徐楊 王宏

（中國電子科技集團公司第十四研究所 江蘇省南京市 210039）

數(shù)字化研制模式已經(jīng)成為以復(fù)雜系統(tǒng)為代表的裝備研制模式的發(fā)展趨勢，數(shù)字化仿真、虛擬樣機已經(jīng)在復(fù)雜系統(tǒng)的研制過程中得到了應(yīng)用，傳統(tǒng)的質(zhì)量管控及檢測模式已經(jīng)不能完全適應(yīng)新的研發(fā)模式的需要，需要構(gòu)建以數(shù)字化樣機為基礎(chǔ)的三維模型數(shù)字化質(zhì)量檢測控制體系。

隨著數(shù)字化環(huán)境下復(fù)雜裝備產(chǎn)品基于三維數(shù)字化樣機的設(shè)計與生產(chǎn)制造技術(shù)的日趨成熟，產(chǎn)品零部件規(guī)格和數(shù)量變得更加復(fù)雜和種類繁多，對產(chǎn)品的經(jīng)濟性和功能性能等質(zhì)量要求不斷提升，因而對產(chǎn)品的加工精度也提出了更高要求，并造成了產(chǎn)品檢驗檢測難度的加大，傳統(tǒng)的質(zhì)量檢驗技術(shù)已不能滿足復(fù)雜電子設(shè)備迅速和高精度的質(zhì)量控制需求。應(yīng)用三維數(shù)字化樣機的質(zhì)量檢驗檢測已具備與智能化、數(shù)字化三維設(shè)計、工藝、生產(chǎn)制造一體化協(xié)同的能力，形成了高效、剛性管控的質(zhì)量檢測控制體系。

基于數(shù)字化樣機的質(zhì)量檢驗檢測是一種從復(fù)雜產(chǎn)品數(shù)字化樣機三維設(shè)計、工藝和生產(chǎn)模型BOM中提取復(fù)雜產(chǎn)品關(guān)鍵特性數(shù)據(jù)，通過仿真分析、知識工程，以及數(shù)字三維模型與物理實體的相互映射，在可視化交互環(huán)境下構(gòu)建基于數(shù)字化三維樣機的質(zhì)量檢驗檢測試驗平臺。

目前，數(shù)字化、智能化的質(zhì)檢技術(shù)已形成了“虛實融合，相互映射”的發(fā)展方向，通過仿真分析、虛擬試驗、模擬試驗，以及實物驗證試驗的有機融合，在虛實映射融合的試驗環(huán)境中驗證復(fù)雜產(chǎn)品的整體質(zhì)量能否滿足設(shè)計要求。在此基礎(chǔ)上，驗證系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)和匹配性，并對復(fù)雜電子設(shè)備的質(zhì)量特性做出評價。

MBD(Model Based Definition)即為基于模型的定義。其在數(shù)字化三維模型中賦予數(shù)字化三維設(shè)計信息和數(shù)字化三維制造信息，使CAD和CAM，以及質(zhì)量檢驗檢測實現(xiàn)了一體化集成。近年來，國外MBD在波音787上已應(yīng)用成功，以三坐標測量、激光跟蹤、激光掃描等為代表的數(shù)字化檢驗設(shè)備已取代傳統(tǒng)手工檢測，在數(shù)字化制造和數(shù)字化檢驗檢測中發(fā)揮了重要作用，已成為數(shù)字化制造和數(shù)字化檢驗檢測中的關(guān)鍵技術(shù)。

1 數(shù)字化環(huán)境三維檢驗檢測質(zhì)量管控架構(gòu)

數(shù)字化三維質(zhì)量檢驗控制體系架構(gòu)以復(fù)雜電子產(chǎn)品研制生產(chǎn)中的數(shù)字化三維檢測需求為牽引，按照“虛實相互映射融合”的層次化結(jié)構(gòu)建立數(shù)字化環(huán)境三維檢驗檢測質(zhì)量管控體系架構(gòu)，形成了數(shù)字化三維檢驗檢測方法，以實現(xiàn)數(shù)字化環(huán)境下復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計與虛擬驗證的一體化協(xié)同。

如圖1所示，數(shù)字化環(huán)境三維檢驗質(zhì)量管控流程體系框架由五部分構(gòu)成，即數(shù)據(jù)資源層、基礎(chǔ)組件層、信息交互層、虛擬試驗核心服務(wù)層和虛擬試驗資源集成層。

圖1：數(shù)字化環(huán)境三維檢驗質(zhì)量管控體系框架

數(shù)據(jù)資源層：可將產(chǎn)品設(shè)計模型導(dǎo)入檢驗檢測中，充分利用了數(shù)字化樣機設(shè)計成果，為虛擬試驗驗證和簡化模型提供了統(tǒng)一數(shù)據(jù)來源。其統(tǒng)一存儲在三維數(shù)字化虛擬試驗驗證中需要的數(shù)字化模型、知識和數(shù)據(jù)資源，統(tǒng)一管理和重用包括設(shè)計模型庫、試驗檢測模型庫、環(huán)境條件模型庫、試驗檢測數(shù)據(jù)庫，以及試驗檢測設(shè)備等資源。

基礎(chǔ)模塊層：負責(zé)底層試驗檢測資源的存取、監(jiān)測與控制，以及檢驗檢測數(shù)據(jù)的動態(tài)收集和存儲，提供物理驗證資源的實時接入接口。該層主要包括試驗驗證管理、數(shù)據(jù)收集、存儲管理、通用接口和實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等模塊。試驗驗證管理模塊將對試驗驗證過程進行監(jiān)控，其向信息交互和核心服務(wù)層反饋試驗驗證資源狀態(tài)；數(shù)據(jù)收集模塊動態(tài)收集試驗檢測產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，但不進行數(shù)據(jù)解析，以確保數(shù)據(jù)的實時性和可靠性；存儲管理模塊以表格形式將試驗檢測數(shù)據(jù)存儲到試驗檢測數(shù)據(jù)庫中，可供上層的服務(wù)調(diào)用獨立于數(shù)據(jù)庫類型的試驗檢測數(shù)據(jù)存儲函數(shù)；實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊主要封裝實時板卡等實時設(shè)備的輸入輸出接口，將接口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成共享內(nèi)存或?qū)崟r網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)對象。

信息交互層：基于數(shù)字化樣機三維模型，交互虛擬試驗驗證中各類對象的數(shù)據(jù)流、信息流和控制流，并進行檢驗檢測對象管理、質(zhì)量信息的管理和發(fā)布，以及信息交互通訊管理等。按照對象描述規(guī)范實現(xiàn)虛擬試驗檢測對象的共享和重用來進行對象管理，由于數(shù)字化虛擬三維樣機模型依據(jù)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)實體類建立，定義了類屬性和類方法。以及虛擬試驗驗證組成之間的靜態(tài)或動態(tài)結(jié)構(gòu)關(guān)系，因此，信息交互層主要提供數(shù)字化樣機模型質(zhì)量信息的產(chǎn)生、使用、管理維護等方面的狀態(tài)更新和傳輸，并依賴底層設(shè)備提供的API接口。

虛擬試驗核心服務(wù)層：為了試驗檢驗過程中的流程驅(qū)動和復(fù)雜計算，以及試驗資源調(diào)度和狀態(tài)監(jiān)控，進行流程管理服務(wù)和試驗網(wǎng)格服務(wù)。試驗流程管理服務(wù)主要提供試驗驗證任務(wù)規(guī)劃、過程驅(qū)動和監(jiān)控管理的工具。試驗網(wǎng)格服務(wù)為并行計算、調(diào)度和優(yōu)化試驗資源提供工具。

虛擬試驗資源集成層：對試驗驗證過程中涉及的試驗對象、試驗環(huán)境和試驗交互控制接口分類管理。生成并管理虛擬試驗檢驗過程中的數(shù)字試驗樣機模型、試驗?zāi)Ｐ湍０搴驮囼灹鞒棠０宓?。?yīng)具備可視化、數(shù)字化三維應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，幫助試驗策劃者將試驗檢測質(zhì)量管控流程中的試驗資源對象模型、試驗人員、試驗環(huán)境、試驗邊界、試驗設(shè)備等集成封裝。模擬多物理場耦合環(huán)境可使用虛擬三維試驗環(huán)境（包括自然使用環(huán)境、電磁環(huán)境和多應(yīng)力綜合環(huán)境等）的模型管理，并以統(tǒng)一的接口發(fā)布，便于存?。豢梢暬摂M試驗過程的交互控制有利于進行高仿真的本地和異地一體化協(xié)同試驗，實現(xiàn)基于虛擬現(xiàn)實的沉浸式三維人機交互。

虛擬試驗三維檢驗應(yīng)用層以復(fù)雜產(chǎn)品研制和使用過程為主線，構(gòu)建三維數(shù)字化試驗檢驗應(yīng)用流程，從而實現(xiàn)對復(fù)雜裝備產(chǎn)品檢驗方案的有效驗證?；跀?shù)字化樣機三維模型質(zhì)量檢驗框架充分考慮了復(fù)雜電子設(shè)備設(shè)計、生產(chǎn)制造、三維檢驗檢測的一體化協(xié)同需求，并對試驗過程中的虛擬三維模型、質(zhì)量數(shù)據(jù)進行了集成共享。

2 基于虛擬樣機的三維模型數(shù)字化檢驗檢測方法

在數(shù)字化環(huán)境下復(fù)雜產(chǎn)品制造過程中，為保證制造過程中高效的質(zhì)量管理和控制，復(fù)雜裝備制造企業(yè)急需根據(jù)開展數(shù)字化檢驗技術(shù)，形成針對不同類型零部件的快速數(shù)字化檢驗方法，并利用先進的測量設(shè)備，建立與數(shù)字化設(shè)計制造環(huán)境相適應(yīng)的數(shù)字化檢驗技術(shù)體系?；谔摂M樣機的三維模型數(shù)字化檢驗方法主要由四部分構(gòu)成：基于數(shù)字化樣機三維工藝模型的檢驗規(guī)程、數(shù)字化高效檢測、自動化數(shù)據(jù)處理、數(shù)字化檢驗測量技術(shù)應(yīng)用規(guī)范。

2.1 基于數(shù)字化樣機三維工藝模型的檢驗規(guī)程

在車間數(shù)字化生產(chǎn)制造檢驗前，從數(shù)字樣機三維設(shè)計模型中提取出產(chǎn)品特征參數(shù)，識別產(chǎn)品檢驗特征，通過三維設(shè)計、工藝模型快速生成產(chǎn)品數(shù)字化檢驗規(guī)程，通過數(shù)字化檢驗檢測仿真分析，優(yōu)化檢驗方式、檢驗途徑和檢驗檢測設(shè)備，以提高復(fù)雜產(chǎn)品的檢驗檢測質(zhì)量，真正試驗基于數(shù)字化樣機三維工藝模型的檢驗規(guī)劃與三維檢驗?zāi)Ｐ偷挠袡C融合。

基于產(chǎn)品數(shù)字化樣機典型三維結(jié)構(gòu)特征，進行檢驗檢測任務(wù)的迅速定義、識別與提取，并選用適應(yīng)數(shù)字化三維模型的檢驗檢測方案；通過數(shù)字化三維設(shè)計、三維工藝模型生成數(shù)字化檢驗規(guī)程，并以規(guī)范化的方式輸出；建立三維檢驗檢測坐標系；進行三維檢驗?zāi)Ｐ偷暮喕?，使得檢驗規(guī)劃與復(fù)雜電子設(shè)備數(shù)字化樣機三維模型實現(xiàn)一體化融合。實現(xiàn)基于數(shù)字化三維模型的數(shù)字化智能檢驗、自動數(shù)據(jù)分析和質(zhì)量評價，達到高效、精確、剛性的質(zhì)量控制目的。

2.2 數(shù)字化高效檢測

復(fù)雜裝備產(chǎn)品生產(chǎn)制造中涉及的零部件形式多種多樣，數(shù)量多、批次多，因此必須利用數(shù)字化、智能化手段實現(xiàn)快速高效的檢驗檢測，通常采用三種方法：

（1）利用拍照比對或光學(xué)測量等現(xiàn)代檢驗檢測技術(shù)，形成不同類型零部件的測量方法；

（2）利用自動測試技術(shù)，選用適配的測量儀器和設(shè)備建立復(fù)雜產(chǎn)品自動化檢驗檢測系統(tǒng)；

（3）對現(xiàn)場通用輔助量具為了測量數(shù)據(jù)的自動采集上傳，應(yīng)研制測試數(shù)據(jù)的采集接口。

數(shù)字化高效快速檢驗的重點為復(fù)雜產(chǎn)品三維自動化檢驗檢測方案，數(shù)控檢驗檢測編程與仿真分析，基于數(shù)字化三維樣機的各種可視化、自動化檢驗方式的集成，以及多源檢驗檢測數(shù)據(jù)的融合。

2.3 自動化數(shù)據(jù)處理

對于復(fù)雜產(chǎn)品的檢驗檢測，需要構(gòu)建各種檢驗檢測設(shè)備協(xié)同檢驗，并與數(shù)字化三維模型快速自動比對分析的檢驗環(huán)境，以實現(xiàn)在實際工程中大量測試檢驗數(shù)據(jù)的高效快速處理。通過自動比對預(yù)處理后的檢驗實測值和三維模型理論值，生成產(chǎn)品質(zhì)量評價。

自動化的數(shù)據(jù)處理包含：異構(gòu)測量數(shù)據(jù)的拼合、融合、去噪、光順、過濾等預(yù)處理；工程約束條件下檢測數(shù)據(jù)與三維模型的配準對齊；自動比對三維設(shè)計模型和數(shù)字化檢驗規(guī)范的誤差點判別；做出產(chǎn)品是否合格的質(zhì)量評價，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的剛性管控。

2.4 數(shù)字化檢驗測量技術(shù)應(yīng)用規(guī)范

數(shù)字化檢驗測量技術(shù)應(yīng)用規(guī)范是對復(fù)雜產(chǎn)品基于數(shù)字化三維模型檢驗中相關(guān)自動測量技術(shù)的總結(jié)歸納，需要針對工程應(yīng)用環(huán)境，具體問題具體分析，但是通常應(yīng)包括：基于數(shù)字化三維模型的檢驗規(guī)程的編制、基于數(shù)字化三維模型檢驗方法的選用、數(shù)字化檢驗檢測數(shù)據(jù)的處理分析、基于數(shù)字化三維模型檢驗流程模板等。

3 應(yīng)用實例

數(shù)字化、智能化研制生產(chǎn)模式使傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造和產(chǎn)品檢驗都產(chǎn)生了變革。在制造環(huán)節(jié)利用數(shù)字化加工和裝配設(shè)備、物料存儲和輸送系統(tǒng)、生產(chǎn)過程的數(shù)字控制開展了基于三維模型的數(shù)字化生產(chǎn)。為全面解決數(shù)字化環(huán)境下三維產(chǎn)品的檢驗問題，從以下方面開展基于MBD的三維檢測（圖2）：

圖2：基于數(shù)字化模型的三維檢測

（1）導(dǎo)入電子產(chǎn)品三維設(shè)計模型，進行參數(shù)提取：通過建立文件指針和機械接口與三維模型的特征數(shù)進行連接，提取出產(chǎn)品零部件的參數(shù)，輸出到指定路徑的Excel表格中；

（2）利用三坐標測量軟件的功能，實現(xiàn)自動編程、檢測；

（3）利用專業(yè)的離線自動編程軟件，實現(xiàn)依據(jù)三維設(shè)計模型的自動編程、檢測；

（4）利用激光掃描比對的技術(shù)方案對制造過程質(zhì)量信息自動獲取、有效評估，控制產(chǎn)品質(zhì)量。測量方法如圖3所示。

圖3：測量方法

制造過程自動獲取質(zhì)量信息和有效評估主要包括：信息采集、信息處理、信息對比及質(zhì)量評價等。首先通過數(shù)字化、智能化的信息采集設(shè)備，自動、精準地取得檢測實物表面離散各點空間幾何信息，生成數(shù)據(jù)點云；該點云經(jīng)過稀釋、分層、刪除誤差點等預(yù)處理后，自動構(gòu)造測量體的三維實物模型；將測量得到的三維實物模型與數(shù)字化樣機設(shè)計模型通過比對軟件進行自動比對，最終得出被檢對象的質(zhì)檢評價結(jié)論。如圖4所示。

圖4：制造過程質(zhì)量信息自動獲取與有效評價技術(shù)

采集數(shù)據(jù)點云的質(zhì)量直接影響了三維實體模型與三維設(shè)計模型比對的結(jié)果，因此高精度的數(shù)據(jù)采集是實現(xiàn)數(shù)字化制造產(chǎn)品質(zhì)量檢測的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

檢測信息的采集方式按傳感器類型分為接觸式和非接觸式。

接觸式檢測通過測試探頭與被測對象接觸，采集被測表面的輪廓曲面，進行數(shù)據(jù)處理后，從而獲得被測對象的表面輪廓信息。接觸式觸發(fā)測試探頭通過測試探頭的探尖與被測對象接觸，產(chǎn)生的接觸力由測桿傳遞到測試探頭內(nèi)部的觸發(fā)機構(gòu)，當測試力達到能夠克服內(nèi)部彈簧的預(yù)壓力時，觸發(fā)機構(gòu)的機械觸點便脫離接觸，進而產(chǎn)生觸發(fā)信號。接觸式檢測具有精度高、穩(wěn)定可靠的優(yōu)點，但其最大的缺點就是采集效率低，限制了測量速度，并且接觸式測量有一定的測量力，對于薄壁件、曲線曲面等異型面測量有一定的局限。

非接觸測量主要是運用光、聲、電磁等介質(zhì)，獲得被測對象曲面的三維坐標數(shù)據(jù)。在工程中，大量的非接觸檢測方法主要采用光學(xué)方法，例如激光三角法等。三角法的基本原理是：激光發(fā)生器產(chǎn)生的激光投射到被測對象，位置傳感器接收由被測對象表面反射回的漫反射光，依據(jù)其成像位置，即可按照三角幾何原理算出被測物體的空間坐標。非接觸式測量，不需要直接接觸被測對象，并且檢測速度比接觸式要高效，因此，在三維檢驗檢測領(lǐng)域被大量應(yīng)用。

三坐標激光檢測設(shè)備將三坐標測量技術(shù)與激光掃描技術(shù)相結(jié)合，其綜合了三坐標測量機測量范圍大、精度高、效率高，可與柔性制造系統(tǒng)相連接等眾多優(yōu)點，又具備激光掃描非接觸、工作速度快、測量距離長、對被測體表面特性要求不高等特點，在數(shù)字化三維檢驗檢測獲得了廣泛的應(yīng)用。

在基于三維模型的數(shù)字化制造過程中，三維激光掃描檢測可實現(xiàn)實物質(zhì)量信息的自動獲取與有效評估，充分利用三維模型基于數(shù)字化樣機直接生成的優(yōu)點，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程質(zhì)檢數(shù)據(jù)的自動采集與剛性評估，顯著提高了制造環(huán)節(jié)的質(zhì)量管控效率。

3.1 設(shè)計模型

導(dǎo)入的設(shè)計模型格式一般為通用的STEP、PRO/E、IGES等格式，設(shè)計模型擺放的位置矢量應(yīng)與零件在三坐標平臺上的擺放位置矢量一致。

3.2 數(shù)據(jù)采集

三坐標測量機的激光掃描測頭，可以快速實現(xiàn)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)掃描。如圖5所示。

圖5：三坐標測量效果

3.3 建立對比模型

應(yīng)用導(dǎo)入的點云信息，進行過濾后，使用網(wǎng)狀表面構(gòu)造被檢產(chǎn)品的三維實物模型，并與數(shù)字化樣機的三維設(shè)計模型比對。如圖6所示。

圖6：模型比對效果

3.4 產(chǎn)品質(zhì)量檢測評價

完成比對模型的構(gòu)建，利用軟件的對比功能，則可以實現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量評估，并以表面色差圖或多種格式的檢測報告顯示質(zhì)量評估結(jié)果。如圖7所示。

圖7：質(zhì)量檢測評估結(jié)果

將激光掃描后形成的數(shù)據(jù)點云進行處理，刪除誤差點后與設(shè)計模型在比對軟件中進行比對。按照公差要求設(shè)置色帶數(shù)值，將數(shù)據(jù)點云與設(shè)計模型進行全局比對或者截面比對，形成色譜圖檢測報告。

4 結(jié)論

基于數(shù)字化三維模型的制造技術(shù)已日趨成熟和完善，三維數(shù)控加工和三維裝配仿真等已在實際工程中應(yīng)用，基于三維模型的制造技術(shù)已向三維設(shè)計、三維工藝、三維制造仿真、三維檢驗的產(chǎn)品研制全過程發(fā)展，保證了產(chǎn)品全壽命周期數(shù)據(jù)的一致性，提高了產(chǎn)品研制生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。