基于模型定義的鈑金零件檢驗(yàn)計(jì)劃生成

武曉娟，唐興齡，司朝潤(rùn)

（1.陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所，陜西 西安 710061；2.中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840；3.北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，北京 100081）

基于模型定義的鈑金零件檢驗(yàn)計(jì)劃生成

武曉娟1，唐興齡2，司朝潤(rùn)3

（1.陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所，陜西 西安 710061；2.中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840；3.北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，北京 100081）

為了實(shí)現(xiàn)三維環(huán)境下鈑金零件檢驗(yàn)計(jì)劃生成，以基于零件模型定義的數(shù)據(jù)集為獲取對(duì)象，分析鈑金零件數(shù)據(jù)集中的檢驗(yàn)信息構(gòu)成，建立基于零件模型的定義數(shù)據(jù)集。在通用三維CAD軟件CATIA環(huán)境下，通過(guò)定制相應(yīng)的檢驗(yàn)信息獲取工具生成XML文件，利用CAPP系統(tǒng)最終生成檢驗(yàn)計(jì)劃。

測(cè)量技術(shù)；測(cè)量信息；MBD數(shù)據(jù)集；檢驗(yàn)信息獲取；鈑金零件；飛機(jī)

隨著飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的發(fā)展，大型整體結(jié)構(gòu)件用量不斷增加，民用飛機(jī)經(jīng)濟(jì)性與安全性要求日益提高，對(duì)產(chǎn)品的制造精度提出了更高要求，使產(chǎn)品的檢驗(yàn)難度日趨加大，從而對(duì)測(cè)量技術(shù)提出了新的需求。傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)已難以滿足飛機(jī)零部件快速、高效、高精度檢驗(yàn)要求[1]。

零件測(cè)量信息的獲取經(jīng)歷由二維工程圖到三維零件模型信息的提取發(fā)展過(guò)程。馬新輝等[2]基于遵循初始圖形交換規(guī)范（Initial Graphics Exchange Specification，IGES）形成的二維圖形中性CAD文件，通過(guò)對(duì)構(gòu)成幾何特征的相關(guān)幾何圖元信息的提取重構(gòu)零件三維模型，并通過(guò)與各類公差信息的匹配構(gòu)建零件測(cè)量模型。趙金才等[3]在三維CAD軟件Pro/E環(huán)境下，針對(duì)零件模型的相關(guān)幾何構(gòu)造歷史及其特征構(gòu)成，基于特征識(shí)別技術(shù)，采用二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)零件幾何信息的獲取，并通過(guò)與公差信息的匹配建立具有檢測(cè)意義的零件模型。零件測(cè)量信息的獲取主要針對(duì)拉伸、旋轉(zhuǎn)等簡(jiǎn)單幾何特征的提取及其公差信息的匹配，對(duì)于掃描特征、混合特征等相對(duì)復(fù)雜的幾何特征及其公差信息的獲取有待進(jìn)一步探討。

基于二維工程圖或“三維模型＋二維工程圖”傳統(tǒng)產(chǎn)品定義模式，使零件信息的獲取存在零件測(cè)量信息定義方式的不同、零件數(shù)據(jù)傳遞的丟失及信息獲取過(guò)程復(fù)雜等問(wèn)題。而基于模型定義（Model Based of Definition，MBD）技術(shù)的零件，其定義和表示使零件檢驗(yàn)信息具有完備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，便于直觀、便捷地實(shí)現(xiàn)信息獲取。針對(duì)三維環(huán)境下建立的零件MBD數(shù)據(jù)集，可以通過(guò)直接手工處理或通過(guò)二次開(kāi)發(fā)構(gòu)建應(yīng)用系統(tǒng)，獲取與檢驗(yàn)有關(guān)的零件模型幾何尺寸、位置和公差等檢驗(yàn)所需信息。

1 零件MBD模型及其檢驗(yàn)信息構(gòu)成

MBD技術(shù)是隨著以CAD為代表的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的發(fā)展而提出的，它是采用一個(gè)集成了各種設(shè)計(jì)和制造信息的三維實(shí)體模型來(lái)完整表達(dá)產(chǎn)品定義信息的方法體[4]。MBD詳細(xì)規(guī)定了三維實(shí)體模型中產(chǎn)品尺寸、公差的標(biāo)注規(guī)則和工藝信息的表達(dá)方法，并建立了尺寸、各類公差信息與幾何特征及其幾何構(gòu)成元素的關(guān)聯(lián)關(guān)系。眾多組織和國(guó)家制定了一系列支持MBD技術(shù)的產(chǎn)品數(shù)字化定義標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范[5]，我國(guó)參照相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)于2009年發(fā)布了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)[6]；同時(shí)流行的三維CAD軟件如CATIA、UG等亦提供對(duì)MBD技術(shù)的支撐和創(chuàng)建環(huán)境。

1.1 零件模型的MBD數(shù)據(jù)集表示

馮國(guó)成等將采用MBD技術(shù)并集成零件的幾何形狀信息、尺寸與公差以及工藝信息的三維實(shí)體模型，稱為零件模型的MBD數(shù)據(jù)集[7]。零件模型的MBD數(shù)據(jù)集表示提供了后續(xù)零件加工、裝配、測(cè)量、檢驗(yàn)等后續(xù)制造工作的數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并可開(kāi)展基于模型定義的加工、檢測(cè)等工藝規(guī)劃的制定、驗(yàn)證、執(zhí)行等各種技術(shù)應(yīng)用[8-9]。在CATIA軟件環(huán)境下，采用MBD技術(shù)構(gòu)建的、集成了零件模型定義的MBD數(shù)據(jù)集表示如圖1所示。

圖1 CATIA環(huán)境下零件模型MBD數(shù)據(jù)集表示

1.2 零件模型檢驗(yàn)信息構(gòu)成

零件檢測(cè)通常依據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求和檢測(cè)目的，由零件工程圖紙（二維或三維模型）上標(biāo)注的檢驗(yàn)尺寸參數(shù)和檢驗(yàn)精度要求確定檢測(cè)項(xiàng)目[10]。因此，針對(duì)鈑金零件模型的數(shù)據(jù)集表示及其構(gòu)成內(nèi)容，其檢驗(yàn)信息主要包括三維標(biāo)注信息和與三維標(biāo)注信息關(guān)聯(lián)的零件幾何信息兩方面內(nèi)容，一些特殊的檢驗(yàn)要求可能以技術(shù)要求或其他注釋方式給出。在鈑金零件模型的MBD數(shù)據(jù)集表示中，三維標(biāo)注信息包括尺寸公差、形狀公差、位置公差、基準(zhǔn)和表面加工與處理要求等，通過(guò)這些可見(jiàn)文本或符號(hào)反映零件的屬性信息，鈑金零件MBD數(shù)據(jù)集的構(gòu)成內(nèi)容如圖2所示。

圖2 鈑金零件MBD數(shù)據(jù)集構(gòu)成內(nèi)容

鈑金各類零件檢驗(yàn)的內(nèi)容并不相同，需根據(jù)零件具體要求決定。如框肋類鈑金零件檢驗(yàn)，針對(duì)框肋零件的結(jié)構(gòu)要素給出檢驗(yàn)精度要求，對(duì)平面（弧面）的檢驗(yàn)需檢驗(yàn)其貼合度以及輪廓尺寸公差，輪廓尺寸包括邊緣斜角和圓角等；對(duì)彎邊需要檢驗(yàn)其彎邊高度和彎邊角度；對(duì)下陷檢驗(yàn)時(shí)主要檢驗(yàn)其是否在公差要求范圍內(nèi)；對(duì)裝配孔和工藝孔，檢驗(yàn)時(shí)主要檢驗(yàn)孔的間距、直徑和公差；對(duì)加強(qiáng)筋、槽、窩等檢驗(yàn)時(shí)主要檢驗(yàn)其位置是否滿足精度要求。

2 鈑金零件檢驗(yàn)計(jì)劃內(nèi)容及生成

2.1 檢驗(yàn)計(jì)劃內(nèi)容制定

隨著數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，鈑金零件從設(shè)計(jì)、工藝開(kāi)始，逐漸將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。飛機(jī)鈑金零件的數(shù)字化檢測(cè)方法利用光學(xué)成像系統(tǒng)和激光掃描儀等光學(xué)數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)識(shí)別零件的表面特征數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)零件三維模型數(shù)字化重構(gòu)，并與理論的三維設(shè)計(jì)模型進(jìn)行基準(zhǔn)對(duì)齊、分析、對(duì)比來(lái)檢驗(yàn)零件的形位誤差。

飛機(jī)鈑金零件的傳統(tǒng)檢驗(yàn)方法是通過(guò)模線樣板等模擬量的形式將設(shè)計(jì)尺寸信息傳遞到工藝裝備及產(chǎn)品零件上。由模線樣板加工出檢驗(yàn)?zāi)?，將成形后的鈑金零件貼模檢查，判斷零件是否合格，或由鈑金零件的制造工裝作為檢驗(yàn)工裝來(lái)判斷其合格性。在實(shí)際檢驗(yàn)過(guò)程中，傳統(tǒng)檢驗(yàn)與數(shù)字化檢驗(yàn)結(jié)合使用，為提高檢驗(yàn)效率，需要將模型定義的鈑金零件信息轉(zhuǎn)化為檢驗(yàn)規(guī)劃表中需要的信息，根據(jù)檢驗(yàn)要求需確定各檢驗(yàn)位置的序號(hào)、尺寸、特性，檢驗(yàn)要求、公差、檢驗(yàn)方法及工具、工具精度、對(duì)應(yīng)工序號(hào)等信息。

2.2 檢驗(yàn)計(jì)劃生成方法

傳統(tǒng)檢驗(yàn)與數(shù)字化檢驗(yàn)的結(jié)合，關(guān)鍵在于如何將基于模型定義的鈑金零件信息轉(zhuǎn)化為檢驗(yàn)計(jì)劃中需要的內(nèi)容，通過(guò)將基于模型定義的鈑金零件信息以數(shù)據(jù)文件形式導(dǎo)入計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃系統(tǒng)中，快速生成檢驗(yàn)計(jì)劃。

根據(jù)檢驗(yàn)信息以意思相近英文單詞進(jìn)行關(guān)聯(lián)從而建立對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)表，如表1所示。

基于CATIA二次開(kāi)發(fā)，根據(jù)零件尺寸公差信息與關(guān)聯(lián)幾何信息之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，與公差、特性、要求等相關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，建立基于XML文件的檢驗(yàn)計(jì)劃。創(chuàng)建相關(guān)程序如下：

表1 檢驗(yàn)信息對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)表

3 檢驗(yàn)計(jì)劃創(chuàng)建實(shí)例

基于模型定義的鈑金零件三維模型，已知存在檢驗(yàn)的尺寸公差等信息的標(biāo)注，對(duì)需要檢驗(yàn)的信息按特性進(jìn)行序號(hào)排列，使全部的檢驗(yàn)信息以XML文件形式進(jìn)行輸出，如圖3所示。

圖3 基于XML文件的檢驗(yàn)信息

XML文件導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃（CAPP）系統(tǒng)中，獲取檢驗(yàn)位置的序號(hào)、尺寸、特性、檢驗(yàn)要求、公差等信息，并根據(jù)CAPP系統(tǒng)中已有的檢驗(yàn)方法等信息，最終實(shí)現(xiàn)鈑金零件檢驗(yàn)計(jì)劃創(chuàng)建。

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)鈑金零件模型的MBD數(shù)據(jù)集，給出全三維環(huán)境下零件定義的完整工程表示。針對(duì)零件模型的MBD數(shù)據(jù)集表示，探討以鈑金零件模型為基礎(chǔ)，根據(jù)鈑金零件檢驗(yàn)內(nèi)容及檢驗(yàn)條件，建立以XML作為輸出檢驗(yàn)信息文件格式，將基于模型定義的鈑金零件信息轉(zhuǎn)化為XML文件，并導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃（CAPP）系統(tǒng)中，成功生成鈑金零件檢驗(yàn)計(jì)劃。

[1] 盧 鵠，范玉青.飛機(jī)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的數(shù)字化定義[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，32（5）：526-530.

[2]馬新輝．智能三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的研究［D］．天津：天津大學(xué)，2002.

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[6]全國(guó)技術(shù)產(chǎn)品文件標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)（SAC/TC146）.GBT24734技術(shù)產(chǎn)品文件數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則［S］．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009．

[7] 馮國(guó)成，梁 艷，于 勇等．基于模型定義的數(shù)據(jù)組織與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J]．航空制造技術(shù)，2011，（9）：62-72．

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[10] 張國(guó)雄．三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)[M]．天津：天津大學(xué)出版社，1999：206-231.

Generation of inspection plan for sheet metal parts based on model definition

WU Xiaojuan1,TANG Xingling2,SI Chaorun3
（1.Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute,Xi'an 710061,Shaanxi China; 2.China Nuclear Power Engineering Co.,Ltd,Beijing 100840,China; 3.School of Mechatronical Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China）

In order to generate the inspection plan for sheet metal in 3D environment,taking the Model Based Definition(MBD)dataset as the obtaining object,the construction of the inspection information for the dataset of sheet metal parts has been analyzed.The Model Based Definition(MBD)dataset has been established.Based on 3D Computer Aided Design (CAD)software CATIA condition,the XML file has been developed by constructing the corresponding inspection information access tool.The inspection plan has been finally generated by use of CAPP system.

Model based definition;Aircraft sheet metal part;Inspection information access

TH166

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.01.021

1672-0121（2017）01-0084-04

2016-10-09；

2016-12-11

司朝潤(rùn)（1985-），男，博士后，從事機(jī)械設(shè)計(jì)、材料成形研究。E-mail：scr527@163.com