裝備制造企業(yè)基于MBD的質(zhì)量數(shù)字化轉(zhuǎn)型研究★

栗晚紅，趙 忠，張 虹

（山西汾西重工有限責(zé)任公司，山西 太原 030024）

1 裝備制造企業(yè)質(zhì)量檢驗(yàn)數(shù)字化過程存在的普遍問題

裝備制造企業(yè)在質(zhì)檢領(lǐng)域數(shù)字化信息化建設(shè)水平不高，質(zhì)檢環(huán)節(jié)存在重復(fù)抄錄設(shè)計工藝、圖紙技術(shù)要求，檢驗(yàn)過程無控制、手工填寫質(zhì)檢數(shù)據(jù)，質(zhì)檢報告以文檔分結(jié)構(gòu)化甚至直接以文件的方式管控的情況。主要問題體現(xiàn)在：

1）質(zhì)量策劃效率低。復(fù)雜裝備制造產(chǎn)品質(zhì)量要求高，檢驗(yàn)記錄單種類多，人工進(jìn)行填寫維護(hù)，工作量大，標(biāo)準(zhǔn)要求、未注公差等需要人工查詢手冊，工作效率低。

2）檢驗(yàn)要求下發(fā)銜接不順暢。目前檢驗(yàn)要求和質(zhì)檢數(shù)據(jù)基本是以文本、圖片等形式存儲，而生產(chǎn)過程的精細(xì)化管理需要檢驗(yàn)要求以數(shù)據(jù)的形式精準(zhǔn)下發(fā)還需質(zhì)檢人員參與干涉，才能完成質(zhì)檢數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

3）質(zhì)檢信息孤島。質(zhì)檢要求和質(zhì)檢數(shù)據(jù)多存于紙質(zhì)，數(shù)據(jù)無法實(shí)時查看或進(jìn)行數(shù)據(jù)再次利用，無法檢索和重現(xiàn)測量過程中的數(shù)據(jù)，不利于質(zhì)量追溯。

4）實(shí)測記錄效率低?，F(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)大多采用人工手動記錄，工作量大，手工抄錄效率低，人工判斷合格性，且存在滯后性問題。

5）缺乏有效分析。數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計通常需要手工計算，計算速度慢、準(zhǔn)確率低、實(shí)時性差。不具備對實(shí)測數(shù)據(jù)趨勢分析以及實(shí)時質(zhì)量結(jié)果原因判定和分析。文件存儲和管理質(zhì)量數(shù)據(jù)，不具備有效檢索和數(shù)據(jù)復(fù)用能力，數(shù)據(jù)的可追溯性較差，無法形成質(zhì)量改進(jìn)優(yōu)化的PDCA閉環(huán)。

因此，在具備基于MBD數(shù)字化應(yīng)用擴(kuò)展的復(fù)雜裝備制造業(yè)企業(yè)中，有必要探索基于MBD數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計—工藝—質(zhì)量—生產(chǎn)—檢測環(huán)節(jié)的業(yè)務(wù)模式研究和數(shù)字量傳遞相關(guān)技術(shù)，解決質(zhì)檢人工重復(fù)工作太多、數(shù)據(jù)難以有效管控和利用等問題，提升質(zhì)量策劃、檢驗(yàn)要求、現(xiàn)場測量等相關(guān)業(yè)務(wù)的執(zhí)行效率。

2 基于MBD數(shù)字化質(zhì)量檢驗(yàn)技術(shù)分析

山西汾西重工有限責(zé)任公司在裝備產(chǎn)品的數(shù)字化方面實(shí)現(xiàn)了基于MBD技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、現(xiàn)場基于MBD的輕量化工藝看板，為了打通數(shù)字化研制全過程，數(shù)字化檢測檢驗(yàn)是其中一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，檢測是制造的眼睛，通過基于MBD的數(shù)字化檢測檢驗(yàn)技術(shù)推進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計、工藝、制造的優(yōu)化應(yīng)用。

檢測包括檢測工藝規(guī)劃和檢測執(zhí)行兩部分，其檢測對象是最終的加工結(jié)果或加工過程中的工序模型。檢測工藝規(guī)劃將基于檢測的對象，確定檢測的內(nèi)容和方式。檢測的內(nèi)容在檢測工序模型上根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行描述，例如對檢測的尺寸和幾何形位公差進(jìn)行分類編號等。檢測執(zhí)行則是根據(jù)檢測工藝規(guī)定的內(nèi)容進(jìn)行實(shí)際的檢測，并將檢測結(jié)果返回保存。

基于MBD數(shù)字化質(zhì)量檢驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)主要包括：獲取、解析并轉(zhuǎn)換設(shè)計/工藝環(huán)節(jié)的模型數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、結(jié)構(gòu)化的解析；質(zhì)量檢測與企業(yè)其他業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)質(zhì)檢的關(guān)聯(lián)關(guān)系；檢測工藝策劃與檢驗(yàn)執(zhí)行規(guī)程的自動生成邏輯。

2.1 基于MBD檢驗(yàn)信息及解析表達(dá)

復(fù)雜裝備制造業(yè)多是“多品種、單件或小批量”的生產(chǎn)模式，產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境條件對零件加工、產(chǎn)品裝配精度要求較高。汾西重工是典型的多品種、小批量制造企業(yè)，設(shè)計環(huán)節(jié)三維數(shù)字化應(yīng)用走在企業(yè)前端，從設(shè)計的數(shù)字化應(yīng)用向工藝、制造、質(zhì)檢等環(huán)節(jié)的逐步應(yīng)用。

基于MBD的模型解析與表達(dá)，通過數(shù)字化手段實(shí)現(xiàn)基于模型的質(zhì)檢工藝策劃，利用數(shù)字化工藝模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化抽取，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化質(zhì)檢業(yè)務(wù)的重要輸入，同時也有效降低人工重復(fù)的質(zhì)量策劃工作?；谀Ｐ偷臋z驗(yàn)信息表達(dá)，是在設(shè)計模型基礎(chǔ)上形成的一套面向質(zhì)檢環(huán)節(jié)的工藝模型，其中檢驗(yàn)工藝模型主要包括：設(shè)計模型、零件（模型）屬性、檢驗(yàn)信息標(biāo)注及注釋。

基于面向檢驗(yàn)應(yīng)用的模型數(shù)據(jù)信息表達(dá)需求，對于檢測應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換—識別—解析—提取—完善等系列工作，應(yīng)將當(dāng)前多格式模型數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和轉(zhuǎn)換。按照模型數(shù)據(jù)提取篩選、顯示數(shù)據(jù)表示、模型簡化、數(shù)據(jù)組織管理、存儲壓縮的流程，結(jié)合任務(wù)需求將輕量化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為輕量化模型。

2.2 質(zhì)檢與產(chǎn)品生命周期其他環(huán)節(jié)的關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)分析

在復(fù)雜裝備制造企業(yè)，從業(yè)務(wù)之間關(guān)聯(lián)可以發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量檢驗(yàn)數(shù)據(jù)與工藝、產(chǎn)品以及企業(yè)檢驗(yàn)裝備資源、知識積累等數(shù)據(jù)對象間存在強(qiáng)關(guān)聯(lián)。質(zhì)檢策劃的技術(shù)要求，通常來自于產(chǎn)品和工藝數(shù)據(jù)以及產(chǎn)品和工藝關(guān)聯(lián)的MBD模型中表達(dá)的技術(shù)要求。質(zhì)量策劃及檢驗(yàn)任務(wù)的策劃，又通常與企業(yè)的質(zhì)量管理規(guī)則既有的，面向自制、外購、外協(xié)的，標(biāo)準(zhǔn)化的檢驗(yàn)要求有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

2.3 質(zhì)量策劃與檢驗(yàn)規(guī)劃業(yè)務(wù)及數(shù)據(jù)分析

以質(zhì)量策劃與檢驗(yàn)規(guī)劃的業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)開展分析，梳理其業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)、規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抽象分析規(guī)劃，分析其質(zhì)量策劃、檢驗(yàn)規(guī)劃以及面向復(fù)雜裝備制造企業(yè)的質(zhì)量數(shù)據(jù)的內(nèi)置結(jié)構(gòu)化與表格化，展示相關(guān)技術(shù)。

質(zhì)量策劃主要實(shí)現(xiàn)的兩項(xiàng)數(shù)據(jù)包括基于MBD模型自動抽取寫入質(zhì)量對象的數(shù)據(jù)以及根據(jù)企業(yè)自主的工藝知識和資源庫基于業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)規(guī)則設(shè)置的數(shù)據(jù)。檢驗(yàn)規(guī)劃：基于質(zhì)量策劃各項(xiàng)條目，規(guī)劃創(chuàng)建的數(shù)據(jù)：包括測量頻次、采樣計算方案、質(zhì)量合格方案等。

報表樣式（檢測規(guī)程文件模板）與檢測業(yè)務(wù)模型的關(guān)聯(lián)規(guī)則的定義，通過界面化的后臺模型與報表格式的配置，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)模型與報表樣式的配置關(guān)聯(lián)，為檢測數(shù)據(jù)的自動獲取提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)抽取機(jī)制。

業(yè)務(wù)模型屬性的關(guān)聯(lián)規(guī)則定義，例如典型零件尺寸類型與質(zhì)檢標(biāo)準(zhǔn)以及采樣方案質(zhì)檢是存在關(guān)聯(lián)關(guān)系的，可以通過規(guī)則的解構(gòu)，關(guān)聯(lián)條件設(shè)置實(shí)現(xiàn)交互匹配。

基于檢測業(yè)務(wù)模型之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則定義，可以實(shí)現(xiàn)檢測規(guī)劃過程的半自動化，基于檢測業(yè)務(wù)模型數(shù)據(jù)，與標(biāo)準(zhǔn)檢測規(guī)程模板樣式的數(shù)據(jù)抽取規(guī)則，實(shí)現(xiàn)檢測規(guī)程的自動生成。

3 裝備制造企業(yè)基于MBD數(shù)字化質(zhì)量檢測技術(shù)解決方案

公司在基于MBD數(shù)字化檢測關(guān)鍵技術(shù)與業(yè)務(wù)分析的基礎(chǔ)上，形成數(shù)字化質(zhì)量檢測解決方案，面向質(zhì)檢規(guī)劃與實(shí)測數(shù)據(jù)采集業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，全面覆蓋質(zhì)檢實(shí)測業(yè)務(wù)過程，實(shí)現(xiàn)全過程無紙化、數(shù)字化、可視化，提高企業(yè)檢驗(yàn)工藝編制效率，降低工作量與人為失誤，企業(yè)實(shí)時有效地利用實(shí)測數(shù)據(jù)過程數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)質(zhì)檢實(shí)測業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的全功能準(zhǔn)備，包括結(jié)構(gòu)化質(zhì)量策劃，質(zhì)檢方案策劃，可視化質(zhì)檢測量引導(dǎo)，實(shí)時的質(zhì)檢數(shù)據(jù)采集，可定制擴(kuò)展的實(shí)測數(shù)據(jù)分析。

3.1 三維數(shù)據(jù)輕量化轉(zhuǎn)換

考慮到對異構(gòu)CAD的承接能力，通過wav三維輕量化模式轉(zhuǎn)換服務(wù)，將設(shè)計PMI信息、屬性信息等同步提取，可以通過三維可視化質(zhì)檢規(guī)劃工具進(jìn)行尺寸交互瀏覽。

支持面向檢驗(yàn)規(guī)劃應(yīng)用的PMI信息（尺寸、表面粗糙度、幾何公差、技術(shù)要求等）的提取、結(jié)構(gòu)化保存以及與數(shù)模中PMI的互動高亮。

識別解析檢驗(yàn)特征，支持后續(xù)基于內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)測量規(guī)范實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)方案的智能推薦以及檢驗(yàn)工具的智能關(guān)聯(lián)、推薦。

識別基于原模型設(shè)計視圖的PMI信息組織，可以在轉(zhuǎn)換后通過切換原有定義的視圖實(shí)現(xiàn)質(zhì)檢信息要求的可視化瀏覽。

3.2 可視化質(zhì)量策劃

三維轉(zhuǎn)換輸出的模型及其關(guān)聯(lián)的PMI信息是下一步開展可視化質(zhì)檢要求策劃的關(guān)鍵輸入。根據(jù)企業(yè)質(zhì)檢策劃業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)需要定義、管理的關(guān)鍵屬性信息，定制質(zhì)檢策劃界面，將提取出的與模型關(guān)聯(lián)的質(zhì)檢要求信息填充到質(zhì)檢要求策劃的相關(guān)屬性內(nèi)。結(jié)構(gòu)化質(zhì)檢數(shù)據(jù)和圖中質(zhì)檢信息可雙向聯(lián)動。

基于三維模型中提取的PMI信息可以直接在視圖區(qū)中選擇相應(yīng)的尺寸填充到需要的屬性列中，填充后的尺寸列與模型中尺寸保持雙向高亮交互。

如前期對于質(zhì)檢要求策劃進(jìn)行充分的分類分解，即可實(shí)現(xiàn)基于模型PMI信息類型實(shí)現(xiàn)尺寸列的自動填充，即尺寸標(biāo)注、尺寸公差、形位公差、粗糙度、技術(shù)條件的獲取，判斷尺寸類型并進(jìn)行特征匹配。

此外，系統(tǒng)提供防重復(fù)判斷機(jī)制，防止尺寸填充分配過程中出現(xiàn)錯漏、重復(fù)等問題。

3.3 檢驗(yàn)規(guī)劃

獲取質(zhì)量要求完成后，需要針對質(zhì)量要求的不同，定義其檢驗(yàn)方法以及檢驗(yàn)工具。針對不同的尺寸特征，檢驗(yàn)工具多種多樣，每種檢驗(yàn)工具的使用方法又存在差異。通過知識資源庫的創(chuàng)建和持續(xù)更新，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量檢測工具和檢驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)化和知識沉淀。在檢驗(yàn)規(guī)劃時支持定制符合相關(guān)質(zhì)檢標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則，并實(shí)現(xiàn)設(shè)計指標(biāo)、關(guān)鍵PMI值與檢驗(yàn)要求的關(guān)聯(lián)創(chuàng)建。

質(zhì)檢要求規(guī)劃完成后，部分業(yè)務(wù)分工相對明確的企業(yè)還需要對具體的測量方案進(jìn)行進(jìn)一步的規(guī)劃分析。測量規(guī)劃主要涵蓋的內(nèi)容包括：測量方法的設(shè)定、取值的選擇方式，根據(jù)質(zhì)檢項(xiàng)規(guī)劃測量的方案，如測試的組數(shù)、一組測量的數(shù)據(jù)量、測量方式、測量的儀器通道、測量數(shù)據(jù)選擇規(guī)則等。

3.4 實(shí)測數(shù)據(jù)采集

完成檢驗(yàn)策劃后，在實(shí)測數(shù)據(jù)自動化采集系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)測數(shù)據(jù)采集填報。實(shí)測數(shù)據(jù)自動化采集系統(tǒng)與數(shù)字化量具設(shè)備進(jìn)行集成，配置檢驗(yàn)要求與檢驗(yàn)工具集成接口和方法。實(shí)現(xiàn)實(shí)測數(shù)據(jù)自動化采集系統(tǒng)與硬件設(shè)備之間的互聯(lián)互通，構(gòu)建在先進(jìn)的工業(yè)控制總線網(wǎng)絡(luò)上，運(yùn)行于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫環(huán)境下，能夠采集工件的質(zhì)量數(shù)據(jù)，通過有效的數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造過程高效有序地流動和科學(xué)管理，以滿足提升質(zhì)量和效率的需要。

針對數(shù)字化采集設(shè)備現(xiàn)狀，對待采集設(shè)備進(jìn)行分配包括：支持?jǐn)?shù)字化直連采集設(shè)備、可輸出報告解析設(shè)備以及傳統(tǒng)非數(shù)字化設(shè)備三種情況。

在實(shí)測數(shù)據(jù)自動化采集系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)測數(shù)據(jù)采集填報。實(shí)測數(shù)據(jù)自動化采集系統(tǒng)與數(shù)字化量具設(shè)備進(jìn)行集成，通過與數(shù)字化檢測工具連接，現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)自動填報到系統(tǒng)中進(jìn)行計算分析。

在實(shí)測數(shù)據(jù)自動化采集系統(tǒng)中選中要測量的PMI值，點(diǎn)擊實(shí)測欄，彈出實(shí)測數(shù)據(jù)表；通過數(shù)字化量具按實(shí)測數(shù)據(jù)表中的測量組數(shù)進(jìn)行測量；完成測量后，點(diǎn)擊計算，按照提前策劃的測量方案得出數(shù)值；點(diǎn)擊確定，將計算結(jié)果返回到實(shí)測欄內(nèi)。同時，也會自動填寫到質(zhì)檢實(shí)測數(shù)據(jù)表中。實(shí)測結(jié)果與理論P(yáng)MI值進(jìn)行比對，不合格項(xiàng)警告色顯示。點(diǎn)擊保存數(shù)據(jù)，測量結(jié)果被凍結(jié)，不允許進(jìn)行修改。

4 基于MBD數(shù)字化檢測技術(shù)的推廣價值

本文通過分析中國對基于MBD的數(shù)字化質(zhì)檢技術(shù)的研究，對MBD在產(chǎn)品生命周期質(zhì)量檢測檢驗(yàn)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。通過基于三維模型的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集，解決復(fù)雜裝備企業(yè)質(zhì)檢業(yè)務(wù)中人工錄入工作量大和低效的問題；基于MBD的數(shù)字化質(zhì)檢方案能夠?qū)崿F(xiàn)質(zhì)檢過程直觀可視化，模型圖紙中的尺寸與提取列表中雙向關(guān)聯(lián)，直觀可視化的方式避免歧義問題?；贛BD的結(jié)構(gòu)化質(zhì)檢數(shù)據(jù)建模，以及設(shè)計-工藝-質(zhì)量-檢驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和自動匹配技術(shù)，為質(zhì)量檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的共享、傳遞、分析奠定了基礎(chǔ)，也為企業(yè)PDCA閉環(huán)管理和質(zhì)量追溯提供了業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

此外，可以通過與數(shù)字化檢測設(shè)備集成，實(shí)現(xiàn)實(shí)測數(shù)據(jù)自動填報，不僅避免測量后人工填寫的大量工作，規(guī)避了人為失誤，同時也為復(fù)雜裝備制造業(yè)基于CPS的智能制造提供了典型的落地應(yīng)用場景。