數(shù)字化模型質(zhì)量檢查技術(shù)研究與應(yīng)用

楊 報

隨著我國航空企業(yè)信息化建設(shè)的不斷深入以及計算機輔助設(shè)計（Computer Aided Design，CAD）技術(shù)的不斷發(fā)展，3維數(shù)字化設(shè)計越來越多地應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計中，我國航空信息化已基本實現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計過程的數(shù)字化、無紙化，基于模型的定義（Model Based Define，MBD）技術(shù)應(yīng)用日漸成熟，飛機研制周期得到明顯縮短，產(chǎn)品質(zhì)量得到明顯提高。

在MBD技術(shù)的實施過程中，3維平臺的建模要求、2維制圖規(guī)定、3維產(chǎn)品幾何模型設(shè)計要求等建模規(guī)范被制定和實施，不僅規(guī)范了設(shè)計，同時保證了并行工程的順利進行。在MBD模式的產(chǎn)品研制過程中，CAD模型已經(jīng)是產(chǎn)品研制的唯一數(shù)據(jù)源，CAD模型的質(zhì)量直接影響到下游工藝設(shè)計、工裝設(shè)計、生產(chǎn)制造、數(shù)字檢驗、維護支持等產(chǎn)品全生命周期的使用，可以說，CAD數(shù)模的質(zhì)量就是生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量。

在產(chǎn)品數(shù)模質(zhì)量檢查方面，在航空行業(yè)內(nèi)，已經(jīng)開始擺脫傳統(tǒng)人工檢查的方式，制定模型質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)，進而采用信息化的手段，依據(jù)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)要求，通過數(shù)字化模型質(zhì)量檢查技術(shù)對CAD數(shù)模進行快捷檢查，并對檢查結(jié)果進行有效管理統(tǒng)計分析，控制模型質(zhì)量，總結(jié)設(shè)計經(jīng)驗，不斷提高設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化水平，使企業(yè)的CAD模型數(shù)據(jù)及文件符合產(chǎn)品數(shù)字化定義的總要求，從而推進航空產(chǎn)品制造業(yè)的快速發(fā)展。

1 數(shù)字化模型質(zhì)量檢查技術(shù)的研究目的

1.1 改變傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化審查方式

目前大部分企業(yè)對產(chǎn)品3維設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化審查方式還依然采用人工的方式，這種傳統(tǒng)的方式成本高、效率低，而且有些模型質(zhì)量的錯誤采用人工方法是無法檢查到的。通過使用數(shù)字化模型質(zhì)量檢查工具，不但可以檢查單一的CAD數(shù)據(jù)文件，還可以進行批量審查，同時可以對檢查項進行客戶化配置管理，在很大程度上提高設(shè)計效率，不易產(chǎn)生錯誤，而且可以通過相關(guān)的統(tǒng)計分析程序?qū)Τ霈F(xiàn)的錯誤進行統(tǒng)計分析，幫助企業(yè)完善相關(guān)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 提高產(chǎn)品設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化

設(shè)計人員是產(chǎn)品CAD模型數(shù)據(jù)質(zhì)量的第一責(zé)任人。對于設(shè)計人員來說，如果模型中出現(xiàn)了數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，尋找和改正這些問題是極其費時費力的，有時不得不重新建立模型。因此，企業(yè)應(yīng)建立相應(yīng)的監(jiān)督與管理機制，引導(dǎo)和約束設(shè)計人員在產(chǎn)品CAD 建模過程中遵循相應(yīng)的規(guī)范。除此之外，對設(shè)計人員CAD建模的不規(guī)范進行統(tǒng)計分析，這樣企業(yè)可以比較準(zhǔn)確地把握設(shè)計人員建模過程中的常見錯誤，從而進行有針對性的培訓(xùn)。同時，便于設(shè)計人員及時更正錯誤和養(yǎng)成規(guī)范建模的好習(xí)慣。

2 國內(nèi)外數(shù)字化模型質(zhì)量檢查技術(shù)的研究現(xiàn)狀

目前，CAD產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)質(zhì)量已經(jīng)受到了國內(nèi)外一些大企業(yè)的重視，對模型質(zhì)量檢查軟件方面的需求也極其迫切。一些制造企業(yè)與專業(yè)的軟件公司合作，已經(jīng)開發(fā)出了一些成熟的CAD模型質(zhì)量檢查系統(tǒng)，例如，Prescient QA、MQC（Model Quality Check）、PDQ（Product Data Quality）、Model Check（Pro/E）、Q-Check（CATIA）、Check-Mate（UG）等軟件產(chǎn)品，并且在國內(nèi)外大型制造企業(yè)里得到了很好的應(yīng)用。

美國洛克希德·馬丁公司在2000年就開始使用Prescient QA 軟件系統(tǒng)，通過使用該套系統(tǒng)，洛克希德·馬丁公司對企業(yè)及其供應(yīng)商提供的設(shè)計產(chǎn)品進行嚴格的標(biāo)準(zhǔn)化檢查，大大提高了產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量和新產(chǎn)品的市場投放速度，很多以前經(jīng)常在產(chǎn)品制造過程中才能發(fā)現(xiàn)的缺陷，在模型質(zhì)量檢查軟件的檢查過程中大部分能被發(fā)現(xiàn)，因此，產(chǎn)品的報廢率和生產(chǎn)成本均有明顯下降。美國波音、GM公司從2001年開始使用MQC（Model Quality Check）系統(tǒng)。通過MQC很好地解決了來自世界各國的零部件配套商提供的產(chǎn)品圖紙的不一致問題。

這些成功的應(yīng)用表明，CAD 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制是在CAD/CAM 等軟件大規(guī)模普及應(yīng)用之后第2個工業(yè)數(shù)字化技術(shù)的熱點，這也是CAD/CAM 技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用后的必然結(jié)果。

當(dāng)前，在航空行業(yè)內(nèi)，MBD技術(shù)的成功實施，將工程技術(shù)人員從傳統(tǒng)的以2維圖紙作為產(chǎn)品制造的唯一依據(jù)的工作方式中解放出來，給飛機研制手段和研制過程帶來了革命性的變化。通過在3維模型上定義完整的產(chǎn)品定義信息，替換過去的依靠2維圖樣飛機定義方式。使得設(shè)計、工藝、工裝等參與飛機研制的人員能夠在直觀且語義信息豐富的3維可視化環(huán)境下進行并行研制和溝通交流，有助于飛機研制周期的縮短和產(chǎn)品質(zhì)量的提高。

在飛機研制過程中，MBD模型設(shè)計質(zhì)量直接關(guān)系到后續(xù)工藝設(shè)計、工裝設(shè)計、生產(chǎn)制造等階段的產(chǎn)品質(zhì)量，因此保證MBD模型幾何特征、注釋信息的規(guī)范性是企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化工作的一個很重要的組成部分，只有統(tǒng)一了標(biāo)準(zhǔn)并嚴格依照標(biāo)準(zhǔn)要求進行檢查，才會使企業(yè)的MBD模型及文件符合產(chǎn)品數(shù)字化定義的總要求。

3 影響數(shù)字化模型質(zhì)量的主要因素

根據(jù)GB/T 18784-2002《CAD/CAM數(shù)據(jù)質(zhì)量》，影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素主要有設(shè)計方法、用戶知識/培訓(xùn)、CAD系統(tǒng)程序、檢查程序、數(shù)據(jù)交互、修復(fù)等。對于CAD模型來說，影響模型數(shù)據(jù)質(zhì)量的最主要因素是CAD設(shè)計所應(yīng)用的方法。采用適合于產(chǎn)品、材料、制造過程和CAD系統(tǒng)的設(shè)計方法是保證高質(zhì)量CAD設(shè)計的基礎(chǔ)，這樣的CAD模型數(shù)據(jù)可以在后續(xù)的過程中使用而不必加以修改，最大程度地提高CAD模型數(shù)據(jù)在下游研制階段的重用性。若數(shù)據(jù)質(zhì)量不好，在后續(xù)處理過程例如倒圓、數(shù)控程序生成、數(shù)據(jù)交換、STL文件生成和有限元網(wǎng)格生成中，會造成各種各樣的問題，從而帶來大量的修改返工問題。

4 數(shù)字化模型質(zhì)量檢查的原則、方法與步驟

由于影響模型質(zhì)量的主要原因是在模型建模過程中產(chǎn)生的，故需要在模型建模時就需要對模型質(zhì)量進行檢查和控制。

模型質(zhì)量檢查的基本原則是：

● 以產(chǎn)品規(guī)范及相關(guān)建模標(biāo)準(zhǔn)等為技術(shù)依據(jù)；

● 以模型的有效性和規(guī)范性檢查為重點；

● 在設(shè)計的各個環(huán)節(jié)進行，并在數(shù)據(jù)交換/數(shù)據(jù)發(fā)放前完成。

模型質(zhì)量檢查方法主要是根據(jù)檢查規(guī)范和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，通過特定的模型檢查程序，對CAD模型進行自動檢查和交互檢查，對于特殊模型，根據(jù)產(chǎn)品特點、產(chǎn)品功能或物理要求進行特殊內(nèi)容檢查。

模型質(zhì)量檢查的基本步驟為：

● 依據(jù)檢查規(guī)范和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，制定檢查項，并確定判定值、錯誤級別和錯誤描述；

● 根據(jù)業(yè)務(wù)需求，制定特定檢查集，并配置檢查項；

● 通過模型質(zhì)量檢查程序，對目標(biāo)CAD模型進行質(zhì)量檢查；

● 保存模型質(zhì)量檢查結(jié)果，輸出模型質(zhì)量檢查報告；

● 對模型質(zhì)量檢查結(jié)果進行統(tǒng)計分析，提高建模的規(guī)范性。

5 檢查項與檢查集的確定

5.1 檢查項的確定

檢查項是對模型文件進行規(guī)范檢查的單個標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。檢查項的內(nèi)容分為設(shè)計規(guī)范要求和幾何數(shù)據(jù)質(zhì)量這兩大類。

● 設(shè)計規(guī)范要求檢查項

包括基本規(guī)范要求、實體建模規(guī)范要求、裝配建模規(guī)范要求、工程圖規(guī)范要求等。如裝配檢查包括：裝配體干涉檢查、裝配定位和約束檢查、零件和子裝配隱藏檢查、裝配組件材料檢查等檢查項。

● 幾何數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查項

包括曲線數(shù)據(jù)質(zhì)量、曲面數(shù)據(jù)質(zhì)量、拓撲關(guān)系數(shù)據(jù)質(zhì)量、實體數(shù)據(jù)質(zhì)量等。例如，曲面檢查包括：微小曲面、連續(xù)性、多項式次數(shù)、最小曲率半徑、邊界曲線之間的夾角等檢查項。

檢查項的內(nèi)容除了檢查標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范外，還包含每個檢查項的判定值、錯誤級別、錯誤描述等。

● 判定值

即檢查標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，某檢查項設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)值的統(tǒng)稱。通過設(shè)置檢查項的判定值，可實現(xiàn)相同檢查項在不同部門、不同人員檢查過程中的依據(jù)的檢查規(guī)范不同。例如在檢查曲線的C0、C1、C2級連續(xù)性時，可根據(jù)部門或人員的不同，設(shè)置判定值為0、1、2，從而實現(xiàn)不同人員對相同模型的檢查標(biāo)準(zhǔn)不同。

● 錯誤級別

對檢查項的錯誤情況進行分級管理，設(shè)置某一檢查項的錯誤級別，可方便管理檢查過程與檢查結(jié)果。如根據(jù)需求，可將檢查項的級別分為1、2，當(dāng)檢查結(jié)果中出現(xiàn)級別為3的檢查項，表示該模型的質(zhì)量檢查不通過，需要設(shè)計人員修改模型，同時不允許該檢查結(jié)果提交。

● 錯誤描述

檢查項的錯誤描述，主要是在該檢查項檢查發(fā)生錯誤時，向使用人員提示錯誤內(nèi)容描述，使用人員可根據(jù)錯誤描述的提示，方便修改設(shè)計過程中的錯誤。

在檢查項的確定過程中，可以對每個檢查項的判定值、錯誤級別、錯誤描述等進行自定義，實現(xiàn)檢查項的客戶化配置管理。

5.2 檢查集的確定

根據(jù)被檢查的產(chǎn)品型號特性，在已有的全部檢查項中選擇符合該產(chǎn)品審查要求的檢查項，組成一個檢查集。檢查集初步設(shè)計方案如表1所示。

在檢查集的確定過程中，通過將不同的檢查項歸集到不同的檢查集下，并對檢查項的判定值、錯誤級別等進行自定義，可以對不同部門、不同人員配置不同的檢查集，從而實現(xiàn)根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求對檢查集進行自定義配置管理。

表1 檢查集功能

6 數(shù)字化模型質(zhì)量檢查技術(shù)的應(yīng)用

6.1 檢查集配置的應(yīng)用

在模型質(zhì)量檢查系統(tǒng)設(shè)計過程中，確定了所有需要檢查的對象，并根據(jù)檢查對象確定檢查集。在實際應(yīng)用中，這些所定制的所有檢查項并不一定都會用到，且檢查項標(biāo)準(zhǔn)值會根據(jù)設(shè)計階段、產(chǎn)品型號等發(fā)生變化。因此，需要建立不同的檢查標(biāo)準(zhǔn)來供設(shè)計人員使用。

例如，根據(jù)專業(yè)、設(shè)計階段的不同，檢查標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)不同的模型類型進行分類，可以分為結(jié)構(gòu)檢查集、電氣檢查集、成熟度檢查集等，檢查模型時只選用一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)自動調(diào)用對應(yīng)的不同專業(yè)、不同階段的檢查集對模型進行質(zhì)量檢查，避免人工選擇多個檢查標(biāo)準(zhǔn)的誤操作。

檢查集配置管理模塊功能可以滿足檢查集配置、檢查項定制、判定值輸入等功能業(yè)務(wù)需求。

6.2 模型質(zhì)量檢查執(zhí)行的應(yīng)用

在確定檢查項和檢查集后，通過檢查集配置管理模塊對檢查項和檢查集進行客戶化定義后，就可以對目標(biāo)模型進行模型質(zhì)量檢查，從而可以引導(dǎo)和約束設(shè)計人員遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進行建模，提高建模質(zhì)量和建模效率。

● 模型質(zhì)量檢查的執(zhí)行

設(shè)計人員在對模型進行檢查時，首先要選擇相應(yīng)的檢查集，查看檢查集下包含的檢查項及詳細信息后，對模型進行質(zhì)量檢查?？梢圆榭礄z查結(jié)果，對未通過的檢查項可以查看其詳細特征信息。

● 錯誤特征的高亮顯示

為了方便跟蹤模型質(zhì)量出錯信息，模型質(zhì)量檢查系統(tǒng)提供錯誤特征高亮顯示，便于設(shè)計人員迅速查看到錯誤信息，以便修改。

● 檢查項的自動修復(fù)

為了提高建模效率，模型質(zhì)量檢查系統(tǒng)提供檢測項錯誤特征自動修復(fù)功能，可以使設(shè)計人員快速一鍵批量修復(fù)錯誤建模特征，節(jié)約模型修復(fù)時間。

● 檢查結(jié)果的保存及查詢

對通過模型質(zhì)量檢查的模型的檢查信息，可以上傳到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中或保存在本地文件中，便于以后查閱審核并對檢查結(jié)果進行統(tǒng)計分析。同時，設(shè)計人員可以對當(dāng)前模型的檢查信息進行查詢，了解模型的質(zhì)量檢查歷史情況。

6.3 檢查結(jié)果統(tǒng)計分析的應(yīng)用

模型質(zhì)量檢查執(zhí)行后，對于檢查結(jié)果的處理，分為統(tǒng)計、分析兩部分功能。通過檢查結(jié)果的統(tǒng)計與分析，可以統(tǒng)計分析各組的不規(guī)范數(shù)據(jù)，例如按檢測集、檢測人、檢測時間等統(tǒng)計。設(shè)計人員可以登陸系統(tǒng)查看自己的歷史不規(guī)范數(shù)據(jù)統(tǒng)計，對于普遍存在、出現(xiàn)頻率高的問題予以重視，并統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

7 結(jié)束語

目前，傳統(tǒng)數(shù)字化模型質(zhì)量的檢查方法已不能滿足企業(yè)實際需求，其弊端主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

● 標(biāo)準(zhǔn)化審查工作以人工方式進行，工作量大、效率低、準(zhǔn)確性不易保證

由于沒有行之有效的輔助應(yīng)用工具，企業(yè)中對模型的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化審查方式主要是采用人工的方式。人工審查方式主要是人工參照國標(biāo)、國軍標(biāo)、航標(biāo)、企標(biāo)等標(biāo)準(zhǔn)，在打印的工程圖上進行審查或者在CAD、PDM、PLM 中對2維工程圖紙、3維模型進行審查和注釋。企業(yè)內(nèi)部或者協(xié)作企業(yè)之間對產(chǎn)品CAD 模型有規(guī)范性和正確性要求，但是沒有便捷的檢驗工具。

● 審查存在滯后性與事后性

打印出紙型文件再進行人工檢測的方式有嚴重的滯后性，往往是在設(shè)計師設(shè)計完畢一段時間后，標(biāo)準(zhǔn)化審查人員才進行審查，存在滯后性與事后性。如果不能在建模過程中對模型進行實時檢查，并提示設(shè)計師進行更改，數(shù)據(jù)流入下一節(jié)點后必然要進行返工修改。

● 有些3維建模、審查規(guī)范無法用人工方式審查

多余實體、零厚度實體等問題，用人工方式無法快速檢查出來。例如，重復(fù)線條或細小的不連續(xù)線段，在打印的工程圖上，人工肉眼沒有辦法審查出來。但使用這些圖紙生成NC代碼后，在數(shù)控機床上進行加工時會出現(xiàn)重復(fù)走刀或不走刀的現(xiàn)象，影響加工效率。

采用數(shù)字化模型質(zhì)量檢查技術(shù)，可以為企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化及管理部門人員提供一套完整的模型質(zhì)量檢查解決方案，一方面幫助企業(yè)完善模型設(shè)計和檢查標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；另一方面解決手工狀態(tài)下模型質(zhì)量檢查過程中工作量大、效率低的問題，并快速準(zhǔn)確地檢查設(shè)計過程中形成的諸如零件設(shè)計標(biāo)注等不規(guī)范、不合理的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)動態(tài)配置檢查集、自動實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化檢查的功能。

通過數(shù)字化模型質(zhì)量檢查技術(shù)的應(yīng)用，可以建立CAD模型檢查的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，引導(dǎo)和約束設(shè)計人員遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進行建模，統(tǒng)計和分析設(shè)計人員建模的不規(guī)范性。同時，通過模型質(zhì)量檢查的CAD數(shù)據(jù)模型，有利于建立符合MBD技術(shù)體系中單一數(shù)據(jù)源的要求，從而進一步推動MBD技術(shù)在我國航空產(chǎn)品數(shù)字化研制中的應(yīng)用實施。