基于三維輕量化模型的可視化檢測系統(tǒng)研究

杜寶瑞，肖 龍，屈力剛

（1.中航工業(yè)沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司，遼寧 沈陽 110000；2.沈陽航空航天大學 航空制造工藝數(shù)字化國防重點學科實驗室，遼寧 沈陽 110136）

隨著德國工業(yè)4.0和中國制造2025的提出，行業(yè)對制造業(yè)精確度和產(chǎn)品質量提出了更高要求，使得檢測的作用與地位愈加重要[1]。利用基于產(chǎn)品模型定義（Model Based Definition，MBD）技術使得設計和制造信息全部集成到三維數(shù)字化模型中，改變傳統(tǒng)二維工程圖紙和三維數(shù)模同時存在的模式[2-4]。但是基于三維輕量化模型的可視化檢測發(fā)展還處于初級階段，二維工藝文件無法滿足企業(yè)長遠發(fā)展，因此基于三維輕量化模型的檢測是未來發(fā)展的方向。目前企業(yè)普遍面臨以下難題：

（1）傳統(tǒng)二維檢測工藝的特點就是信息扁平和靜態(tài)，執(zhí)行效率低。質檢人員除了工藝文件，還需要閱讀關聯(lián)圖紙、標準，而且檢測工藝卡片上描述簡單，在檢測過程中，質檢人員具有一定自主性，會導致在整個制造生態(tài)中，過于依賴工人的經(jīng)驗和技能，從而影響產(chǎn)品的定性和質量。傳統(tǒng)紙質卡片在執(zhí)行中難以動態(tài)調(diào)整，不易于直觀表達。

（2）有了三維設計模型，將三維設計模型應用到檢測現(xiàn)場，是企業(yè)面臨的問題。企業(yè)通常直接將三維設計模型搬到車間屏幕或者在設計時采用三維，而在檢測環(huán)節(jié)用到二維，檢測工藝卡片中粘貼三維模型的截圖。

（3）在傳統(tǒng)模式下，工藝和檢驗的展示及反饋是脫節(jié)的，這樣會導致編制檢測工藝員和執(zhí)行工藝的現(xiàn)場人員也是脫節(jié)的。檢測工藝員不掌握現(xiàn)場情況，很難及時調(diào)整檢測工藝，更改時在制度的影響下分析不及時全面，不能進行細粒度的檢測工藝更改，現(xiàn)場管理也只能進行粗放式調(diào)度和管理。

基于此，本文提出基于三維輕量化模型的可視化檢測系統(tǒng)，以三維輕量化模型為基礎，在提高檢測階段可視化程度的基礎上，有效的改善了各部門之間的協(xié)同合作，減輕了企業(yè)管理生產(chǎn)負擔和成本[5-6]。

1 三維輕量化模型轉換技術

采用三維輕量化模型作為產(chǎn)品全生命周期中的各個階段信息的表現(xiàn)載體，以解決文件輕量化和三維建模軟件之間的通用[7]。利用輕量化模型作為三維設計模型的表達載體，同時輕量化模型利用原始模型的幾何信息、參數(shù)信息、產(chǎn)品檢測信息等進行拾取，傳遞數(shù)據(jù)信息時傳統(tǒng)三維模型存在諸多問題，因此本文通過對三維模型的非結構化幾何信息進行提取，并對其采用壓縮簡化算法進行優(yōu)化處理，并且它能夠提取標準化的標注、屬性和檢測等各類信息，同時對曲線、曲面壓縮處理，最后得到數(shù)據(jù)容量低、獨立、便于快速瀏覽的輕量化模型。三維模型簡化過程如圖1所示。

現(xiàn)如今三維模型輕量化是一個大的發(fā)展方向，目前成熟輕量化技術以JT和3DXML這兩種為代表。3DXML技術和JT技術是由微軟和JT開放組織分別提出來的，西門子企業(yè)可視化產(chǎn)品全部應用了JT技術。JT技術優(yōu)勢在于壓縮比高，模型顯示時間短，表示精確。幾何模型通過小平面來表達，同時使用了層次細節(jié)技術。

JT模型文件是三維模型三角剖分后得到的數(shù)據(jù)文件[8-9]。離散的三維實體模型的表面產(chǎn)生數(shù)目眾多的三角形狀的面片，并根據(jù)這些三角形狀的面片逼近理想的原始三維實體模型。2012年12月，ISO發(fā)布了ISO 14306“三維可視化JT文件格式”標準。輕量化的JT數(shù)據(jù)格式可實現(xiàn)設計、工藝、制造、檢測等各階段的可視化和實時數(shù)據(jù)傳遞。因此，本文選用JT作為輕量化格式的統(tǒng)一標準。JT不僅采用最佳壓縮方法、靈活的文件格式，而且支持通用 CAD格式，通過安裝特定的轉換器可以直接能將主流三維CAD系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出JT，并通過 JT2 Go瀏覽器各部門在低性能設備上高效在線查看操作三維數(shù)據(jù)，輕量化系統(tǒng)結構如圖2所示。

輕量化模型解決了異類CAD系統(tǒng)產(chǎn)生的三維模型數(shù)據(jù)互不兼容，有效節(jié)約數(shù)據(jù)內(nèi)存，簡化各部門的瀏覽模式。同時輕量化模型能夠快速在工作現(xiàn)場使用性能有限的硬件設備進行展示操作，減輕了企業(yè)成本，從而使三維模型信息交換、共享更加順暢。

圖1 三維模型簡化過程

圖2 輕量化系統(tǒng)結構

2 可視化檢測系統(tǒng)的構建

三維模型可視化檢測系統(tǒng)總體包括檢測工藝、數(shù)字化測量設備、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理。三維設計信息和檢測信息交互是每個系統(tǒng)依據(jù)的唯一源頭。其中，基于輕量化模型的可視化檢測技術體系是檢測工序、檢測程序、檢測工序審批、機床在線檢測、三坐標測量機檢測、檢測結果數(shù)據(jù)上傳管理、檢測結果統(tǒng)計分析，最后實現(xiàn)檢測可視化管理，可視化檢測系統(tǒng)技術體系如圖3所示。

2.1 檢測工序

圖3 可視化檢測系統(tǒng)技術體系

質檢人員需要編制CMM操作書和檢測標準。測量程序、資源（設備、工具、測頭）、模板等在產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（Product Data Management，PDM） 中管理，同時，在此階段需填寫工序內(nèi)容、檢測尺寸要求、檢測設備，創(chuàng)建嵌入輕量化三維模型的檢測工序卡片以及檢測工序模型來指導檢測[10]。

2.2 檢測程序

運用PC-DMIS Planner直接通過產(chǎn)品制造信息（Product manufacturing information PMI）和三維模型自動生成路徑。經(jīng)過碰撞仿真優(yōu)化路徑后生成數(shù)控測量檢測程序，同時可直接或通過接口將其用于相關測量設備。根據(jù)專檢或復檢的需求，數(shù)控測量工作包（測量程序、流程卡、資源清單等）通過車間通道下發(fā)至測量設備管理執(zhí)行系統(tǒng)，進而傳遞到測量機執(zhí)行檢測程序中。

2.3 檢測工序審批

為了保證檢測質量，降低檢測成本，避免因為檢測人員缺乏經(jīng)驗和失誤致使檢測工藝信息、檢測文件錯誤而引發(fā)檢測事故，需要進行檢測工序提交，審核檢測工序，批準檢測工序，對檢測工序卡片完成簽字流程。

2.4 機床在線檢測

檢驗數(shù)字控制程序是否傳遞到數(shù)控機床，進行機床在線檢測后，間檢測記錄和數(shù)據(jù)通過MES進行數(shù)據(jù)采集并傳遞到PDM系統(tǒng)進行報告分析。

2.5 三坐標測量檢測

由檢驗員在PC-DMIS檢測軟件中形成檢測程序文件，并執(zhí)行檢測。在建立可視化的檢測程序輕量化文件（包括文字+圖形+程序文件）的同時執(zhí)行審批流程。由審批人員進行審批確認，確認后將檢測程序傳遞到三坐標測量機，進行檢測。

2.6 檢測數(shù)據(jù)上傳管理

質檢人員根據(jù)工藝文件和檢測工序要求，進行工序級和產(chǎn)品級的檢測工作，同時記錄檢測結果，并將檢驗結果數(shù)據(jù)以自動和手動的方式上傳到管理平臺。

檢測數(shù)據(jù)自動上傳進行零部件檢測，并將三坐標測量機自帶的測量軟件產(chǎn)生的檢測測試記錄文件上載到管理系統(tǒng)的自動檢測管理模塊。檢驗數(shù)據(jù)手工上傳，當工序操作完成后，由工人或質檢人員依據(jù)工藝要求的檢測項目及使用工具、方法進行檢測。檢測數(shù)據(jù)由人工錄入系統(tǒng)，并與三維輕量化模型上的尺寸公差標注對應，同時提交到質量系統(tǒng)和制造數(shù)據(jù)中心。

2.7 檢測結果統(tǒng)計分析

在管理平臺的自動檢測管理模塊中進行檢驗和統(tǒng)一，可快速生成各種檢驗結果的統(tǒng)計分析報告并對現(xiàn)場不合格品產(chǎn)品進行質量分析，例如可通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的檢測結果分析某時間段內(nèi)的產(chǎn)品檢驗合格率，及不同時間段內(nèi)產(chǎn)品檢驗合格率對比、工序檢驗結果等。質量系統(tǒng)依據(jù)檢驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析、判斷超差的關鍵因素和發(fā)展趨勢，并提出預防和改進措施。

2.8 可視化檢測反饋

2.8.1 檢測報告可視化

檢測現(xiàn)場利用通過審核批準的檢測工序，調(diào)用相匹配的檢測程序執(zhí)行檢測任務，獲得實際的檢測結果數(shù)據(jù)。檢測模板資源庫中可以滿足每個用戶自身需求，輸出符合需要的檢測報告模板，根據(jù)檢測報告模板進行檢測結果信息輸入，導出檢測結果報告。并且檢測數(shù)據(jù)可以返寫到原始檢測三維模型中，重新附著在檢測模型與之相對應的位置上，進而和原始檢測模型的理論值相互比照，超差的部分、合格率由相對應的顏色進行區(qū)分，需要的數(shù)據(jù)信息與檢測模型一同保存，將CAD模型嵌入檢測報告中，讓報告更加直觀易讀，將CAD模型上的特征與特征數(shù)據(jù)直接關聯(lián)在一起，生成活動的三維輕量化模型，可根據(jù)需要任意旋轉和調(diào)整三維模型的顯示方位，從而實現(xiàn)檢測結果的可視化表達，如圖4所示。

2.8.2 檢測現(xiàn)場可視化

所有檢測程序、CAD數(shù)模、測頭及相關檢測文檔全部存儲在服務器的中心數(shù)據(jù)庫，不同角色人員可在客戶端實時監(jiān)控查看定制報告。在生產(chǎn)現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)狀況時，可直接在產(chǎn)品或工序模型上對工序模型上對其進行可視化標識并將問題報告發(fā)送給責任相關人員，減少人員到現(xiàn)場查看和處理問題的時間，而且對問題的產(chǎn)生過程描述清楚，使問題有據(jù)可查，如圖5所示。工藝員接到問題的反饋后，調(diào)出原始工藝數(shù)據(jù)，創(chuàng)建針對該批次的工藝更改，下發(fā)給MES系統(tǒng)，同時創(chuàng)建適用于后續(xù)批次的新版本工藝數(shù)據(jù)。

圖4 檢測結果的可視化表達

圖5 基于輕量化模型的現(xiàn)場問題反饋

3 系統(tǒng)信息流圖及架構

本項目結合可視化檢測發(fā)展為未來趨勢的背景下，以產(chǎn)品三維輕量化模型為數(shù)據(jù)基礎，企業(yè)通過產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理平臺，能夠在三維計算機輔助設計中輸出信息一致的三維輕量化模型，同時可視化檢測系統(tǒng)與 PDM進行集成，進而在 PDM應用平臺導出三維輕量化檢測工藝卡片信息。將這些資源集合到系統(tǒng)平臺中。最終上傳到MES完成統(tǒng)一發(fā)布管理，根據(jù)任務指派發(fā)布到車間相應的設備終端上，系統(tǒng)信息流如圖6所示。發(fā)布后的資源包括了支撐可視化檢測階段的三維輕量化模型和檢測報告結果。其中的信息需要通過輕量化再反饋到原始模型中，以確保在各階段中方便瀏覽，系統(tǒng)架構如圖7所示。

圖6 系統(tǒng)的信息流圖

圖7 系統(tǒng)架構

4 結束語

可視化檢測是未來研究的熱點問題，同時也是檢測領域發(fā)展的必然趨勢。本文通過基于三維輕量化模型的可視化檢測系統(tǒng)的研究，結合當前企業(yè)對可視化檢測的需求，打通了以三維輕量化模型為基礎，現(xiàn)場可視化檢測的技術路線。對以二維圖紙或二維圖紙配合三維模型為數(shù)據(jù)傳遞依據(jù)的傳統(tǒng)檢測模式帶來巨大變革，使企業(yè)實現(xiàn)無紙化。文中提出的基于三維輕量化可視化檢測系統(tǒng)，以三維輕量化模型為基礎，通過三維CAD、可視化檢測系統(tǒng)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理集成，應用三維輕量化技術有效地降低了企業(yè)檢測成本，解決了檢測資源管理和檢測可視化程度低的問題，實現(xiàn)了檢測三維模型信息即時反饋、無縫傳遞。

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