可定制的產(chǎn)品模型質(zhì)量檢查系統(tǒng)研究*

西北工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院 王 凱 許建新 王 成 蒲 娟

質(zhì)量控制系統(tǒng)覆蓋產(chǎn)品的整個研發(fā)、生產(chǎn)制造過程，而隨著MBD技術(shù)在企業(yè)當(dāng)中的應(yīng)用，工藝、工裝、檢驗都要參與到設(shè)計的過程中，產(chǎn)品的質(zhì)量活動將作為1個有機整體來考慮，將傳統(tǒng)的事后檢驗轉(zhuǎn)變?yōu)槭虑邦A(yù)防，這使得產(chǎn)品設(shè)計模型的質(zhì)量控制成為整個質(zhì)量保證系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分[1-3]。

傳統(tǒng)的產(chǎn)品模型質(zhì)量控制與保證技術(shù)匱乏，對于模型的檢查沒有完整的檢查規(guī)范，同時也沒有對檢查結(jié)果進行儲存和分析處理，設(shè)計人員往往憑自己的經(jīng) 驗進行簡單的檢查，即沒有規(guī)范保障，又沒有檢查記錄，在下次進行檢查時就會重復(fù)以往的工作，造成零件的研制周期加長。即使有一些檢查技術(shù)，也不集中，往往是“拋磚”式的檢查，1個部門檢查完畢傳到下1個部門，部門與部門之間沒有太多的交流，缺少部門之間對于模型檢查的協(xié)調(diào)性，不便于設(shè)計人員參考以及檢查人員進行檢查[4]。

鑒于企業(yè)目前的現(xiàn)狀，本文提出了基于檢查模板的產(chǎn)品模型質(zhì)量檢查技術(shù)，并設(shè)計了可定制的產(chǎn)品模型質(zhì)量檢查系統(tǒng)，旨在通過分析產(chǎn)品模型信息，建立產(chǎn)品模型檢查模板，并集中各種模型檢查工具對產(chǎn)品進行檢查，極大地提高了產(chǎn)品模型質(zhì)量以及產(chǎn)品設(shè)計的效率。同時，可以供企業(yè)設(shè)計人員、工藝人員、加工人員使用以及領(lǐng)導(dǎo)做出決策。

1 基于檢查模板的產(chǎn)品模型質(zhì)量檢查技術(shù)

1.1 基本概念

基于檢查模板的產(chǎn)品模型質(zhì)量檢查技術(shù)是以檢查模板為依據(jù)對產(chǎn)品模型進行檢查，并最終消除產(chǎn)品模型的缺陷，保證產(chǎn)品模型的質(zhì)量。其主要是把系統(tǒng)軟件和檢查工具進行集成，并依據(jù)知識庫表達技術(shù)建立檢查模板定制機制，最終使用合適的檢查工具進行人機交互式檢查。

基于檢查模板的產(chǎn)品模型質(zhì)量檢查技術(shù)匯總了產(chǎn)品模型的各種設(shè)計規(guī)范、檢查規(guī)范，集成各種檢查工具對產(chǎn)品的全三維模型進行全面檢查和記錄，同時對檢查結(jié)果進行儲存和統(tǒng)計分析，便于設(shè)計人員進行設(shè)計與檢查，最終保證產(chǎn)品三維模型質(zhì)量，縮短產(chǎn)品研制周期，極大地提高工作效率，具體的技術(shù)實施過程如圖1所示。

1.2 特點

(1)全面性。可以對產(chǎn)品模型的各種信息進行全面檢查，包括設(shè)計、工藝、工裝以及檢驗信息。

(2)可定制。可以根據(jù)企業(yè)需求和產(chǎn)品特點進行檢查模板的定制。

(3)并行性。方便設(shè)計部門與制造部門實時地進行交流，保證模型設(shè)計的并行性。

(4)集成性。集成了大量的檢查工具和數(shù)據(jù)分析方法，能滿足不同產(chǎn)品的不同需求，同時可以最大化地分析檢查結(jié)果。

(5)知識庫。記錄了大量的設(shè)計規(guī)范和檢查規(guī)范，方便各種人員查看和使用。

圖1 基于檢查模板的產(chǎn)品模型質(zhì)量檢查技術(shù)Fig.1 Product model quality check technology based on check template

基于檢查模板的產(chǎn)品模型質(zhì)量檢查技術(shù)避免了傳統(tǒng)的模型審查中知識推理機不智能的缺點，充分利用了成熟檢查軟件的優(yōu)點，只要能定制出檢查模板就可以很好地對產(chǎn)品模型進行檢查，并對檢查結(jié)果進行封裝和查看，保證了產(chǎn)品模型缺陷的“溯源性”。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以基于檢查模板的產(chǎn)品模型質(zhì)量檢查技術(shù)為支撐，采用Oracle作為后臺數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，使用普元EOS開發(fā)環(huán)境作為前臺開發(fā)工具，其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程見圖3，包含了系統(tǒng)與工具的集成關(guān)系以及各個模塊之間的數(shù)據(jù)流動。系統(tǒng)包含4大模塊，模型分析模塊、規(guī)范知識庫模塊、實施檢查模塊以及檢查數(shù)據(jù)處理模塊。在模型分析模塊，進行產(chǎn)品全三維模型的分析，對模型信息進行提取和錄入；在規(guī)范知識庫模塊，基于知識工程建立設(shè)計規(guī)范與檢查規(guī)范，同時根據(jù)模型信息定制檢查模板；在實施檢查模塊，通過條件查詢，找到合適的檢查工具，并基于檢查工具進行檢查；在檢查數(shù)據(jù)處理模塊，對于檢查結(jié)果進行封裝，形成產(chǎn)品模型檢查報告并進行儲存，最后對所有的檢查結(jié)果進行分析，畫出統(tǒng)計分析圖與統(tǒng)計報表，找到同類產(chǎn)品經(jīng)常犯的錯誤，作為以后的設(shè)計經(jīng)驗。

3.2 系統(tǒng)各功能模塊

(1)模型分析模塊。此模塊主要是對產(chǎn)品三維數(shù)字模型進行分析并提取模型的信息。主要功能有2塊：一是產(chǎn)品的模型分析，編制產(chǎn)品模型的檢查需求報告；二是模型信息的提取，針對模型檢查報告需求，分解模型的信息數(shù)據(jù)集，并依據(jù)產(chǎn)品的特征結(jié)構(gòu)樹以及相應(yīng)的屬性名和標(biāo)注提取產(chǎn)品的所有信息，形成零件檢查信息模型。

(2)規(guī)范知識庫模塊。此模塊主要是為了建立模型設(shè)計規(guī)范知識庫和模型檢查規(guī)范知識庫。主要功能有2塊：一是為設(shè)計人員提供設(shè)計規(guī)范；二是定制檢查模板。

設(shè)計規(guī)范主要來源有4大塊：國標(biāo)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、工人經(jīng)驗以及檢查經(jīng)驗。在企業(yè)里，國標(biāo)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是首先要遵循的，而每個企業(yè)又都有自己的規(guī)范。當(dāng)然，最重要的還是設(shè)計人員、工藝人員以及現(xiàn)場加工人員的經(jīng)驗[5]。對于檢查報告的分析形成的一些經(jīng)驗也是設(shè)計規(guī)范的1個重要來源。

圖2 總體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall structure

圖3 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程圖Fig.3 System work flow

檢查規(guī)范主要是針對設(shè)計規(guī)范建立檢查規(guī)范決策模型，確定檢查規(guī)范的名稱、描述、所屬檢查集、所屬零件類型、適用特征、模型類型、判定值集合、錯誤描述，錯誤級別等，最后基于檢查規(guī)范進行檢查模板的定制。

(3)實施檢查模塊。此模塊主要是把與零件三維模型檢查相關(guān)的各種工具都集成進來，然后通過一定的查詢條件選擇檢查工具，并最終使用檢查模板進行產(chǎn)品模型的檢查。當(dāng)進行1次檢查之后要對模型進行自動或者手動修復(fù)，隨后再進行檢查直至沒有錯誤時進行產(chǎn)品三維模型的發(fā)布。其中重要的就是檢查工具的集成，檢查人員可以根據(jù)零件類型和需要檢查的內(nèi)容有針對性地選擇檢查工具實施檢查。

(4)檢查結(jié)果處理模塊。此模塊是為了儲存、分析來自實施檢查模塊的檢查結(jié)果。首先，對檢查結(jié)果進行封裝形成檢查報告，檢查人員在對1個模型進行檢查時，可以在系統(tǒng)中查看以往的檢查記錄，對于檢查過的項目就不會再檢查，這樣節(jié)省了大量的時間。其次，對檢查結(jié)果進行分析，用統(tǒng)計方法分析零件常見錯誤，并生成統(tǒng)計圖和統(tǒng)計報表，為檢查人員提供檢查經(jīng)驗。

3.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型

系統(tǒng)的各模塊都有數(shù)據(jù)流動，底層數(shù)據(jù)是設(shè)計規(guī)范和檢查規(guī)范，二者的數(shù)據(jù)龐大，覆蓋面廣，需要設(shè)計人員以及工人不斷地總結(jié)與匯總。檢查報告是最終要形成的數(shù)據(jù)，里面詳細的記錄了每一次檢查過程。需要從外部調(diào)用的是檢查工具，在選擇檢查工具時可以根據(jù)檢查工具的屬性來檢索，然后通過外部的接口調(diào)用。統(tǒng)計報告是對檢查報告分析之后形成的，里面包含了大量的統(tǒng)計圖和統(tǒng)計報表，具體的詳細數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.4 系統(tǒng)接口

系統(tǒng)接口包括2部分：一是用于連接后臺數(shù)據(jù)庫和檢查模板定制機，由于后臺數(shù)據(jù)庫與檢查模板定制機兩者是相對獨立的, 為了能將二者有機地聯(lián)系起來,必須建立1個接口程序, 以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的操縱和自動查詢, 并將查詢所得的結(jié)果反饋到檢查模板定制機中；二是連接系統(tǒng)和外部檢查工具，方便檢查工具的調(diào)用以及中間數(shù)據(jù)及結(jié)果的傳輸和保存。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 檢查模板定制

檢查模板是依據(jù)企業(yè)要求和檢查規(guī)范，對于模型所要檢查內(nèi)容進行歸納總結(jié)，最終形成1個檢查項的集合。它涵蓋了模型的規(guī)范性、幾何學(xué)、設(shè)計方法學(xué)以及工藝性等各方面的內(nèi)容。檢查人員可以直接拿來使用，并對每一條檢查項進行人機交互式檢查，直至所有檢查項都檢查完畢。

圖4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型Fig.4 System data model

在歸納總結(jié)國標(biāo)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計經(jīng)驗以及檢查經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，建立零件模型設(shè)計規(guī)范。采用知識的形式化表達方法，構(gòu)建零件模型檢查規(guī)范，采用數(shù)據(jù)庫方式和程序方式，分別表示出檢查規(guī)范描述性知識和過程性知識，最終提出“模型信息提取-知識搜索匹配-檢查模板定制-回饋”的模板定制過程。圖5是檢查模板具體的定制流程。

(1)建立模型檢查規(guī)范。基于“設(shè)計規(guī)范+形式化表達”的模式建立檢查規(guī)范，并能實現(xiàn)知識搜索匹配的功能[6]。

(2)產(chǎn)品模型分析。根據(jù)企業(yè)需求及產(chǎn)品特點建立產(chǎn)品零件模型檢查信息表及模型檢查需求報告。

(3) 定制檢查模板。輸入零件檢查信息和檢查需求，通過知識搜索匹配從檢查規(guī)范知識庫中選擇檢查項，并最終封裝形成檢查模板。

在企業(yè)實施中，檢查模板的定制方式有2種：一是直接使用標(biāo)準(zhǔn)化的檢查模板；二是個性化定制。標(biāo)準(zhǔn)化檢查模板是最終可以被檢查人員直接拿來使用的，可以針對飛機零件的不同類型以及各階段對于設(shè)計模型的需要進行標(biāo)準(zhǔn)化檢查模板的配置。如果企業(yè)對于零件的檢查有一些自身的特殊要求，就可以基于標(biāo)準(zhǔn)化的檢查模板進行個性化的定制，增加或者刪減一些檢查項。

圖5 檢查模板定制流程Fig.5 Flow of customizing check template

4.2 零件檢查信息的提取和轉(zhuǎn)化

零件信息的提取和轉(zhuǎn)化是進行模型檢查的基礎(chǔ)，在設(shè)計時不但要考慮到零件自身的信息，還要兼顧企業(yè)的需求。在零件信息的提取和轉(zhuǎn)化中：一是要符合用戶進行模型檢查時的思維習(xí)慣，使用戶輸入的信息盡量簡單；二是要考慮用戶輸入數(shù)據(jù)的方便性[7]。

表1 檢查規(guī)范表示

首先把模型信息劃分為4大類(零件類型、總體信息、特征信息、企業(yè)需求)，讓用戶從中選擇1類；然后再依據(jù)用戶選擇的類別彈出相應(yīng)的對話框, 讓用戶從中選擇或者直接輸入零件信息，比如零件類型就包括結(jié)構(gòu)件、鈑金、復(fù)合材料以及裝配件，就可以直接選擇。對于某些相對復(fù)雜的零件，還將零件細化，分成一些小類，再針對小類提示用戶輸入具體的信息。在用戶將輸入的數(shù)據(jù)提交之后，并在定制檢查模板之前，系統(tǒng)還將對這些數(shù)據(jù)進行校核，便于發(fā)現(xiàn)用戶所輸入數(shù)據(jù)的錯誤，并提示用戶進行修正以及告訴用戶怎樣進行修正，具體的零件檢查信息模型如圖6所示。

圖6 零件檢查信息模型Fig.6 Information model of part check

4.3 檢查規(guī)范的建立

系統(tǒng)要在企業(yè)中很好地實施，關(guān)鍵是建立各種檢查規(guī)范。首先應(yīng)該統(tǒng)計國標(biāo)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、工人經(jīng)驗以及檢查經(jīng)驗，形成設(shè)計規(guī)范，比如我們對某飛機制造企業(yè)數(shù)控廠調(diào)研之后就總結(jié)出他們對模型的一些需求，包括非直紋面檢查、小面片、閉角殘留、槽深度與底角半徑比≤3.5、轉(zhuǎn)角半徑一般要大于刀具半徑0.5mm、干涉、容差分配、凹槽深度、倒角、底角要統(tǒng)一、三角曲面片、一致性、小部件的可加工性、坐標(biāo)系為默認(rèn)機體坐標(biāo)系；然后針對每一條設(shè)計規(guī)范進行知識決策，形成檢查規(guī)范；最后對檢查規(guī)范進行分類和記錄。根據(jù)檢查規(guī)范的通用性以及專業(yè)性可以把其中的檢查項分成12大類：特征檢查、模型檢查、裝配檢查、草圖檢查、三維標(biāo)注檢查、工程圖檢查、通用設(shè)置檢查、曲線檢查、曲面檢查、面體檢查、鈑金檢查、復(fù)合材料檢查等。

檢查規(guī)范的建立需要建立規(guī)范模型，包括名稱、所屬檢查集、功能描述、判定值集合、判定值配置說明、錯誤級別等，錯誤級別數(shù)值越高對應(yīng)的錯誤越嚴(yán)重。表1列舉了其中的一些進行說明。

5 系統(tǒng)應(yīng)用

圖7是以某飛機結(jié)構(gòu)件XX梁三維模型的檢查為例，說明系統(tǒng)的應(yīng)用以及實際的操作過程。

在模型分析模塊編制模型檢查需求報告以及模型檢查信息表。然后，根據(jù)被檢查模型的零件類型、繪圖軟件以及XX梁模型檢查需求報告查找合適的檢查工具(Q-Checker)，并定制檢查模板(XX 梁 .qcprofile)。最后，打開檢查工具Q-Checker，輸入XX梁與對應(yīng)檢查模板(XX梁.qcprofile)，并確定檢查結(jié)果形式(XML)、是否要自動修復(fù)等，隨后實施檢查，直至沒有錯誤，輸出檢查結(jié)果形成檢查報告。

圖7 系統(tǒng)應(yīng)用Fig.7 System application

6 結(jié)束語

結(jié)合生產(chǎn)實際，所開發(fā)的可定制的產(chǎn)品模型質(zhì)量檢查系統(tǒng)已經(jīng)在某飛機制造廠的部分專業(yè)廠得到了初步應(yīng)用。結(jié)果表明整個系統(tǒng)不論是從性能還是結(jié)構(gòu)組織上，都表現(xiàn)良好，并且界面友好，操作簡單，使用方便，具有一定的實用價值。

[1] 張智普, 陳海華.三維數(shù)字化模型質(zhì)量檢查技術(shù)研究．戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈控制技術(shù), 2010,27(3)：56-62.

[2] 馮潼能,王錚陽，宋婭.MBD技術(shù)在協(xié)同設(shè)計制造中的應(yīng)用.航空制造技術(shù), 2010(18)：64-67.

[3] Alemanni M, Destefanis F,Vezzetti E．Model-based definition design in the product lifecycle management scenario. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2011，52(1-4)：1-14.

[4] 熊光楞,張和明,李伯虎．并行工程在我國的研究與應(yīng)用.計算機集成制造系統(tǒng), 2006, 6(2)：526-530.

[5] 楊國強，危干軍．企業(yè)三維設(shè)計規(guī)范的制定和實施．航空標(biāo)準(zhǔn)化和質(zhì)量 , 2003(1)：38-39．

[6] Kumar S，Singh R，Sekhon G S．Cckbs：a component check knowledge-based system for assessing manufacturability of sheet metal parts．Journal of Materials Processing Technology，2006，172(1)：64-69．

[7] 敖永剛，萬敏，李新軍．基于KBE的飛機鈑金件工藝審查系統(tǒng)．北京航空航天大學(xué)學(xué)報, 2006,32(9)：1096-1099.