面向三維裝配工藝的數(shù)字化檢測規(guī)劃技術(shù)研究

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所

數(shù)字化制造技術(shù)航空科技重點實驗室 李光麗 孟月梅 司守鈺

隨著數(shù)字化檢測技術(shù)在飛機零部件裝配中的廣泛應(yīng)用，二維裝配檢測工藝規(guī)劃與上游的全三維數(shù)字化設(shè)計和下游的先進制造與裝配工藝極不適應(yīng)，逐漸演化成為數(shù)字化檢測亟待解決的問題。裝配檢測工藝文件作為連接檢測工藝規(guī)劃和一線生產(chǎn)檢測的信息載體，對一線工作人員的工作起指導(dǎo)作用，具有十分重要的意義。隨著數(shù)字化技術(shù)在航空制造業(yè)中的應(yīng)用不斷深入，飛機研制已經(jīng)逐漸向MBD技術(shù)邁進[1]，工藝、工裝、檢測都要參與到設(shè)計過程中，最后形成的數(shù)字化模型才能用于指導(dǎo)工藝制造與檢測[2]。

目前，在飛機零部件裝配檢測時，由于沒有相應(yīng)的三維檢測計劃和裝配檢測標(biāo)準(zhǔn)文件，在裝配檢測過程中容易出現(xiàn)以下問題：

（1）在裝配檢測過程中，已經(jīng)普遍采用數(shù)字化檢測方式用于工裝與產(chǎn)品的定位、部件的姿態(tài)調(diào)整、零部件的外形檢測等；而數(shù)字化檢測方式需要有理論數(shù)據(jù)做支撐，理論數(shù)據(jù)主要包含產(chǎn)品的基準(zhǔn)、檢測目的以及產(chǎn)品的數(shù)模等信息，如果沒有前期的三維數(shù)字化裝配檢測規(guī)劃導(dǎo)致數(shù)字化檢測過程沒有理論數(shù)據(jù)和依據(jù)，從而無法為后期的數(shù)據(jù)分析提供理論數(shù)據(jù)支撐。

（2）無規(guī)范的三維裝配檢測計劃和檢測標(biāo)準(zhǔn)文件，容易導(dǎo)致檢測人員與工藝人員出現(xiàn)對檢測規(guī)劃認(rèn)識不同，因此產(chǎn)生無用檢測結(jié)果。

（3）由于無法自動基于三維數(shù)模生成裝配檢測工藝規(guī)劃文件，需要人工從三維數(shù)模上獲取檢測信息，由人工操作失誤而導(dǎo)致的檢測基準(zhǔn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確率增高，從而影響后期的裝配檢測結(jié)果。

（4）沒有規(guī)范的三維數(shù)字化檢測模型，裝配檢測時會將產(chǎn)品數(shù)模經(jīng)過粗加工后輸入到測量軟件中，由于裝配數(shù)模數(shù)據(jù)量大，因此在數(shù)模處理過程中效率極低，且容易丟失信息或產(chǎn)生無用信息輸出，因而影響到檢測效率。

（5）檢測完畢后，無法實現(xiàn)檢測結(jié)果向三維數(shù)模反饋，將意味著無法為上游設(shè)計人員提供更多數(shù)據(jù)參考。隨著裝配件的增多，進行檢測結(jié)果查詢時效率較低，查找較麻煩，若能將檢測結(jié)果反饋到三維全信息相關(guān)模型中，該問題則迎刃而解，且能完善產(chǎn)品的全生命周期管理。針對MBD技術(shù)的發(fā)展與解決上述問題的需要，本文基于三維全相關(guān)信息模型開展了數(shù)字化裝配檢測規(guī)劃技術(shù)研究。

1 數(shù)字化裝配檢測規(guī)劃總體框架

基于三維全相關(guān)信息模型和數(shù)字化檢測設(shè)備，面向三維裝配工藝，進行裝配數(shù)字化檢測工藝方法設(shè)計，生成裝配檢測指令，傳遞給檢測系統(tǒng)進行檢測；在檢測完畢后，對檢測結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析，將分析結(jié)果加載在三維全信息模型中，生成三維數(shù)字化檢測信息關(guān)聯(lián)模型，完成裝配檢測方法設(shè)計、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果反饋傳遞過程。

裝配數(shù)字化檢測系統(tǒng)通過利用CATIA、CAA、PDM等開發(fā)存儲計算軟件，并對裝配檢測信息進行管理和規(guī)范，實現(xiàn)檢測系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用。在業(yè)務(wù)層主要實現(xiàn)產(chǎn)品裝配要求分析、裝配檢測工藝設(shè)計和檢測數(shù)據(jù)分析功能。檢測系統(tǒng)業(yè)務(wù)層面向三維裝配工藝，輸入裝配需求模型（Assembly Reguired Model，ARM）和裝配工裝需求模型（Manufacture Assembly Reguired Model，MARM），通過對ARM模型和MARM模型進行關(guān)鍵要素提取，基于三維裝配分析產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和檢測對象，進行三維裝配檢測模型（Assembly Manufacture Model，AMM）的規(guī)劃和設(shè)計，生成三維裝配檢測工藝規(guī)程和三維檢測數(shù)據(jù)信息。裝配檢測完畢后，將檢測軟件生成的檢測報告導(dǎo)入到裝配檢測模型中，實現(xiàn)對三維模型的閉環(huán)反饋。

圖1 數(shù)字化裝配檢測規(guī)劃總體框架Fig.1 Framework of the digital assembly measurement planning

2 產(chǎn)品裝配要求分析

在裝配數(shù)字化檢測系統(tǒng)中，面向三維裝配工藝，輸入ARM和MARM。為了使裝配數(shù)字化檢測的業(yè)務(wù)順利進行，需對ARM和MARM模型中的信息提出要求。下列數(shù)據(jù)元素構(gòu)成了ARM的全三維數(shù)據(jù)集的內(nèi)容：相關(guān)設(shè)計數(shù)據(jù)、實體模型、裝配件坐標(biāo)系統(tǒng)、三維標(biāo)注尺寸、公差和注釋、裝配順序、工程說明、材料要求及其他定義數(shù)據(jù)。

在產(chǎn)品進行裝配時，一般利用裝配工裝保證產(chǎn)品的裝配位置和形狀，在裝配過程中若要保證產(chǎn)品的裝配質(zhì)量，必須對產(chǎn)品的裝配工裝進行檢測。在進行裝配檢測設(shè)計時，讀取ARM的同時也需讀取MARM才能在檢測時同時考慮到產(chǎn)品和工裝，為工藝人員提供數(shù)據(jù)來源。下列數(shù)據(jù)元素構(gòu)成了ARM的全三維數(shù)據(jù)集的內(nèi)容：實體模型、坐標(biāo)系統(tǒng)、三維標(biāo)注尺寸、公差和注釋、與產(chǎn)品的協(xié)調(diào)特征、工程說明、材料要求及其他定義數(shù)據(jù)。對于復(fù)雜部件裝配數(shù)模而言，信息量較大，且占用計算機內(nèi)存較多，運行較緩慢，而針對裝配檢測系統(tǒng)，無需接受全部的產(chǎn)品數(shù)模，只需根據(jù)需要讀取ARM和MARM即可。

針對ARM和MARM信息提取時，需要清楚模型中的信息表達意義和設(shè)計規(guī)范。另外，裝配數(shù)字化檢測系統(tǒng)也需根據(jù)自己的需求對ARM和MARM提出滿足信息提取要求。在進行信息提取時，主要對幾何集下的關(guān)鍵字進行識別，并將識別的信息加載在AMM中。圖2描述了針對ARM進行信息遍歷，生成AMM流程。

圖2 ARM模型特征識別Fig.2 Feature recognition based on ARM model

3 裝配檢測工藝設(shè)計與規(guī)劃

針對裝配檢測對象與需求進行裝配檢測工藝設(shè)計與規(guī)劃，主要包括檢測設(shè)備選取、檢測方法設(shè)置（人工測量、自動測量等）、檢測指令生成（針對檢測設(shè)備的測量屬性）、檢測流程生成。規(guī)劃完畢后，形成三維裝配檢測模型，根據(jù)裝配檢測模型自動生成裝配檢測工藝規(guī)程，根據(jù)檢測設(shè)備需求生成可以讓檢測軟件識別的檢測數(shù)據(jù)信息。檢測工藝規(guī)程中提供了檢測對象信息、坐標(biāo)系信息、檢測特征信息、檢測目的信息、檢測設(shè)備和檢測流程等。根據(jù)檢測工藝規(guī)程完成現(xiàn)場裝配檢測后，實現(xiàn)將檢測結(jié)果輸入到AMM中，完成裝配檢測的閉環(huán)反饋功能。

圖3展示了面向三維裝配工藝的數(shù)字化檢測規(guī)劃方案，三維裝配數(shù)字化檢測系統(tǒng)設(shè)計在PDM系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫平臺基礎(chǔ)上，PDM系統(tǒng)中存儲了ARM、MARM和AMM；數(shù)據(jù)庫平臺主要存儲了各類知識庫和裝配檢測工藝規(guī)程和基準(zhǔn)數(shù)據(jù)信息。在提取裝配要求信息后，進行裝配檢測規(guī)劃設(shè)計。裝配數(shù)字化檢測工藝設(shè)計主要進行4項主要功能操作：裝配檢測基準(zhǔn)構(gòu)建、三維裝配檢測工藝設(shè)計、裝配檢測工藝規(guī)程的生成和檢測結(jié)果的導(dǎo)入。

3.1 裝配檢測基準(zhǔn)構(gòu)建

在飛機數(shù)字量尺寸傳遞、數(shù)字化協(xié)調(diào)和數(shù)字化檢測環(huán)節(jié)中，主要針對其幾何關(guān)鍵特性（尺寸大小、幾何形狀偏差和位置偏差）建立檢測基準(zhǔn)?；鶞?zhǔn)就是確定結(jié)構(gòu)件之間相對位置的一些點、線、面。對于飛機產(chǎn)品的全生命周期來說，有設(shè)計、工藝、檢測等基準(zhǔn)。產(chǎn)品設(shè)計時需要建立設(shè)計基準(zhǔn)，如飛機水平基準(zhǔn)線、對稱軸線、翼弦平面、弦線、梁軸線、長桁軸線、肋軸線等，統(tǒng)稱為設(shè)計基準(zhǔn)。在制造與裝配過程中要建立工藝基準(zhǔn)，它是存在于結(jié)構(gòu)件上的點、線、面，可用來確定結(jié)構(gòu)件的位置。隨著數(shù)字化檢測手段和先進裝配技術(shù)的提高，數(shù)字化檢測在裝配過程中的作用越來越重要[3]。檢測、設(shè)計和工藝的基準(zhǔn)不同，檢測基準(zhǔn)的選擇直接影響檢測人員對產(chǎn)品的測量和質(zhì)量分析。檢測基準(zhǔn)的選擇要遵循以下3條主要原則：

圖3 裝配檢測工藝規(guī)劃設(shè)計流程Fig.3 Flow chart of assembly measurement process planning

（1）檢測基準(zhǔn)與設(shè)計、工藝基準(zhǔn)統(tǒng)一原則：檢測基準(zhǔn)盡可能與設(shè)計安裝基準(zhǔn)統(tǒng)一，以設(shè)計基準(zhǔn)或裝配基準(zhǔn)作為原始測量基準(zhǔn)；在無法利用設(shè)計和裝配基準(zhǔn)時，選擇合理的相對工藝基準(zhǔn)進行檢測。

（2）基準(zhǔn)不變原則：在部件的整個檢測過程中，每道工序及每一個檢測階段都用同一基準(zhǔn)進行檢測，即部件的二次檢測應(yīng)采用同一檢測基準(zhǔn)。如在機翼前梁檢測時，以前梁接頭對接孔作為檢測基準(zhǔn)，則在前梁與前緣對合、部件總裝時，均應(yīng)以該接頭對接孔作為檢測基準(zhǔn)，減少不必要轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，結(jié)合總裝現(xiàn)場條件，使檢測基準(zhǔn)易于建立，方便應(yīng)用，減少誤差累積。

（3）最小包容原則：最小包容原則主要適合于測量場的構(gòu)建，目前在進行復(fù)雜零部件裝配時需要建立測量場，然后在該測量場中進行協(xié)調(diào)裝配，因此測量場的建立直接影響產(chǎn)品的協(xié)調(diào)精度與裝配精度。測量場的構(gòu)建為后續(xù)測量提供基準(zhǔn)，在建立測量場時應(yīng)滿足最小包容原則，即檢測基準(zhǔn)應(yīng)包含檢測對象及空間。若檢測基準(zhǔn)及測量場偏小，則會隨著測量空間的增大而擴大測量偏差。若檢測基準(zhǔn)距離偏大，檢測設(shè)備會隨著測距離的增加而增加測量誤差，因此在構(gòu)建測量場時如何選擇檢測基準(zhǔn)尤其重要。

3.2 三維裝配檢測工藝設(shè)計

通過解析三維裝配要求信息，自動提取裝配結(jié)構(gòu)樹中的裝配件信息、要求、順序、指令等，進行三維裝配檢測工藝設(shè)計。三維裝配檢測工藝設(shè)計主要定義檢測對象和檢測方法，由于裝配檢測過程是產(chǎn)品裝配過程中的一部分，因此在裝配結(jié)構(gòu)樹中，裝配檢測操作作為裝配工藝中的一個工步添加在三維裝配工藝中。

在裝配檢測規(guī)劃中，首先定義檢測目的及檢測名稱，比較常見的裝配檢測目的有裝配坐標(biāo)系定位，定位孔、交點、軸線、水平測量點、形面等的測量。創(chuàng)建一個裝配檢測工步后，添加裝配檢測模板，基于裝配檢測模板進行工藝規(guī)劃；其次要定義裝配檢測對象。對于裝配檢測工步，為了實現(xiàn)裝配關(guān)系協(xié)調(diào)，檢測對象多為點特征，因此在定義點特征檢測對象時，可將點名及其理論坐標(biāo)值提取出來。裝配檢測中多利用測量輔助工裝進行孔位測量，因此需將測量輔助工裝和測量器件在數(shù)模中安裝完畢后給出生成的測量點坐標(biāo)值，若無測量輔助工裝和測量器件，沿著孔的軸線進行偏置，模擬出一個測量點。檢測對象定義完畢后，添加至裝配檢測模型中。在數(shù)字化檢測過程中，檢測坐標(biāo)系定義尤為重要，常見的檢測坐標(biāo)系有產(chǎn)品、工裝和任意等坐標(biāo)系。為真實反映產(chǎn)品的偏差，多采用產(chǎn)品坐標(biāo)系進行檢測。因此在檢測坐標(biāo)系定義時，將能夠代表檢測坐標(biāo)系的關(guān)鍵特征測量點作為一個節(jié)點，設(shè)置在裝配檢測模型中。

建立裝配數(shù)字化檢測設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)知識庫，提供檢測設(shè)備參數(shù)和功能。根據(jù)檢測目的及精度需求，選擇合適的檢測設(shè)備和測量輔助工裝，如檢測定位卡板的形面可以利用激光跟蹤儀，打開檢測設(shè)備知識庫選擇對應(yīng)的激光跟蹤儀測量設(shè)備；若進行復(fù)雜形面檢測時，激光跟蹤儀不能滿足需求，則可考慮使用激光掃描儀或照相測量設(shè)備，當(dāng)定義好檢測設(shè)備與檢測軟件后，按照固定模板將檢測設(shè)備輸入到裝配檢測模型中。一個裝配檢測操作通常需要幾個檢測指令完成，根據(jù)檢測流程需求，在裝配檢測模型中將各檢測指令按照樹節(jié)點的方式定義檢測指令與檢測流程，并保存到裝配檢測模型中。

3.3 裝配檢測工藝生成

裝配檢測模型建立后，模型中包含三維裝配工藝中所有的裝配檢測信息。為了便于現(xiàn)場裝配檢測實施，提高檢測效率，降低檢測出錯率，基于三維裝配檢測模型自動生成電子裝配檢測工藝規(guī)程。因此，在裝配檢測工藝規(guī)程模塊時，檢測工藝人員可自動提取裝配檢測模型中的檢測信息，并按照規(guī)定模板輸出裝配檢測工藝規(guī)程。在輸出檢測工藝規(guī)程的同時，可根據(jù)檢測需求輸出基準(zhǔn)數(shù)據(jù)和關(guān)鍵檢測特征，如輸出基準(zhǔn)孔的位置信息，在檢測時利用基準(zhǔn)孔的理論位置進行最佳擬合，確定現(xiàn)場測量坐標(biāo)系，整個擬合過程無需手工導(dǎo)入基準(zhǔn)孔的理論數(shù)據(jù)，可保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。進行形面檢測時，直接將形面特征與裝配檢測工藝規(guī)程輸出，為檢測的擬合比對提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，無論是輸出基準(zhǔn)數(shù)據(jù)和關(guān)鍵檢測特征，都需根據(jù)檢測設(shè)備和檢測軟件輸出固定格式文件，到裝配檢測實施環(huán)節(jié)，檢測特征的理論數(shù)據(jù)才能被檢測設(shè)備與檢測軟件直接接收。

3.4 裝配檢測結(jié)果導(dǎo)入

在裝配數(shù)字化檢測的檢測實施環(huán)節(jié)，檢測員利用測量軟件進行操作，并按檢測軟件固定格式輸出報告。為保證檢測數(shù)據(jù)的全方位反饋和完善產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)檢測完畢后，需將檢測結(jié)果或檢測報告反饋輸入到裝配檢測模型中，完整的裝配檢測模型才能被后續(xù)的工藝所使用。

4 基于模型的裝配檢測指令表達與系統(tǒng)開發(fā)

針對數(shù)字化裝配檢測需求，基于CATIA及其CAA二次開發(fā)軟件，開發(fā)了基于產(chǎn)品模型、面向三維裝配工藝的數(shù)字化裝配檢測規(guī)劃系統(tǒng)，如圖4、圖5、圖6所示。圖4中，在裝配工藝結(jié)構(gòu)樹中選擇了一個裝配工序，展示出該工序下的裝配工步。根據(jù)裝配流程添加、修改、刪除裝配檢測工步。圖5展示了主要的裝配檢測規(guī)劃界面，包括裝配檢測工步編號、名稱、標(biāo)記、操作說明、測量設(shè)備讀取及選擇、測量對象定義、測量坐標(biāo)系定義、測量順序設(shè)計等功能。圖6展示了基于三維裝配工藝完整的三維裝配檢測模型。

5 結(jié)論

本文結(jié)合產(chǎn)品裝配過程中的數(shù)字化檢測需求，基于三維全相關(guān)信息模型，面向三維裝配工藝進行了裝配數(shù)字化檢測工藝設(shè)計與規(guī)劃技術(shù)研究。首次提出了三維裝配檢測工藝設(shè)計方案，對產(chǎn)品裝配模型提出要求，分析了裝配檢測基準(zhǔn)的構(gòu)建原則，闡述了三維裝配檢測工藝設(shè)計流程與方法，實現(xiàn)了裝配檢測工藝規(guī)程，設(shè)計了裝配檢測結(jié)果導(dǎo)入接口，形成了裝配過程中數(shù)字量傳遞的閉環(huán)管理。針對上述功能，在CATIA軟件中開發(fā)了裝配數(shù)字化檢測規(guī)劃模塊，為后續(xù)的三維裝配檢測技術(shù)研究奠定了基礎(chǔ)。

圖4 添加裝配檢測工步Fig.4 Addition of assembly measurement step

圖5 數(shù)字化裝配檢測工藝設(shè)計Fig.5 Design of digital assembly measurement process

圖6 三維裝配檢測模型Fig.6 3D assembly measurement model

[1] 景武,趙所,劉春曉,等. 基于DELMIA的飛機三維裝配工藝設(shè)計與仿真. 航空制造技術(shù), 2012(12):80-86.

[2] 馮子明. 基于三維模型的飛機數(shù)字化快速檢測技術(shù)研究.航空制造技術(shù), 2011(21):32-35.

[3] 郭洪杰. 淺談數(shù)字化測量技術(shù)在飛機裝配中的應(yīng)用. 航空制造技術(shù)，2011(21):26-29.