飛機零件MBD模型規范性檢查知識庫技術*

□ 王 凱 □ 許建新 □ 蒲 娟 □ 王 成

西北工業大學 機電學院制造軟件研究所 西安 710072

在數字化設計與制造環境下，三維CAD模型是數字化信息鏈的源頭，是工程分析、虛擬裝配、數字樣機、數控加工等的數據基礎。但是，在產品三維CAD建模過程中，由于種種原因會出現數據質量上的缺陷和不規范，這些缺陷和不規范可能會引起后續使用的各種問題。比如曲面上某點處的曲率半徑過小，將使后續的數控加工不能正常進行。更為嚴重的是，數據質量的缺陷，如果不能在設計階段被及時發現和改正，由此引起的產品質量問題可能在制造甚至產品使用階段才能被發現，這會給企業帶來產品設計周期延長以及直接的經濟損失。

在飛機制造領域，產品品種多、批量小、要求高、研制周期長、使用周期短，這就要求工藝技術具有足夠的快速應變能力，要求在軍工企業型號產品研制過程中，需要對新設計產品的零部件的結構、材料、精度要求等方面進行審查，以確定產品的可制造性。而在企業中，可制造性評價往往也由工藝人員憑個人的技術經驗積累進行，速度慢，效率低，很難適應現代社會多品種、小批量的市場需求。因此，對于飛機制造企業來說，建立面向并行工程的產品模型規范知識庫顯得尤為重要，從而有利于設計人員、工藝工裝人員以及加工人員更好地協調［1］。

鑒于目前企業現狀，根據航空工業關于MBD技術的規范手冊以及產品設計/制造各階段人員的經驗，研究開發了一套飛機零件MBD模型規范性檢查知識庫技術，并提出了“模型信息輸入-知識搜索匹配-檢查規范配置”模式的檢查規范報表定制流程。在企業里，設計人員、工藝人員、工裝人員以及生產加工人員可以根據產品模型信息進行規范的檢索，形成零件檢查規范報表，并最終打印出來供使用或參考。

1 基于MBD的產品模型質量控制體系

1.1 MBD概念

MBD技術是目前飛機行業領域推行的新一代產品定義方法，其核心是全三維的特征表述、并行協同的文檔驅動模式、高度工程化等。 MBD（ModelBased Definition），即基于模型的定義，是一種面向計算機應用的產品數字化定義技術，其核心思想是用一個集成的三維實體模型完整地表達產品定義信息，實現面向制造的設計。即將設計信息和制造信息 （產品幾何信息、三維尺寸標注及各種工藝信息等）共同定義到產品的三維數字化模型中，保證設計數據的唯一性［2］。

▲圖1 基于MBD技術的產品模型質量控制體系

采用MBD制造技術后，MBD模型成為產品幾何與非幾何信息的唯一載體。因此，MBD模型不僅成為產品設計過程中同一零部件設計對象的唯一輸出結果，也成為工藝、工裝等部門直接開展工藝和工裝設計的唯一數據源。同時，MBD模型為實現產品結構設計、工藝設計、工裝設計的一體化管理創造了技術條件，從而真正形成可操作、可實施的產品協同設計過程［3］。

1.2 基于MBD的產品模型質量控制體系

為了全面考慮設計、制造各階段對于產品三維模型的要求，保證最終產品三維模型的品質，提出了基于MBD技術的產品模型質量控制體系。依據零件MBD模型的結構樹，考慮并行工程的要求，對于每一項建立合適的檢查規范要素，包含圖形的顯示/隱藏、實體的規范性、參數的規范性以及工藝性審查等要素，具體的質量控制體系見圖1。

基于MBD技術的產品模型質量控制體系包含了產品設計/制造的各方面要素，能為后期知識庫的建立提供全面的依據，保證了最終產品的質量。

這些規范要素從大的方面分為兩類，一是幾何信息的規范性，二是非幾何信息的規范性。

1.2.1 幾何信息的規范性

（1）工程幾何信息（Engineering Geometry），主要包含坐標系和基準面的規范性；

（2）外部參考（External References），主要包含關聯關系的規范性；

（3）構建幾何（Construction Geometry），主要包含在工程幾何和外部參考的基礎上構建的零件實體所需的幾何數據的規范性；

（4）零件實體（Part Body），主要包含總體特征規范要素、獨立特征規范要素、工藝凸臺規范要素等。1.2.2 非幾何信息的規范性

（1）標準說明（Standard Notes），主要包含知識產權和有關管理信息的規范性；

（2）零件說明（Part Notes），主要包含制造工藝要求的規范性；

（3）標注說明（Annotation Notes），主要包含旗注（FlagNote）和旗注說明的規范性；

（4）標注設置 （Annotations Set），主要包含基準、尺寸和公差標注的規范性；

（5）材料描述（Material Description），主要包含原材料需求定義的規范性;

（6）其它定義數據，主要包含審核狀態標記（Approval Status） 和出 口控制 標 記 （Export Control Classification Number，ECCN）的規范性。

2 飛機零件檢查需求分析

飛機零件種類繁多、結構復雜，在產品設計、制造各階段都有不同的要求，這使檢查規范的需求分析變得異常困難。為了后期建立的檢查規范全面可靠以及數據模型建立的方便性，根據實際的各專業廠調研以及MBD技術的要求，可以按照下面六大類進行飛機零件MBD模型的檢查需求分析，包括合理性、穩健性、標準化、高效性、經濟性以及可加工性。

（1）合理性。機器的整體布局和整體結構應盡可能簡單（以便于加工、檢測、裝配和維護）；產品各部分、各總成之間裝配關系是否合理，結構是否便于裝配定位；操作空間是否足夠；零件要有足夠的工藝通路（考慮刀具的尺寸和可達性），以避免零件上出現無法加工的區域；定位基準應合理，并盡量統一，以保證加工精度和便于裝夾；去除細小的面；進行合理的容差分配；凹槽深度應該小于上限值。

（2）穩健性。把零件的幾個加工表面布置在同一個平面上或是同一個軸線上（可以減小形位誤差,提高零件的質量）；采用強力切削，必須考慮零件的結構應有足夠的剛度 （避免由于切削時的振動而影響零件的表面粗糙度）；在保證零件的設計強度和剛度要求的前提下，應根據載荷的分布情況合理地選擇零件截面尺寸和形狀、并盡可能減重；應盡量采用可以提高零件抗疲勞性能的措施，如采取截面變化均勻過渡，盡量采取合理的倒圓、增加加強槽和窩，以降低應力集中；槽深度與底角半徑比≤3.5。

（3）標準化。設計標準化與零件的各種參數和結構要素標準化，以簡化刀具和量具的品種及規格；骨架結構、蒙皮結構是否適于現有工藝手段進行，如焊接、點焊、脹拉等工藝手段進行加工、裝配；應盡量采用CATIA所具有的特征定義的方法進行設計，以便于零件的更改和制造過程中的識別；盡可能用直線、平面或直母線的旋轉體來設計零件形狀。

（4）高效性。要盡量減少加工表面數量和加工表面面積,合理地確定毛坯尺寸；各調整點、維修點是否便于接近，空間是否足夠；須拆卸處是否便于拆卸、安裝；用最少的PATCH來生成曲面，以滿足制造和設計對曲面的準確性和光滑性的要求；用盡可能少的曲面構造外形；盡可能不生成三角曲面片，避免在曲面片尖點處發生法矢倒轉；避免將曲率完全不同的域組合到一張曲面中，應分割曲率差別較大的曲面；零件的建模順序應盡可能與機械加工順序一致；銑床加工的零件應設計相對統一的圓角半徑，以減少刀具種類和加工工序；設計基準與工藝基準應盡量統一，以避免加工過程復雜化，同時可獲得較高的加工精度和較好的零件互換性，也可簡化零件檢測；相同的結構要素應盡可能統一尺寸，以簡化制造過程；倒角、底角要統一。

（5）經濟性。合理地選擇材料并正確地確定尺寸；選擇合理的配合面，盡量減少和縮小基準面和精加工面。

（6）可加工性。對非直紋曲面，用低階數的曲線來生成曲面的控制曲線；應盡可能地采用直紋曲面；外形曲面片的劃分應便于加工和成形；需要鉆孔的零件應有良好的可操作性和可達性，例如方孔、長方孔、帶銑槽的孔、套齒孔等一般不能設計成盲孔；非直紋面轉化成直紋面；避免閉角殘留；角半徑一般要大于刀具半徑0.5mm；避免零件上的凸起實體［4］。

3 知識庫結構

飛機零件MBD模型規范性檢查知識庫的關鍵技術就是檢查規范數據模型的建立，通過上面檢查規范六大類的需求分析，結合零件設計/制造各階段的不同要求，可以對檢查規范進行如下的分類和數據模型的建立。

3.1 檢查規范的分類

航空制造企業零件種類繁多，而且基于MBD技術的產品三維模型包含了產品從設計到制造的各階段信息，這導致飛機零件檢查規范分類困難。為了解決這些難題，以產品類型、模型類型以及標準、幾何、設計方法三大類進行規范的劃分。在此三大類下面又根據產品類型以及模型類型的不同進行檢查集細分，比如，命名規范檢查、結構樹檢查、草圖檢查、三維標注檢查、工程圖檢查、通用設置檢查、曲線檢查、曲面檢查、面體檢查、視圖檢查、顯示檢查、加工檢查等，圖2是檢查規范的分類。

3.2 檢查規范數據模型的建立

在歸納總結國標、行業標準、企業標準、設計經驗以及檢查經驗的基礎上，建立零件模型設計規范。采用知識的形式化表達方法，構建零件模型檢查規范，最后采用數據庫方式表示出檢查規范描述性知識。最終形成的檢查規范數據模型包括規范編號、規范中文名稱、規范英文名稱、零件類型、模型類型、所屬檢查集、功能描述、判定值集合、判定值配置說明、來源、錯誤級別等，錯誤級別數值越高，對應的錯誤越嚴重。下面以其中一條關于倒角的規范“不允許的倒角角度”，說明檢查規范數據模型的知識化表達。

▲圖2 檢查規范分類

NormNum：0010

NormChName：不允許的倒角角度

NormEnName：Non-AllowedChamferAngle

PartType：機加工件、鈑金件

ModelType：設計模型

Collection：實體特征檢查

FunctionDes：倒角的角度是否符合規定值

ValueColl：按照企業規定

Configuration：按照企業規定配置

Source：企業級規定

ErrorLevel：3

知識說明：對于機加工件、鈑金件設計模型的實體倒角的角度值要求符合企業規定值。

檢查說明：如果被檢查零件的倒角角度是ValueColl中的值，那么就不符合本企業規定的關于倒角角度的規范。

其中的檢查集就是檢查規范的集合，最終形成的檢查集數據模型包括檢查集編號、檢查集名稱、零件類型、模型類型、功能描述、包含檢查規范數目、來源等，下面以其中一條“實體特征檢查”倒角的規范，說明檢查集數據模型的知識化表達。

NormColleNum：011

NormColleName：實體特征檢查

PartType：機加工件

ModelType：設計模型

FunctionDes：對于實體各種特征的檢查Number：23

Source：航標、企業級規定等

知識說明：對于機加工件設計模型的各種實體特征的檢查，包含23條檢查規范。

▲圖3 檢查規范報表定制流程

4 檢查規范報表定制流程

本知識庫系統采用數據庫方式和程序方式，分別表示出檢查規范描述性知識和過程性知識，最終提出“模型信息輸入-知識搜索匹配-檢查規范配置”的檢查規范報表定制流程，圖3是零件檢查規范報表具體的定制流程［5-6］。

在定制檢查規范報表之前，首先要全面分析零件模型，包括零件設計信息、加工信息、檢查需求以及加工需求，然后再進行檢查規范的知識搜索匹配，找到合適的檢查規范，形成以零件命名的檢查規范報表，最后進行打印。

最終形成的檢查規范報表，是依據企業要求和零件特點，對于模型所要檢查內容進行歸納總結，形成一個檢查規范的集合，它涵蓋了模型的規范性、幾何、設計方法學以及工藝性等各方面的內容。各類模型設計人員、工藝工裝設計人員以及生產加工人員，都可以直接拿來使用或者參考。

零件檢查規范報表的定制步驟如下。

（1）直接使用檢查規范報表實例。選擇零件類型（機加工件、鈑金件、復合材料、裝配件）和模型類型（設計模型、工藝模型、工裝模型）進行檢索，如果檢索出的檢查規范完全滿足使用人員的需求，就可以配置所有的檢查規范并最終打印報表。如果不能滿足使用人員的需求，那么就進行步驟（2）的操作。

（2）個性化定制檢查規范報表。這種方式的檢查規范，其選擇包含兩種途徑，即檢查集檢索和檢查規范檢索。 ①檢查集檢索。選擇檢查集，如果檢索出的檢查規范是使用人員需求的，就可以進行檢查規范的配置并歸入到零件檢查規范報表當中。②檢查規范檢索。輸入檢查規范名稱關鍵詞，如果檢索出的檢查規范是使用人員需求的，就可以進行檢查規范的配置并歸入到零件檢查規范報表當中。具體定制流程見圖3。

其中零件信息模型與檢查規范報表的定義為：

//定義零件信息

typedef struct partcheck

▲圖4 檢查規范知識庫的應用

5 應用

圖4是以某飛機結構件XX梁三維模型的檢查為例，說明檢查規范知識庫系統的應用以及實際的操作過程。

這里需要檢查的是XX梁 （機加工件）的設計模型，最后使用CATIA中的檢查工具Q-checker進行檢查的實施。首先根據零件信息、零件檢查需求以及知識庫中實例化的檢查規范報表，確定使用個性化定制檢查規范報表，通過檢查需求的關鍵詞，搜索找到合適的檢查規范并最終輸出XX梁檢查規范報表。然后調用Q-checker進行檢查規范的一一配置，輸入零件模型以及配置好的檢查模板進行檢查，輸出檢查報告。

6 結論

結合生產實際所開發的飛機零件MBD模型檢查規范性檢查知識庫系統，已經在某專業飛機制造廠的設計、工藝、工裝、生產部門進行了初步使用，結果表明，整個系統具備如下優點。

（1）以現成檢查集作為知識的基本單元，檢查集類別豐富完整，且相互獨立，易于知識庫的維護；

（2）界面友好，功能完善，操作簡單，知識的表現形式多樣，且支持多用戶，數據由系統管理員統一管理，保證數據的安全性；

（3）知識齊全可靠，該系統涵蓋了上下游的模型設計與審查規范，每一條規范都是經過長期實踐檢驗的；

（4）功能覆蓋面廣，系統可以為設計人員、工藝/工裝人員、生產制造人員提供相應的參考和反饋渠道。

［1］ 田輝，王俊斌．航空零件數控加工的特點［J］．航空制造技術，2010（19）：38-41．

［2］ 馮潼能，王錚陽，宋婭．MBD技術在協同設計制造中的應用［J］．航空制造技術，2010（18）：64-67．

［3］ AlemanniM， Destefanis F， Vezzetti E．Model-based Definition Design in the Product Lifecycle Management Scenario［J］．The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2011，52（1-4）：1-14．

［4］ 國防科學技術工業委員會．《中華人民共和國航空行業標準》［S］．北京：航空工業出版社，2005．

［5］ 陳慶欣，李新軍，萬敏．基于實例的飛機鈑金工藝知識庫的構建［J］．北京航空航天大學學報，2006，32（6）：734-737．

［6］ Kumar S，Singh R，Sekhon G S．CCKBS：A Component Check Knowledge-based System for Assessing Manufacturability of Sheet Metal Parts ［J］．Journal of Materials Processing Technology，2006，172（1）：64-69．