基于MBD技术的数字化检测技术探究

摘 要：随着数字化设计与制造技术的快速发展，传统的检测技术已经难以满足航空零部件严格的检测要求，基于MBD的数字化检测技术是检测技术发展的必由之路。目前，我国基于MBD的数字化检测技术还处于发展初期，在实际应用过程中还存在许多问题。本文首先在国内外三坐标测量技术研究成果的基础上，对航空企业的检测技术现状和需求进行阐述。

关键词：MBD;数字化检测

随着数字化技术的飞速发展，航空企业逐步建立起全三维数字化设计、制造、检测与装配相结合的现代制造模式。由于航空产品的特殊性，其对设计、制造、检测、装配等各个环节的技术要求非常高。基于MBD的检验技术是融通MBD环境下全三维设计制造集成的关键环节之一，相对于三维设计与三维工艺技术，基于MBD的三维检验技术起步较晚。随着基于MBD的全三维数字化设计制造技术在飞机型号研制过程中应用的日益深入，对实现全三维数字化设计制造检验一体化的要求日趋紧迫，然而，目前国内航空制造企业的检验部门多数仍采取将三维模型转成二维工程图，再添加公差标注的方式，形成检验的依据。此种工作模式不仅费时费力，破坏了产品模型的唯一性及一致性，易造成模型转换的二义性风险，同时，亦无法适应现代飞机结构对于数字化检验技术的需求。近年来，随着飞机机身结构件日趋复杂化、精密化、大型化，整体结构件、整体壁板等复杂机加结构件大量出现，检验难度、检验项、检验精度要求显著提升，以二维图纸为检验依据，以非数字化检验工具为手段的传统检验技术无论是在检验精度、检验效率、检验能力以及与数字化测量设备的集成能力上均已不能适应飞机结构件高效、高精度检验的需求，航空制造业对加强与提升基于MBD数字化检验技术应用能力的需求日益紧迫[1]。

一、国内外研究现状及存在问题

1.国外研究现状

世界上第一台现代意义上的三坐标测量机于1956年在英国诞生[2]，第一次实现了从传统测量到坐标测量的巨大飞跃，使得人们对测量概念的理解从之前简单的“比较测量”扩展到“数字测量”的新领域，标志着测量技术从传统的手工测量发展为现代坐标测量技术。从20世纪80年代开始，基于CMM（三坐标测量机，CoordinateMeasuringMachine）的CAIP（计算机辅助检测规划，ComputerAddedInspectionPlanning）技术开始兴起并得到了快速发展。R.J.Hocken和ThoodoreH.Hopp在论文“CAD-DirectedInspection”中初步从整体上对智能三坐标测量机系统的框架进行了描述，并率先提出了基于CAD模型的计算机辅助检测规划技术，实现了对智能三坐标测量机系统的初步探索。他们首次成功从CAD数据集中提取到了测量项目和公差信息，并采用启发式测量的思想将测量任务拆分成不同的子任务，开创了CAD模型与检测规划相结合的新时代。1984年，加拿大的Gu等人开发出了一套三坐标测量任务检测规划专家系统，该系统采用prolog语言进行编写并成功融入了基于特征建模的思想，可以依据几何建模和特征的识别模式，从CAD中提取测量项目和几何公差等检测信息，通过知识推理，进而获得零件方位、测头类型选择以及特征的测量顺序。1997年，美国机械工程师协会在波音公司的协助下开始研究和制定MBD（ModelBasedDefinition）技术相关标准，MBD技术使产品的定义信息仅仅通过一个集成的三维实体模型就可以完整地表达，它详细规定了三维实体模型中几何尺寸、形位公差、检测要求以及其他工艺信息的标注规则和表达方法，实现面向制造的设计[3]。从此，检测技术开始跨入基于MBD的数字化检测技术新阶段。近20余年，随着MBD、CAIP、CIMS（ComputerIntegratedManufacturing）等技术的快速发展，以三坐标测量机为代表的检测技术正不断地向数字化、智能化、集成化和标准化发展，也促使检测技术不断与设计技术、制造技术的集成和融合。

2.国内研究现状

我国的三坐标测量技术起步较晚，天津大学的张国雄院士结合国外先进研究成果，从测量精度、测量效率、控制系统等方面对未来三坐标测量技术的发展趋势做出了详细分析，为我国三坐标测量技术的发展指出了明确方向。江南大学的刘勇开发了一套基于UG/NX6.0的测量路径规划和测量结果分析系统。将自适应的测量路径规划策略应用于已知CAD模型部分，将基于灰色理论的测量路径规划策略应用于未知CAD模型部分，在三坐标测量机上对零件进行测量后，重构NURBS曲线并完成测量数据的提取，最后分析测量结果并按一定格式生成零件检测报告[4]。河北科技大学的姜腾在三坐标检测技术中引入了多色集合理论，通过提取MBD模型中的检测信息，利用多色集合理论建立了检测规划中测头匹配、采样策略和路径规划之间的关系模型，并通过围道矩阵和逻辑推理得到检测项目、测头类型、测头角度等信息，建立测量路径规划约束模型并通过蚁群算法优化测量路径，最后基于UG/NX8.0完成了相关模块的开发，并得到了较好的验证结果。

3.目前存在问题

从国内外的研究现状来看，三坐标测量技术已经从起初的手工编写检测规划、简单的测量功能发展为基于MBD模型的自动测量规划集成系统。与国外情况相比，国内制造行业在数字化检测技术的应用方面还比较落后，缺乏一套完整、可行的数字化检测工艺技术体系和实施方案，数字化检测环节中各个工艺流程没有统一的标准。虽然测量机厂商提供有数字化测量设备和相关的测量软件，但是各个企业的数字化技术水平高低不一，很难与新设备、新技术进行融合。有些企业即便拥有数字化的检测设备，但大多都是工人手工操作设备，自动化程度不高。这种依靠手工编程测量的测量方式效率低下，测量数据共享性和可读性差，人工测量时如果被测零件复杂，检测耗时会很长，且操作者容易出错，即使数字化测量设备有着很高的精度，也不能达到理想的检测效果。

参考文献：

[1]刘睿，段桂江. MBD技术发展及在航空制造领域的应用[J]. 航空制造技術，2016（05）：93-98+109.

[2]耿卫停.基于特征的复杂型面数字化检测系统研制[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011：1-2

[3]张荣霞，张树生等.基于MBD的零件制造模型管理[J].制造业自动化，2011，8：6-9

[4]刘勇.叶片CAD及计算机辅助测量一体化技术的研究[D].江南大学，2011

作者简介：

焦彦超（19870814），男，籍贯：吉林白山，职称：工程师，研究方向：检验检测.