基于MBD的數(shù)字化軍檢技術研究*

侯世紅 李鵬程 趙宇博 尹雪巔

（1.中國電子科技集團公司第二十研究所 西安 710068）（2.中國電子科技集團公司第二十研究所高端電子裝備工業(yè)設計中心 西安 710068）

1 引言

隨著數(shù)字化技術的快速發(fā)展，對國防科技工業(yè)起到了積極的推動作用，武器裝備研制企業(yè)逐步建立起基于MBD 模型的數(shù)字化設計、工藝、制造、檢驗與裝配相結合的數(shù)字化制造新模式。而在整個裝備的生產(chǎn)制造過程中，軍檢是保證裝備質量的基本手段，傳統(tǒng)軍檢技術難以滿足現(xiàn)有武器裝備結構復雜、對零部件質量要求嚴格等的特點，2012年，總裝備部在A號文件中，正式提出了“軍檢數(shù)字化”的要求。為適應武器裝備數(shù)字化制造新模式，充分運用數(shù)字化、信息化的技術和手段，開展基于MBD（Model Based Definition，基于模型的定義技術）的數(shù)字化軍檢，將成為未來軍檢工作的發(fā)展趨勢［1～5］。

2 數(shù)字化軍檢技術

數(shù)字化軍檢是指軍代表在開展軍檢活動過程中利用先進的數(shù)字化技術，對武器裝備的科研生產(chǎn)和技術服務等實現(xiàn)質量管理和監(jiān)督的過程。

相比于傳統(tǒng)軍檢模式，開展數(shù)字化軍檢具有以下優(yōu)勢：1）檢驗手段智能化，數(shù)字化的技術、軟件、工具等的應用能夠極大程度簡化操作過程，縮短檢驗周期，提高檢驗精度，提升軍檢理論水平；2）信息處理數(shù)字化，通過信息化、數(shù)字化、可視化的數(shù)據(jù)管理技術，實現(xiàn)軍代表對裝備設計、制造、試驗和交付等相關數(shù)據(jù)的實時獲取和管理監(jiān)督能力；3）提升軍檢工作的效率和準確性，減少重復性工作，規(guī)范軍檢驗收流程，提升軍代表在軍檢過程中的質量監(jiān)督能力。

3 基于MBD的數(shù)字化軍檢技術

3.1 MBD技術

MBD 技術是一種基于全三維模型的數(shù)字化定義技術，通過產(chǎn)品數(shù)據(jù)集來定義產(chǎn)品信息，是波音公司最新先行的新一代產(chǎn)品定義方法。1997年，美國機械工程師協(xié)會在波音公司協(xié)助下開始起草有關MBD 相關標準，并在2003年發(fā)布了美國國家標準ASME Y14.41-2003（后修訂為ASME Y14.41-2012），隨著MBD 技術的廣泛應用和發(fā)展，國際標準化組織也制定有關MBD 的標準ISO 16792-2006（后修訂為ISO 16792-2015），美國軍方為了武器裝備的數(shù)字化建設，制定了美軍標MIL-STD-31000A，我國為了MBD 技術在制造領域的推廣應用，制定了國標GB/T 24734-2009。

MBD 模型包含了產(chǎn)品的全部制造信息PMI（Product Manufacture Information），如圖1，包括產(chǎn)品的三維模型、產(chǎn)品的三維標注信息、零部件的其他屬性等。MBD 技術的發(fā)展和應用，旨在將產(chǎn)品的定義技術由二維CAD 圖紙邁向三維模型的轉變，為數(shù)字化設計、制造和檢測提供信息載體，實現(xiàn)無紙化設計和制造。目前MBD 技術已廣泛用于航空制造業(yè)［6～9］。

圖1 MBD模型數(shù)據(jù)信息

3.2 基于MBD的數(shù)字化軍檢技術

基于MBD的數(shù)字化軍檢，是通過數(shù)字化的系統(tǒng)和設備，以MBD 模型為基礎，提取其中與制造信息有關的設計數(shù)據(jù)作為檢驗依據(jù)，并提取和記錄產(chǎn)品的生產(chǎn)制造數(shù)據(jù)，與設計數(shù)據(jù)進行比對，進而自動給出合格與否的判定結果，完成對武器裝備的軍檢過程，其主要的檢測流程如圖2所示。

圖2 基于MBD的裝備軍檢流程

基于MBD的數(shù)字化軍檢技術，作為一項新的檢測技術，主要綜合了機電一體化、圖像識別和處理、軟件集成、數(shù)據(jù)處理等方面的先進技術，數(shù)字化軍檢技術使得裝備質量檢驗的檢驗流程、檢驗方法、流程審簽、檢驗數(shù)據(jù)記錄和管理等方面標準化、規(guī)范化。通過實時采集和記錄制造檢測數(shù)據(jù)，并與生產(chǎn)制造流程的執(zhí)行系統(tǒng)進行融合和集成，擺脫傳統(tǒng)依附于工藝過程的檢驗驗收模式，在信息化數(shù)據(jù)共享的基礎上打通數(shù)字化設計、工藝、制造和檢驗的全流程［10～12］。

4 基于MBD的數(shù)字化軍檢關鍵技術

4.1 編制基于模型的在線智能檢測評價系統(tǒng)

數(shù)字化軍檢活動實施過程中，首先需要編制基于模型的在線智能檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠集成模型導入、模型的特征識別和提取、檢測需求定義、檢測數(shù)據(jù)提取和對比，檢測結果的輸出和可視化、檢測數(shù)據(jù)的存儲和分析、檢測文件的簽審和導出等方面的功能。本文在研究過程中，開發(fā)了基于UG 軟件的在線智能檢測系統(tǒng)，通過對UG 軟件進行二次開發(fā)，開發(fā)成UG的一個插件形式嵌入其中，系統(tǒng)界面如圖3所示，該界面為左右結構，左側功能區(qū)域主要包括三個頁面，分別為主界面LOGO、前處理頁面和評價頁面。右側的顯示區(qū)域借用UG的模型顯示區(qū)域，可展示零部件的模型和三維標準信息。

圖3 在線智能檢測評價系統(tǒng)主界面

4.2 MBD模型信息提取

裝備零部件的MBD 模型，包含了產(chǎn)品生產(chǎn)周期內(nèi)的所有的幾何信息和非幾何信息，在進行數(shù)字化軍檢時，首先需要得到包含所有需要檢測的PMI信息的零部件MBD模型，如圖4所示。

圖4 基于UG的MBD模型

結合圖1所示的MBD模型包含的數(shù)據(jù)結構，在進行零部件的模型信息提取過程中，可將基于MBD的零部件模型定義為

式中，Pi為零部件三維實體模型，包含了構成零件模型的各幾何要素，包括所有構成三維模型形狀和輪廓的點、線、面等；Annj為零部件的三維標準信息，包括幾何尺寸，形位公差，表面粗糙度、基準、其他有關注釋等信息；Attk為零部件的其他屬性，包括材料，熱處理，其他技術要求等信息。

通過提取零部件的所有MBD 數(shù)據(jù)集，結合在實際軍檢過程中對零部件的檢測要求，即可生成檢測標準數(shù)據(jù)庫，后期通過軍檢獲得的數(shù)據(jù)可與之比對，從而生成合格與否的判據(jù)。

4.3 未注公差處理

在前期設計過程中，為減少設計人員工作量，在三維模型中可對尺寸要求不嚴格的標注省略其尺寸公差，但在實際檢測過程中，需要得到其公差數(shù)據(jù)，以比較真實值與測量值的超差情況，因此在數(shù)據(jù)提取過程中，首先要對提取的尺寸信息分類，篩選出未注公差的尺寸，對于未注公差，需提前給出相關執(zhí)行標準或公差等級，完善未注公差尺寸的默認公差，得到包含全部檢測尺寸與尺寸公差的檢測模型。

4.4 檢測工藝規(guī)劃

傳統(tǒng)檢測工藝主要是檢測人員根據(jù)工藝文件，對比產(chǎn)品的二維圖紙實施手工檢測過程。隨著計算機技術的發(fā)展，基于CAD 模型的CAIP（Computer Aided Inspection Planning，計算機輔助檢測規(guī)劃）技術得以應用和發(fā)展，而基于MBD 模型的數(shù)字化檢測工藝，對CAIP 系統(tǒng)提出了越來越高的智能化要求。而在實施數(shù)字化檢測工藝過程中，利用CAIP技術預先完成智能檢測工藝規(guī)劃是關鍵的一步。

基于MBD 模型的檢測工藝規(guī)劃流程如圖5所示，首先要對MBD 模型進行可測性分析，根據(jù)結構模型定義檢測需求，同時對檢測過程進行仿真，根據(jù)模型的不同，對測點和檢測路徑進行設計規(guī)劃，輸出檢測程序［13］。

圖5 檢測工藝規(guī)劃流程圖

4.5 檢測數(shù)據(jù)提取和對比

通過光學測試儀器、三坐標測量機等數(shù)字化檢測設備，對需要檢測的零部件按照規(guī)定檢測工藝路徑進行模型掃描檢測，通過圖像識別和計算機數(shù)據(jù)處理，將掃描的圖形處理生成模型的點云數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖6 模型點云數(shù)據(jù)

如圖7所示，將得到的點云數(shù)據(jù)與零部件的三維模型置于同一坐標系中，進行坐標系配準，通過將點云數(shù)據(jù)和三維模型分析和比對，得到零部件的檢測結果。

圖7 點云數(shù)據(jù)配準

4.6 檢測結果評價

根據(jù)實際的檢測需求，設置相應的監(jiān)測點，通過數(shù)據(jù)比對，即可得到相應的檢測結果，如圖8所示。

圖8 檢測特征匹配

得到所有檢測節(jié)點的檢測結果，通過設置顏色的不同即可粗略顯示檢測結果合格與否。點擊需要查看的節(jié)點，即可得到某節(jié)點的檢測結果詳情，如圖9所示。如圖10，同軟件還設置了生成檢測報告的功能，可以輸出所有節(jié)點的詳細檢測結果，以供軍代表查看。

圖9 檢測結果詳情

4.7 檢測數(shù)據(jù)處理

傳統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)大多以紙質介質保存，后期利用過程中，數(shù)據(jù)處理和分析難度較大，二次利用較為困難。數(shù)字化軍檢技術通過對檢測數(shù)據(jù)的結構化存儲，可以實時提取和查看，通過橫向和縱向的對比分析，還可以評價裝備的質量走向，后期可通過對檢測數(shù)據(jù)的進一步信息化處理，通過大數(shù)據(jù)分析，還可以獲得裝備質量問題的關鍵點，同時各軍代表通過軍檢數(shù)據(jù)的共享，還可對系統(tǒng)級的裝備質量進行評價和分析，全面提升對武器裝備的質量監(jiān)督能力。

5 結語

1）對比傳統(tǒng)的軍檢技術，開展基于MBD 環(huán)境下的數(shù)字化軍檢驗收流程及其技術方法的研究，能夠實現(xiàn)裝備軍檢效率和軍檢質量的顯著提升，加強軍代表對武器裝備質量監(jiān)督和管理的能力，推動武器裝備智能制造和智能檢測技術的發(fā)展，是未來軍檢技術的發(fā)展方向；

2）本文探討了基于MBD的數(shù)字化軍檢流程和方法，梳理了其中所涉及的幾種關鍵技術，為基于MBD的數(shù)字化軍檢應用和推廣提供了技術支撐和方法指導；

3）開發(fā)了適用于基于MBD的數(shù)字化軍檢的檢測評價系統(tǒng)，本檢測系統(tǒng)能夠滿足數(shù)字化軍檢的要求，提高檢測效率和精度，對現(xiàn)有軍檢技術進行提升和完善；

4）目前各軍工制造企業(yè)三維設計、工藝和制造技術參差不齊，而基于MBD的數(shù)字化軍檢技術還需要不斷發(fā)展和完善。