飛機結(jié)構(gòu)件三維設計模型質(zhì)量檢測技術(shù)研究與開發(fā)*

張?zhí)礻?，周　敏，鄭國?/p>

(1.北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京　100191； 2.中國農(nóng)業(yè)大學 工學院，北京　100191)

0　引言

隨著對飛機性能的要求越來越高，飛機結(jié)構(gòu)件越來越趨向于采用整體結(jié)構(gòu)件的形式，這種整體結(jié)構(gòu)件形式能更好地滿足飛機結(jié)構(gòu)件的強度和剛度要求[1]。飛機結(jié)構(gòu)件具有尺寸大、槽腔多、結(jié)構(gòu)復雜等特點[2-3]，因此，航空制造業(yè)數(shù)字化設計與制造模式的實現(xiàn)勢在必行[4]。

飛機結(jié)構(gòu)件模型質(zhì)量的優(yōu)劣直接決定了下游各環(huán)節(jié)的效率、質(zhì)量和成本。原則上，零件模型可直接輸入到CAPP/CAM系統(tǒng)中經(jīng)過運算生成正確的NC代碼，但在實際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，由于設計過程的不規(guī)范以及飛機結(jié)構(gòu)件的復雜性，使得設計部門提供的三維設計模型在工藝性、幾何數(shù)據(jù)及拓撲結(jié)構(gòu)等方面存在種種缺陷，導致CAPP/CAM系統(tǒng)出現(xiàn)了無法正確提取加工信息，或自動生成的刀軌與加工要求不符，以及零件加工復雜甚至無法加工等問題。據(jù)統(tǒng)計，針對各種模型質(zhì)量問題的檢測和修復時間幾乎等于CAD系統(tǒng)下游平臺功能執(zhí)行時間的一半。因此，探究一種檢測飛機結(jié)構(gòu)件三維設計模型質(zhì)量的技術(shù)并開發(fā)出一套自動檢測系統(tǒng)對航空制造業(yè)實現(xiàn)自動數(shù)控編程有著重要的現(xiàn)實意義。

目前，國外制造業(yè)體系內(nèi)的數(shù)字化設計、生產(chǎn)及產(chǎn)品生命周期管理水平已高度成熟，特別是在航空、航天、汽車等領域，且各主流的商業(yè)化CAD軟件均集成了自主或第三方研發(fā)的模型質(zhì)量檢測工具，如CATIA的Q-Checker和Q-Monitor軟件、NX的Check-Mate質(zhì)量檢測模塊、Pro/E的Model Check質(zhì)量檢測模塊及CAD Doctor軟件等。國內(nèi)對模型質(zhì)量檢測系統(tǒng)也進行了一些研究與應用,并取得了重要成果，具有代表性的是上海同捷開發(fā)的I-DesignQC產(chǎn)品設計質(zhì)量檢測系統(tǒng)[5]，該系統(tǒng)可支持NX和AutoCAD兩種圖形文檔，主要應用于汽車部件制造。此外，國內(nèi)還有部分高校和科研院所也致力于模型質(zhì)量檢測標準的制定和系統(tǒng)的研發(fā)，并取得了一定的進展[6-8]。

鑒于目前國內(nèi)航空制造企業(yè)的現(xiàn)狀，本文在對模型質(zhì)量進行分析的基礎上，依據(jù)國家、行業(yè)及企業(yè)的相關標準以及數(shù)控加工工藝知識，開展了三維設計模型質(zhì)量檢測技術(shù)的研究與開發(fā)工作，從模型信息提取、檢測規(guī)則庫建立、檢測規(guī)則推理等方面對該技術(shù)進行闡述，并給出了系統(tǒng)實現(xiàn)。

1　模型質(zhì)量分析

在飛機結(jié)構(gòu)件設計與建模過程中，設計人員有時由于經(jīng)驗的不足以及對生產(chǎn)制造過程的不熟悉，導致設計出的很多零件不能滿足制造部門的要求，出現(xiàn)很多的可制造性問題。通過實際調(diào)研，總結(jié)了生產(chǎn)中飛機結(jié)構(gòu)件三維模型的各種缺陷，根據(jù)缺陷的屬性和形成的原因?qū)⒛Ｐ腿毕莘譃槿缦?大類：

(1) 標注缺陷：包括尺寸標注不符合標準規(guī)范、尺寸及形位公差標注不完備、零件設計精度超出經(jīng)濟加工精度范圍等。

(2) 零件特征層面的工藝性缺陷：包括零件的最大外形超出機床加工范圍、幾何特征的尺寸超出刀具幾何參數(shù)約束的可加工范圍、刀具在加工特征區(qū)域時產(chǎn)生過切或干涉等。

(3) 局部結(jié)構(gòu)缺陷：包括窄縫、殘留體、過渡特征缺陷[9]等。

(4) 曲面缺陷：包括碎面、窄面、尖角面及不連續(xù)面等。

(5) 拓撲缺陷：包括非流行體等。

模型缺陷實例如圖1所示。

2　三維設計模型質(zhì)量檢測技術(shù)

在分析歸納模型質(zhì)量缺陷的基礎上，提出了飛機結(jié)構(gòu)件三維設計模型質(zhì)量檢測技術(shù)，其質(zhì)量檢測工作流程如圖2所示。其中涉及的關鍵技術(shù)包括零件信息提取、檢測規(guī)則庫建立以及檢測規(guī)則推理。

圖1　模型缺陷實例

圖2　三維設計模型質(zhì)量檢測工作流程

2.1　模型信息提取

零件三維模型信息是模型質(zhì)量檢測系統(tǒng)唯一的輸入數(shù)據(jù)，本文將零件的主要信息分為精度信息、幾何拓撲信息和特征信息。特征信息描述飛機結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工中的加工特征，按類型可以分為槽特征、腹板特征、側(cè)壁特征、輪廓特征、孔特征、筋特征和圓角特征等；幾何拓撲信息描述了零件體中元素的幾何參數(shù)和拓撲屬性，如元素的類型、大小、方向和凹凸性等；精度信息描述零件的誤差信息，它可分為尺寸公差、形位公差、表面粗糙度和文本注釋等。其中特征信息引用了幾何拓撲信息，同時特征信息是精度信息的載體，精度信息和幾何拓撲信息可通過調(diào)用CATIA V5相應的接口獲取，特征信息可通過CAPP系統(tǒng)的特征識別模塊獲得。

2.2　檢測規(guī)則庫建立

飛機結(jié)構(gòu)件三維設計模型質(zhì)量檢測技術(shù)當中檢測規(guī)則庫的建立包括兩方面內(nèi)容：檢測規(guī)則獲取和檢測規(guī)則形式化。

模型質(zhì)量檢測規(guī)則來源廣泛，檢測規(guī)則獲取不僅應參考國家標準、航空標準和企業(yè)標準，還應充分考慮工藝人員的需求和實際生產(chǎn)經(jīng)驗[10]。因此檢測規(guī)則獲取有兩種途徑：一是閱讀相關標準和文獻；二是咨詢工藝專家。

通過上述方法獲得的檢測規(guī)則還不能夠被計算機所識別，因此，需要對其進行形式化描述[11]。根據(jù)獲取的檢測知識的特點，采用規(guī)則—框架混合的知識表示法，以規(guī)則為主框架為輔，規(guī)則表示模型如圖3所示。一條檢測規(guī)則由三部分組成：屬性、前提和結(jié)論。其中屬性包括編號、名稱和關鍵詞，編號是一條規(guī)則區(qū)別于其他規(guī)則的唯一標志，名稱是對檢測規(guī)則的基本描述，關鍵詞是搜索的關鍵，在推理時通過關鍵詞匹配來搜索，以提高搜索效率；前提是檢測規(guī)則的主要部分，由若干個前提條件組成，前提條件采用一階謂詞邏輯表示法；結(jié)論部分的內(nèi)容與前提相應，是對零件檢測后的輸出結(jié)果，包括分析結(jié)果和修改意見。

一階謂詞邏輯表示法表示的規(guī)則可以有多種不同的表現(xiàn)形式，但規(guī)則表現(xiàn)形式的多樣性使得對規(guī)則的管理復雜化，為了減少這種復雜性，需要把規(guī)則轉(zhuǎn)換為較為簡單的規(guī)范化形式。在給出規(guī)則的規(guī)范化形式之前，需要先給出項和原子公式的定義。

(1) 項定義：項是有完整意義的字符串，包括：①常量和變量;②任意n元函數(shù)f(t1,t2,…,tn)。

(2) 原子公式定義：設f(x1,x2,…,xn)是任意n元謂詞，t1,t2,…,tn是n個項，則稱f(t1,t2,…,tn)為一個原子公式。

(3) 規(guī)則的規(guī)范化形式如下所示：

A1∧A2∧…∧Ap→B.

(1)

其中：Ai為前提中的原子公式；B為結(jié)論中的原子公式；p為前提的原子公式的個數(shù)。

圖3　檢測規(guī)則表示模型

規(guī)則的前提由一個原子公式或一個以上的原子公式的合取組成，它的結(jié)論由一個原子公式組成。對于一個能得到確定結(jié)果的規(guī)則集，每一條規(guī)則的結(jié)論必須是確定的，即結(jié)論必須是單一的原子公式或原子公式的合取。因此任何一條規(guī)則都可以表示為以下兩種形式或其組合：

A1∧A2∧…∧Ap→B1∧B2∧…∧Bq.

(2)

A1∨A2∨…∨Ap→B1∧B2∧…∧Bq.

(3)

其中：Bi為結(jié)論中的原子公式；q為結(jié)論中的原子公式個數(shù)。

式(2)和式(3)是規(guī)則的一般形式，它們都可以等價地轉(zhuǎn)換為規(guī)范化形式，即可以等價地轉(zhuǎn)換為以下q條規(guī)則：

(4)

(5)

式(5)還可以等價地轉(zhuǎn)換為以下p×q條規(guī)則：

Aj→Bi(j=1,2,…,p;i=1,2,…,q).

(6)

由此系統(tǒng)中的規(guī)則可規(guī)范化為式(4)或式(6)兩種形式。將經(jīng)過形式化和規(guī)范化的檢測規(guī)則輸入到模型質(zhì)量檢測系統(tǒng)的檢測規(guī)則庫中，利用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，完成檢測規(guī)則庫的建立。三維模型檢測規(guī)則表示模型的建立為后面推理提供數(shù)據(jù)支撐，確保推理過程的準確性。

2.3　檢測規(guī)則推理

推理就是搜索模型信息和檢測規(guī)則庫，把模型信息同檢測規(guī)則庫中相應的檢測規(guī)則匹配，若匹配成功，則表明模型中存在該類缺陷。推理過程的效率主要依賴于采用的推理控制策略，因此可從優(yōu)選推理控制策略來提高推理效率。

推理控制策略分為正向推理、逆向推理、混合推理和雙向推理四種。正向推理屬于事實驅(qū)動推理，當不需要對模型信息進行組合分析或模型信息組合較少時，正向推理的方式對檢測規(guī)則庫的搜索次數(shù)也比較少，此時采用正向推理的方式是合理的，因此，對標注缺陷和單個特征的特征工藝性缺陷的檢測采用正向推理策略。但正向推理具有一定的盲目性，當需要對模型信息進行組合分析，或者需要分析的信息比較多的時候，容易造成信息組合過多，正向推理明顯會降低推理效率，此時應采用逆向推理的策略，即先讀取檢測規(guī)則，然后再對模型信息進行相應的搜索和匹配，因此，局部結(jié)構(gòu)缺陷、曲面缺陷、拓撲缺陷和特征組合的特征工藝性缺陷的檢測采用逆向推理策略。正向推理和逆向推理的結(jié)合使用，發(fā)揮了兩種推理的優(yōu)勢，提高了推理效率，對于整個系統(tǒng)而言，推理策略為混合推理。

3　系統(tǒng)實現(xiàn)

飛機結(jié)構(gòu)件三維設計模型質(zhì)量檢測系統(tǒng)以三維設計模型質(zhì)量檢測技術(shù)為支撐，使用VS2008為集成開發(fā)工具，以CATIA CAA開發(fā)環(huán)境作為前臺開發(fā)工具，實現(xiàn)了設計模型的質(zhì)量缺陷檢測，其總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。系統(tǒng)讀取零件三維模型后，交互輸入零件信息，并通過特征識別重構(gòu)零件特征模型，通過檢測規(guī)則庫及檢測規(guī)則推理建立缺陷與零件信息的映射，實現(xiàn)了飛機結(jié)構(gòu)件三維設計模型質(zhì)量檢測。

圖4　飛機結(jié)構(gòu)件三維設計模型質(zhì)量檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

4　結(jié)論

針對設計部門提供的設計模型中存在影響數(shù)控編程的模型缺陷，提出飛機結(jié)構(gòu)件特征工藝性檢測技術(shù)。根據(jù)模型中常見缺陷的特點，將模型缺陷分為標注缺陷、特征工藝性缺陷、局部結(jié)構(gòu)缺陷、曲面缺陷、拓撲缺陷五大類。根據(jù)獲取的檢測知識的特點，設計了規(guī)則—框架混合的規(guī)則表示模型，并對一階謂詞邏輯表示法表示的規(guī)則進行規(guī)范化，建立了完備的檢測規(guī)則庫。依靠完備的檢測規(guī)則庫與推理機制，提高了飛機結(jié)構(gòu)件三維設計模型質(zhì)量檢測效率，為實現(xiàn)飛機結(jié)構(gòu)件的高質(zhì)高效數(shù)控加工提供了保障。對于后續(xù)可能出現(xiàn)的新的模型質(zhì)量缺陷，需要不斷地拓展和完善相應的檢測規(guī)則。

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