基于模型的民用航空發(fā)動機幾何尺寸數(shù)字化檢測技術(shù)研究*

（中國航發(fā)上海商用航空發(fā)動機制造有限責任公司，上海 201306）

民用航空發(fā)動機作為高度復雜熱力機械動力裝備，其系統(tǒng)集成度高、結(jié)構(gòu)設計復雜、安全性和經(jīng)濟性指標要求高、對質(zhì)量和可靠性追求極致，這要求民用航空發(fā)動機的全生命周期都要實行質(zhì)量的可追溯性。傳統(tǒng)基于紙質(zhì)媒介流轉(zhuǎn)、人工識圖、手動測量、單點記錄的檢驗模式因工作重復率高、效率低、測量一致性低、誤差大、測量數(shù)據(jù)缺乏有效管理、過程狀態(tài)難追溯、歷史數(shù)據(jù)難利用、無法形成有效的質(zhì)量控制閉環(huán)反饋系統(tǒng)等缺陷[1–3]，已不能滿足新型民用航空發(fā)動機制造質(zhì)量保證要求。隨著MBD（Model Based Defnition）技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的推廣和智能制造技術(shù)的迅猛發(fā)展，航空發(fā)動機的研制生產(chǎn)模式發(fā)生了新的變化：在設計環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了從單一的三維模型到基于模型的全三維化產(chǎn)品定義的轉(zhuǎn)變；在工藝環(huán)節(jié)，從紙質(zhì)的二維手工編制向基于知識的全三維結(jié)構(gòu)化自動設計方向跨越；在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，已開始逐步實現(xiàn)基于模型的三維裝配工藝[4–5]，并開始研究基于模型的數(shù)字化檢測技術(shù)[6–7]。當前，基于模型的數(shù)字化生產(chǎn)方式已開始逐漸在航空發(fā)動機研制過程進行推廣[8]。特別是在中國制造2025 大背景下，航空發(fā)動機及燃氣輪機作為“百大工程之首”，未來幾年將作為我國制造業(yè)領(lǐng)域的重點突破方向，而基于模型的智能制造模式已成為民用航空發(fā)動機生產(chǎn)方式的發(fā)展趨勢[9–12]。傳統(tǒng)的零部件幾何尺寸檢驗方式已不能適應未來民用航空發(fā)動機的生產(chǎn)模式，開發(fā)基于模型的民用航空發(fā)動機幾何尺寸數(shù)字化檢測技術(shù)勢在必行。

目前在基于模型的航空發(fā)動機數(shù)字化檢測技術(shù)研究方面，張露等[6]針對復雜零件中異型特征位置度無法測量的問題，研究了基于MBD的數(shù)字化檢測解決方案，但僅對基于模型的數(shù)字化檢測技術(shù)進行單點應用介紹，缺少對具體的實施過程的詳細論述，本文在此研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)民用航空發(fā)動機研發(fā)生產(chǎn)模式向基于模型的智能生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變的背景[10–12]，針對民用航空發(fā)動機零部件幾何尺寸檢測環(huán)節(jié)，研究基于MBD模型的數(shù)字化檢測技術(shù)的具體實現(xiàn)過程。

基于模型的幾何尺寸檢測關(guān)鍵技術(shù)

基于模型的民用航空發(fā)動機數(shù)字化檢測技術(shù)研究的主要目的為高效協(xié)同民用航空發(fā)動機設計、工藝和檢驗等業(yè)務流程，提高民用航空發(fā)動機正向研發(fā)能力。其核心思想為通過將包含產(chǎn)品制造信息PMI（Product Manufacturing Information）的MBD模型作為單一信息源和連續(xù)載體，實現(xiàn)設計、工藝和檢驗的高效協(xié)同，提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量管控能力，其總體方案如圖1所示。通過獲取設計和工藝發(fā)布標注PMI的設計模型和工藝模型，檢測端對模型PMI進行識別、對零件測量特征進行檢測規(guī)劃、對檢測程序進行快速編制、對檢測數(shù)據(jù)進行收集與分析以及報告發(fā)布等，從而形成民用航空發(fā)動機設計、制造和檢測相貫通的全三維數(shù)字化生產(chǎn)模式。本文重點對模型的PMI識別、檢測路徑創(chuàng)建等開展了研究，并結(jié)合研究開展了面向測量機的代碼編譯和后處理、三維檢測報告發(fā)布以及軟件二次開發(fā)。

1 PMI識別

識別模型中的有效PMI信息是實現(xiàn)基于模型的檢測自動編程的基礎(chǔ)。PMI信息的基本識別流程如下：首先，在識別PMI信息前，需要對設計模型進行必要的合規(guī)性檢查和規(guī)范化處理，如對幾何特征及其關(guān)聯(lián)的PMI信息進行編號；然后，通過與設計平臺，如NX軟件共平臺的CMM 模塊，讀取設計下發(fā)的主模型（含幾何特征和PMI）；最后，利用NXCMM 模塊中的鏈接PMI 功能識別PMI信息及相關(guān)聯(lián)的幾何特征。PMI的識別流程如圖2所示。

識別完成PMI信息及其關(guān)聯(lián)的幾何特征后，便可為對應幾何體創(chuàng)建檢測特征和檢測路徑，并通過讀取PMI的公差信息控制框自動為幾何體創(chuàng)建評價信息，為尺寸測量做準備。

2 檢測路徑創(chuàng)建

檢測路徑創(chuàng)建主要包括測量特征創(chuàng)建、單特征測點規(guī)劃、單特征檢測路徑規(guī)劃、多特征間檢測路徑規(guī)劃和檢測路徑發(fā)布，其創(chuàng)建基本流程如圖3所示。

（1）測量特征創(chuàng)建。

圖1 基于模型的產(chǎn)品質(zhì)量管控Fig.1 Model-based product quality control

圖2 PMI識別流程Fig.2 PMI identification process

圖3 檢測路徑創(chuàng)建流程Fig.3 Creation process of inspection path

在PMI信息識別完成后，通過讀取PMI信息及其關(guān)聯(lián)的幾何特征，可進行測量特征創(chuàng)建?；镜臏y量特征有點、線、面、圓、球和圓柱等幾何元素，以及直線度、平面度、圓度、圓柱度、垂直度、傾斜度、平行度、位置度、對稱度和同心度等形位公差。當測量特征創(chuàng)建完成后，下一步需要對測量特征的測點和測量路徑進行規(guī)劃。

（2）單特征測點規(guī)劃。

對于單特征，需要依據(jù)被測特征特點以及尺寸公差的要求，進行測點數(shù)和測點分布的合理規(guī)劃，并在此基礎(chǔ)上依據(jù)測量可達性，選擇合適的測頭。單特征測點規(guī)劃時，應綜合考慮各特征的測量精度和效率。此外，對于掃描測量方式，測點的規(guī)劃只需考慮掃描路徑上的起始點、矢量點和終點即可。

（3）單特征檢測路徑規(guī)劃。

對于單一基本幾何元素（如點、線、面、圓等）和單一元素的形位誤差（如直線度公差、平面度公差、圓度公差、圓柱度公差等），其單特征檢測路徑在測點規(guī)劃完成后，通過設置檢測軌跡樣式，其測點路徑將順次生成。而對于一些較為復雜的關(guān)聯(lián)元素形位公差（如平行度公差、垂直度公差、傾斜度公差、同軸度公差、對稱度公差、位置度公差等），其單特征檢測路徑需要分別先對兩個關(guān)聯(lián)元素單獨創(chuàng)建測點規(guī)劃，再進行關(guān)聯(lián)元素間檢測路徑規(guī)劃。關(guān)聯(lián)元素間檢測路徑規(guī)劃時，應按設計要求的基準優(yōu)先順序依次關(guān)聯(lián)。

（4）多特征間檢測路徑規(guī)劃。

通常待測零件上的被檢特征為多個，為使檢測過程安全高效，多特征間檢測路徑規(guī)劃時應首先考慮各特征間輪換時測頭與零件和夾具等不發(fā)生干涉，必要時在各特征間設置安全點，以提高檢測過程的安全性；其次，在保證路徑安全性前提下，多特征間檢測路徑規(guī)劃時應考慮距離最短原則，即多特征間檢測路徑之和最小，以提高測量效率，減少測頭在各特征間的轉(zhuǎn)換時間。

（5）檢測路徑發(fā)布。

當單特征和多特征檢測路徑創(chuàng)建完成后，為確保整個檢測過程能夠安全高效執(zhí)行，在檢測路徑發(fā)布前還需要進行仿真和優(yōu)化。通過仿真可直觀地檢查各被檢特征的測量路徑是否合理，測頭與機床、工件和夾具間是否干涉。通過仿真還可以對檢測路徑進一步優(yōu)化，在考慮安全性的前提下提高測量效率。

3 代碼編譯和后處理

當被測件的檢測路徑創(chuàng)建完成后，需要將其路徑代碼編譯成通用的測量機編程語言，以適應不同測量機的要求。DMIS作為當前主流的三坐標機測量編程語言，可實現(xiàn)跨平臺的調(diào)用。本文以DMIS語言為基礎(chǔ)對檢測路徑代碼進行編譯，同時考慮具體坐標測量機的特點開發(fā)相應的測量程序后處理模塊。

4 三維檢測報告發(fā)布

為使檢測結(jié)果更加直觀地表達，在MBD模型上直接標注檢測結(jié)果信息，形成可視化的三維檢測報告，以提高零件檢測結(jié)果的可讀性。為此，在傳統(tǒng)報告的基礎(chǔ)上，本文進一步研究三維報告輸出形式。其基本思路為通過三維標簽的形式和虛擬測點的方式在零件模型中展示對應尺寸的檢測信息，單尺寸的三維標簽通過指引線的方式和特征關(guān)聯(lián)，如圖4所示。

圖4 三維檢測信息展示Fig.4 3D inspection information show

5 二次開發(fā)

為實現(xiàn)上述過程，本文在VS2015平臺基礎(chǔ)上，結(jié)合NXCMM、VB、Post Builder 等軟件模塊，實施了面向基于模型的數(shù)字化檢測系統(tǒng)的二次開發(fā)，二次開發(fā)流程如圖5所示。

本文通過二次開發(fā)在NXCMM軟件中增加了PMI 鏈接器和后處理功能、測點數(shù)據(jù)分析功能和圖形報告功能。其中PMI 連接器功能集成了PMI信息的識別、檢測路徑規(guī)劃等功能；后處理功能集成了代碼編譯和后處理功能；測點數(shù)據(jù)分析功能和圖形報告功能可完成三維檢測報告的發(fā)布。二次開發(fā)軟件可實現(xiàn)基于模型的檢測路徑規(guī)劃和測量代碼自動生成，降低人員的檢測編程工作強度，顯著節(jié)省檢測編程時間和降低人員編程經(jīng)驗不足帶來的影響。此外，二次開發(fā)軟件還可針對具體零件形成檢測模板，規(guī)范和統(tǒng)一檢測路徑和測量參數(shù)配置，從而提高不同檢測設備和人員間檢測結(jié)果的一致性。最后，通過與民用航空發(fā)動機產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（Product Data Management，PDM）系統(tǒng)集成，二次開發(fā)軟件可直接從PDM系統(tǒng)中下載設計模型和工藝模型，并將檢測結(jié)果和報告上傳至PDM系統(tǒng)，既保證了檢測所用模型數(shù)據(jù)與設計和工藝模型數(shù)據(jù)的統(tǒng)一，又實現(xiàn)了檢測結(jié)果的快速反饋，從而實現(xiàn)設計與制造間的快速協(xié)同。

案例驗證

1 驗證條件

驗證案例采用某型號核心機滑油軸承腔通風管路上的一個典型四通管接頭零件，其設計模型如圖6所示。四通管接頭是核心機滑油軸承腔通風管路上的一類重要零件，主要用于油氣混合物的流通，為了保證管接頭良好的密封性，該類零件對尺寸精度的要求通常較高，因此，有必要對該類零件的加工尺寸進行檢測，以保證零件加工滿足設計要求。

為驗證所提檢測流程的可行性，借助光固化成型機試制了該四通管接頭。最終成型后的管接頭物理樣件如圖7所示。

選用的測量平臺為復合式影像測量儀，如圖8所示，該設備具有光學影像測量和接觸式探針測量模式，其中接觸式探針測量模式與常規(guī)三坐標探針測量模式相同。本文選用該儀器的接觸式探針測量模式，其主要技術(shù)指標見表1。

2 PMI識別

考慮復合式影像測量儀的實際測量能力，首先對四通管接頭MBD設計模型的PMI信息進行了一定的甄別，從中選擇了較為典型的測量尺寸，并對選中的尺寸進行相應的語法語義檢查和規(guī)范化處理，以保證后續(xù)編程時不會出現(xiàn)因圖紙標注錯誤而產(chǎn)生修改。實際選中的四通管接頭設計模型的測量尺寸及對應PMI信息識別后的結(jié)果如圖9所示。

3 檢測路徑創(chuàng)建

為更加直觀地展示檢測路徑規(guī)劃過程，本文構(gòu)建了與實際測量工況相一致的虛擬環(huán)境。實際測量工況如圖10（a）所示。對實際測量工況進行分析，發(fā)現(xiàn)影響測量路徑規(guī)劃的主要因素為測量機測頭、工裝和四通管接頭。為此，本次測量任務所構(gòu)建的虛擬測量環(huán)境如圖10（b）所示。

設置完成零件的虛擬檢測環(huán)境后，便可加載零件的編程模板，通過編程模板可為零件指定粗基準和精基準，實現(xiàn)零件測量坐標系的建立。建立零件測量坐標系后，零件在坐標測量機中的方位便已確定，在此基礎(chǔ)上通過鏈接PMI 操作，軟件自動識別模型上的PMI信息，并同步完成檢測特征及其檢測路徑的創(chuàng)建，其操作過程如圖11所示。

圖5 二次開發(fā)流程Fig.5 Secondary development process

圖6 四通管接頭設計模型Fig.6 Design model of four-way pipe joint

圖7 四通管接頭實物樣件Fig.7 Physical sample of four-way pipe joint

圖8 復合式影像測量儀Fig.8 Composite image measuring instrument

檢測特征及其檢測路徑創(chuàng)建完成后，可依次在列表欄中選擇相應的檢測特征及其檢測路徑進行查看和編輯。最后為確保探針在零件不同特征間測量轉(zhuǎn)換時不出現(xiàn)碰撞干涉，還需對整個檢測路徑進行仿真分析。仿真中如果出現(xiàn)探針干涉，探針和干涉對象都將以高亮色顯示，以此進行警告并暫停運行，如圖12所示。最終經(jīng)仿真后發(fā)布的四通管接頭檢測路徑如圖13所示。

4 代碼編譯和后處理

當四通管接頭檢測路徑完成發(fā)布后，通過后處理功能，對檢測過程進行編譯后處理。后處理后可生成復合式影像測量儀能夠識別的DMIS語言代碼。DMIS 代碼程序經(jīng)發(fā)布后即可用于復合式影像測量儀開展實際測量工作。

5 三維檢測報告發(fā)布

將編譯和后處理生成的測量程序上傳至復合式影像測量儀控制軟件后，便可開展四通管接頭的尺寸測量。尺寸測量完成后借助數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具直接輸出“.dml”文件，將“.dml”文件加載至NXCMM軟件形成三維報告，如圖14所示。在發(fā)布的四通管接頭三維檢測報告中，軟件通過分析將超出公差要求的測量結(jié)果以紅色顯示，處于合格范圍內(nèi)的測量結(jié)果以綠色顯示，以便檢驗人員更加直觀準確地掌握零件的檢測結(jié)果。

結(jié)論

本文通過研究PMI識別、基于PMI的檢測路徑創(chuàng)建、代碼編譯和后處理以及三維檢測報告發(fā)布等基于模型的數(shù)字化檢測技術(shù)，并通過軟件二次開發(fā)和某型號發(fā)動機四通管接頭樣件測試，驗證了該技術(shù)在民用航空發(fā)動機零部件幾何尺寸檢測應用中的可行性。該技術(shù)具有以下特點：

（1）實現(xiàn)了基于模型的檢測路徑規(guī)劃和測量代碼自動生成，減輕了檢測人員編程工作強度，節(jié)省檢測編程時間和降低人員編程經(jīng)驗不足帶來的影響；

表1 復合式影像測量儀主要技術(shù)指標Table1 Main technical indicators of composite image measuring instrument

圖9 四通管接頭PMI識別結(jié)果Fig.9 PMI identification of four-way pipe joint

圖10 四通管接頭測量環(huán)境Fig.10 Measurement environment of four-way pipe joint

圖11 四通管接頭檢測特征及檢測路徑創(chuàng)建Fig.11 Detection features and detection path creation of four-way pipe joint

（2）可針對具體零件形成檢測模板，規(guī)范和統(tǒng)一檢測路徑和測量參數(shù)配置，從而提高不同檢測設備和人員間檢測結(jié)果的再現(xiàn)性和一致性；

圖12 碰撞檢測Fig.12 Collision detection

圖13 四通管接頭檢測路徑發(fā)布Fig.13 Release of four-way pipe joint inspection path

圖14 四通管接頭三維檢測報告Fig.14 Three-dimensional inspection report of four-way pipe joint

（3）利用設計、工藝與檢驗間統(tǒng)一的模型數(shù)據(jù)，利于實現(xiàn)民用航空發(fā)動機設計與制造間的快速協(xié)同，為后續(xù)基于模型的民用航空發(fā)動機設計、制造和檢驗一體化生產(chǎn)模式的全面推行奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

不過，本文的研究還僅局限在基于模型的PMI信息識別、檢測路徑規(guī)劃和檢測結(jié)果的三維可視化等幾個方面，還不能全面滿足基于模型的民用航空發(fā)動機設計、制造和檢驗一體化的需求，后續(xù)還需加強以下3個方面的研究：

（1）MBD模型的深度延用研究，通過對前后端檢測流程的調(diào)研，規(guī)劃定制MBD模型應用服務，拓展MBD模型在民用航空發(fā)動機制造檢測過程中的應用深度和廣度；

（2）檢測設備深度集成研究，通過梳理民用航空發(fā)動機裝配流程所涉及的檢測設備及儀器，進一步研究基于模型的檢測技術(shù)與不同檢測設備和儀器的有效集成，以使所涉及的設備和儀器統(tǒng)一采用基于模型的檢測模式；

（3）設計、制造和檢驗等信息化管理系統(tǒng)的有效集成研究，以二維圖紙為核心的傳統(tǒng)航空發(fā)動機設計、制造和檢驗的生產(chǎn)方式已無法滿足民用航空發(fā)動機基于模型的企業(yè)（MBE）和智能工廠建設需求，未來將逐步向以標注PMI的MBD作為唯一核心，以此貫通民用航空發(fā)動機設計、制造和檢驗全流程的生產(chǎn)模式進行轉(zhuǎn)變，故需將基于模型的檢測技術(shù)更好地集成到企業(yè)設計、制造和檢驗管理系統(tǒng)中，以便實現(xiàn)設計、工藝和檢驗的深度融合，以及正向研發(fā)過程的快速迭代。