邏輯檢測(cè)工藝路線。設(shè)邏輯檢測(cè)單元為CL（i i=1，2，則由邏輯檢測(cè)單元的集合可 組 成不同的邏輯檢測(cè)工藝路線，即M1，M2，…，Mm。所有邏輯檢測(cè)工藝路線可看做是被測(cè)零件在測(cè)量時(shí)的方法集合，即同理，設(shè)物理檢測(cè)單元為CW（i i=1，2，3，…，s），可得到由物理檢測(cè)單元集合所構(gòu)成的可執(zhí)行檢測(cè)工藝路線，即E1，E2，E3，…，Et。物理檢測(cè)單元集合E可由所有可執(zhí)行求并集得到，即物理檢測(cè)單元集合E亦可看做企業(yè)中測(cè)量資源集合?；谖锢頇z測(cè)單元所生成可執(zhí)行檢測(cè)工藝路線有很多條，但是由于企業(yè)中物理檢測(cè)單元是一定的，故對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，E是相對(duì)穩(wěn)定且唯一的。隨著企業(yè)對(duì)被測(cè)零件測(cè)量類型和精度要求的提高，為滿足測(cè)量需要，可以通過(guò)添加物理檢測(cè)單元的方式對(duì)E進(jìn)行升級(jí)。邏輯檢測(cè)單元與物理檢測(cè)單元關(guān)系如圖5所示。

檢測(cè)工藝分工規(guī)劃生成

檢測(cè)工藝分工規(guī)劃的選擇和優(yōu)化過(guò)程是完成檢測(cè)工藝分工過(guò)程的核心和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。檢測(cè)工藝分工選擇過(guò)程是將所生成最優(yōu)的可執(zhí)行檢測(cè)工藝路線進(jìn)行分析和拆分，獲得其所有的物理檢測(cè)單元。用邏輯檢測(cè)單元對(duì)組成最優(yōu)可執(zhí)行檢測(cè)工藝路線的所有物理檢測(cè)單元進(jìn)行描述。以邏輯檢測(cè)單元為基礎(chǔ)，測(cè)量設(shè)備資源為約束條件，進(jìn)行檢測(cè)工藝分工和測(cè)量設(shè)備資源分配，完成檢測(cè)工藝分工規(guī)劃的選擇和制訂。

在可執(zhí)行檢測(cè)工藝路線的優(yōu)化過(guò)程中，以物理檢測(cè)單元為基礎(chǔ)，檢測(cè)成本和檢測(cè)時(shí)間為約束條件，在所獲得的所有可執(zhí)行檢測(cè)工藝路線中，選取滿足檢測(cè)成本最低和檢測(cè)時(shí)間最短的檢測(cè)工藝路線為最優(yōu)的可執(zhí)行檢測(cè)工藝路線，即完成檢測(cè)工藝分工路線的優(yōu)化，如圖6所示。

設(shè)被測(cè)零件測(cè)量時(shí)測(cè)頭運(yùn)動(dòng)的路徑總和為L(zhǎng)，檢測(cè)成本為C，檢測(cè)時(shí)間為T(mén)，被測(cè)特征尺寸為d、被測(cè)特征精度為τ、測(cè)量速度為v。

其中，被測(cè)特征所走過(guò)的路徑為li（i=1，2，3，…，n），兩特征間所走過(guò)的過(guò)渡路徑為l01，l12，l23，…，l（k-1）k（k=0，1，2，…，n）。

那么以檢測(cè)成本C和檢測(cè)時(shí)間T為約束條件，以被測(cè)特征尺寸d、被測(cè)特征精度τ、測(cè)量速度v為測(cè)量變量，計(jì)算測(cè)量路徑L的最小值，在所生成的可執(zhí)行檢測(cè)工藝路線中進(jìn)行匹配，即得到最優(yōu)化的檢測(cè)工藝路線。

圖5 邏輯檢測(cè)單元與物理檢測(cè)單元關(guān)系Fig.5 Relation between logic inspecting cell and physical inspecting cell

圖6 可執(zhí)行檢測(cè)工藝路線優(yōu)化過(guò)程Fig.6 Optimization process of EIPR

由于測(cè)頭運(yùn)動(dòng)路徑總和L、測(cè)量成本C以及檢測(cè)時(shí)間T均可以表示為測(cè)量變量的函數(shù)，即測(cè)量路徑總和函數(shù)為L(zhǎng)（d，τ，v）、檢測(cè)成本函數(shù)為C（d，τ，v）、檢測(cè)時(shí)間函數(shù)為T(mén)（d，τ，v）。那么以檢測(cè)成本C（d，τ，v）和檢測(cè)時(shí)間T（d，τ，v）為約束函數(shù)，求解測(cè)量路徑總和L（d，τ，v）的極小值即為最優(yōu)可執(zhí)行檢測(cè)工藝路線，即

令F（d，τ，v，λ，μ）分別對(duì)測(cè)量變量d，τ，v和構(gòu)造函數(shù)參數(shù)λ，μ求導(dǎo)，可得到L（d，τ，v）在C（d，τ，v）=0與T（d，τ，v）=0下的極值點(diǎn)，將極值點(diǎn)帶入F（d，τ，v，λ，μ）中即可得到測(cè)量路徑最短的優(yōu)化路徑。將所獲得的所有可執(zhí)行檢測(cè)工藝路線與最短測(cè)量路徑進(jìn)行匹配，即可得到最優(yōu)的可執(zhí)行檢測(cè)工藝路線。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

基于MBD的數(shù)字化檢測(cè)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)層、系統(tǒng)層、應(yīng)用層3部分組成。以數(shù)據(jù)層作為檢測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源和理論支撐，在系統(tǒng)層中以可檢測(cè)性分析、檢測(cè)工藝規(guī)劃、檢測(cè)工藝優(yōu)化、檢測(cè)工藝審簽、檢測(cè)結(jié)果管理、檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施為模塊來(lái)完成基于MBD的數(shù)字化檢測(cè)過(guò)程，通過(guò)應(yīng)用層將系統(tǒng)層所實(shí)現(xiàn)的功能以模塊化的形式體現(xiàn)在操作界面中，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

系統(tǒng)層主要由6部分系統(tǒng)功能模塊和測(cè)量設(shè)備工作機(jī)所組成?？蓹z測(cè)性分析模塊主要完成檢測(cè)信息提取、模型規(guī)范檢查、未注公差完善、檢測(cè)工藝分工等任務(wù)。檢測(cè)信息提取主要功能是從檢測(cè)工藝模型中獲取被測(cè)特征和檢測(cè)信息；模型規(guī)劃?rùn)z查主要實(shí)現(xiàn)對(duì)模型中提取的檢測(cè)信息進(jìn)行規(guī)范性檢查，對(duì)標(biāo)注不規(guī)范的尺寸進(jìn)行修改；未注公差完善主要處理在模型中出現(xiàn)的未注公差尺寸，以便測(cè)量設(shè)備完成測(cè)量；檢測(cè)工藝分工主要完成從邏輯檢測(cè)單元到物理檢測(cè)單元的映射和可執(zhí)行檢測(cè)工藝路線生成及優(yōu)化，進(jìn)而完成檢測(cè)工藝分工任務(wù)，工藝分工過(guò)程及結(jié)構(gòu)如圖8、圖9所示。

圖7 基于MBD的數(shù)字化檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成Fig.7 Digital inspection system structure based on MBD

圖8 檢測(cè)工藝規(guī)劃界面Fig.8 Interface of inspection process planning

圖9 檢測(cè)工藝分工結(jié)果Fig.9 Inspection process assignment result

結(jié)論

為滿足企業(yè)在零件檢測(cè)過(guò)程中對(duì)檢測(cè)工藝分工規(guī)劃的需要，在研究了檢測(cè)工藝分工概念的基礎(chǔ)上，提出了邏輯檢測(cè)單元、物理檢測(cè)單元、邏輯檢測(cè)工藝路線、可執(zhí)行檢測(cè)工藝路線、檢測(cè)特征和測(cè)量元素等概念。針對(duì)檢測(cè)工藝分工過(guò)程，在考慮企業(yè)中的測(cè)量設(shè)備資源和檢測(cè)工藝分析知識(shí)庫(kù)的基礎(chǔ)上，采樣以檢測(cè)時(shí)間和檢測(cè)成本為約束條件，檢測(cè)速率、被測(cè)特征精度、被測(cè)特征尺寸為檢測(cè)變量，建立檢測(cè)工藝路線函數(shù)的方法，求解最優(yōu)的檢測(cè)工藝路線，在可執(zhí)行檢測(cè)工藝路線中進(jìn)行匹配，確定檢測(cè)工藝分工規(guī)劃。

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