□ 王 凯 □ 许建新 □ 蒲 娟 □ 王 成

西北工业大学 机电学院制造软件研究所 西安 710072

在数字化设计与制造环境下，三维CAD模型是数字化信息链的源头，是工程分析、虚拟装配、数字样机、数控加工等的数据基础。但是，在产品三维CAD建模过程中，由于种种原因会出现数据质量上的缺陷和不规范，这些缺陷和不规范可能会引起后续使用的各种问题。比如曲面上某点处的曲率半径过小，将使后续的数控加工不能正常进行。更为严重的是，数据质量的缺陷，如果不能在设计阶段被及时发现和改正，由此引起的产品质量问题可能在制造甚至产品使用阶段才能被发现，这会给企业带来产品设计周期延长以及直接的经济损失。

在飞机制造领域，产品品种多、批量小、要求高、研制周期长、使用周期短，这就要求工艺技术具有足够的快速应变能力，要求在军工企业型号产品研制过程中，需要对新设计产品的零部件的结构、材料、精度要求等方面进行审查，以确定产品的可制造性。而在企业中，可制造性评价往往也由工艺人员凭个人的技术经验积累进行，速度慢，效率低，很难适应现代社会多品种、小批量的市场需求。因此，对于飞机制造企业来说，建立面向并行工程的产品模型规范知识库显得尤为重要，从而有利于设计人员、工艺工装人员以及加工人员更好地协调［1］。

鉴于目前企业现状，根据航空工业关于MBD技术的规范手册以及产品设计/制造各阶段人员的经验，研究开发了一套飞机零件MBD模型规范性检查知识库技术，并提出了“模型信息输入-知识搜索匹配-检查规范配置”模式的检查规范报表定制流程。在企业里，设计人员、工艺人员、工装人员以及生产加工人员可以根据产品模型信息进行规范的检索，形成零件检查规范报表，并最终打印出来供使用或参考。

1 基于MBD的产品模型质量控制体系

1.1 MBD概念

MBD技术是目前飞机行业领域推行的新一代产品定义方法，其核心是全三维的特征表述、并行协同的文档驱动模式、高度工程化等。 MBD（ModelBased Definition），即基于模型的定义，是一种面向计算机应用的产品数字化定义技术，其核心思想是用一个集成的三维实体模型完整地表达产品定义信息，实现面向制造的设计。即将设计信息和制造信息 （产品几何信息、三维尺寸标注及各种工艺信息等）共同定义到产品的三维数字化模型中，保证设计数据的唯一性［2］。

▲图1 基于MBD技术的产品模型质量控制体系

采用MBD制造技术后，MBD模型成为产品几何与非几何信息的唯一载体。因此，MBD模型不仅成为产品设计过程中同一零部件设计对象的唯一输出结果，也成为工艺、工装等部门直接开展工艺和工装设计的唯一数据源。同时，MBD模型为实现产品结构设计、工艺设计、工装设计的一体化管理创造了技术条件，从而真正形成可操作、可实施的产品协同设计过程［3］。

1.2 基于MBD的产品模型质量控制体系

为了全面考虑设计、制造各阶段对于产品三维模型的要求，保证最终产品三维模型的品质，提出了基于MBD技术的产品模型质量控制体系。依据零件MBD模型的结构树，考虑并行工程的要求，对于每一项建立合适的检查规范要素，包含图形的显示/隐藏、实体的规范性、参数的规范性以及工艺性审查等要素，具体的质量控制体系见图1。

基于MBD技术的产品模型质量控制体系包含了产品设计/制造的各方面要素，能为后期知识库的建立提供全面的依据，保证了最终产品的质量。

这些规范要素从大的方面分为两类，一是几何信息的规范性，二是非几何信息的规范性。

1.2.1 几何信息的规范性

（1）工程几何信息（Engineering Geometry），主要包含坐标系和基准面的规范性；

（2）外部参考（External References），主要包含关联关系的规范性；

（3）构建几何（Construction Geometry），主要包含在工程几何和外部参考的基础上构建的零件实体所需的几何数据的规范性；

（4）零件实体（Part Body），主要包含总体特征规范要素、独立特征规范要素、工艺凸台规范要素等。1.2.2 非几何信息的规范性

（1）标准说明（Standard Notes），主要包含知识产权和有关管理信息的规范性；

（2）零件说明（Part Notes），主要包含制造工艺要求的规范性；

（3）标注说明（Annotation Notes），主要包含旗注（FlagNote）和旗注说明的规范性；

（4）标注设置 （Annotations Set），主要包含基准、尺寸和公差标注的规范性；

（5）材料描述（Material Description），主要包含原材料需求定义的规范性;

（6）其它定义数据，主要包含审核状态标记（Approval Status） 和出 口控制 标 记 （Export Control Classification Number，ECCN）的规范性。

2 飞机零件检查需求分析

飞机零件种类繁多、结构复杂，在产品设计、制造各阶段都有不同的要求，这使检查规范的需求分析变得异常困难。为了后期建立的检查规范全面可靠以及数据模型建立的方便性，根据实际的各专业厂调研以及MBD技术的要求，可以按照下面六大类进行飞机零件MBD模型的检查需求分析，包括合理性、稳健性、标准化、高效性、经济性以及可加工性。

（1）合理性。机器的整体布局和整体结构应尽可能简单（以便于加工、检测、装配和维护）；产品各部分、各总成之间装配关系是否合理，结构是否便于装配定位；操作空间是否足够；零件要有足够的工艺通路（考虑刀具的尺寸和可达性），以避免零件上出现无法加工的区域；定位基准应合理，并尽量统一，以保证加工精度和便于装夹；去除细小的面；进行合理的容差分配；凹槽深度应该小于上限值。

（2）稳健性。把零件的几个加工表面布置在同一个平面上或是同一个轴线上（可以减小形位误差,提高零件的质量）；采用强力切削，必须考虑零件的结构应有足够的刚度 （避免由于切削时的振动而影响零件的表面粗糙度）；在保证零件的设计强度和刚度要求的前提下，应根据载荷的分布情况合理地选择零件截面尺寸和形状、并尽可能减重；应尽量采用可以提高零件抗疲劳性能的措施，如采取截面变化均匀过渡，尽量采取合理的倒圆、增加加强槽和窝，以降低应力集中；槽深度与底角半径比≤3.5。

（3）标准化。设计标准化与零件的各种参数和结构要素标准化，以简化刀具和量具的品种及规格；骨架结构、蒙皮结构是否适于现有工艺手段进行，如焊接、点焊、胀拉等工艺手段进行加工、装配；应尽量采用CATIA所具有的特征定义的方法进行设计，以便于零件的更改和制造过程中的识别；尽可能用直线、平面或直母线的旋转体来设计零件形状。

（4）高效性。要尽量减少加工表面数量和加工表面面积,合理地确定毛坯尺寸；各调整点、维修点是否便于接近，空间是否足够；须拆卸处是否便于拆卸、安装；用最少的PATCH来生成曲面，以满足制造和设计对曲面的准确性和光滑性的要求；用尽可能少的曲面构造外形；尽可能不生成三角曲面片，避免在曲面片尖点处发生法矢倒转；避免将曲率完全不同的域组合到一张曲面中，应分割曲率差别较大的曲面；零件的建模顺序应尽可能与机械加工顺序一致；铣床加工的零件应设计相对统一的圆角半径，以减少刀具种类和加工工序；设计基准与工艺基准应尽量统一，以避免加工过程复杂化，同时可获得较高的加工精度和较好的零件互换性，也可简化零件检测；相同的结构要素应尽可能统一尺寸，以简化制造过程；倒角、底角要统一。

（5）经济性。合理地选择材料并正确地确定尺寸；选择合理的配合面，尽量减少和缩小基准面和精加工面。

（6）可加工性。对非直纹曲面，用低阶数的曲线来生成曲面的控制曲线；应尽可能地采用直纹曲面；外形曲面片的划分应便于加工和成形；需要钻孔的零件应有良好的可操作性和可达性，例如方孔、长方孔、带铣槽的孔、套齿孔等一般不能设计成盲孔；非直纹面转化成直纹面；避免闭角残留；角半径一般要大于刀具半径0.5mm；避免零件上的凸起实体［4］。

3 知识库结构

飞机零件MBD模型规范性检查知识库的关键技术就是检查规范数据模型的建立，通过上面检查规范六大类的需求分析，结合零件设计/制造各阶段的不同要求，可以对检查规范进行如下的分类和数据模型的建立。

3.1 检查规范的分类

航空制造企业零件种类繁多，而且基于MBD技术的产品三维模型包含了产品从设计到制造的各阶段信息，这导致飞机零件检查规范分类困难。为了解决这些难题，以产品类型、模型类型以及标准、几何、设计方法三大类进行规范的划分。在此三大类下面又根据产品类型以及模型类型的不同进行检查集细分，比如，命名规范检查、结构树检查、草图检查、三维标注检查、工程图检查、通用设置检查、曲线检查、曲面检查、面体检查、视图检查、显示检查、加工检查等，图2是检查规范的分类。

3.2 检查规范数据模型的建立

在归纳总结国标、行业标准、企业标准、设计经验以及检查经验的基础上，建立零件模型设计规范。采用知识的形式化表达方法，构建零件模型检查规范，最后采用数据库方式表示出检查规范描述性知识。最终形成的检查规范数据模型包括规范编号、规范中文名称、规范英文名称、零件类型、模型类型、所属检查集、功能描述、判定值集合、判定值配置说明、来源、错误级别等，错误级别数值越高，对应的错误越严重。下面以其中一条关于倒角的规范“不允许的倒角角度”，说明检查规范数据模型的知识化表达。

▲图2 检查规范分类

NormNum：0010

NormChName：不允许的倒角角度

NormEnName：Non-AllowedChamferAngle

PartType：机加工件、钣金件

ModelType：设计模型

Collection：实体特征检查

FunctionDes：倒角的角度是否符合规定值

ValueColl：按照企业规定

Configuration：按照企业规定配置

Source：企业级规定

ErrorLevel：3

知识说明：对于机加工件、钣金件设计模型的实体倒角的角度值要求符合企业规定值。

检查说明：如果被检查零件的倒角角度是ValueColl中的值，那么就不符合本企业规定的关于倒角角度的规范。

其中的检查集就是检查规范的集合，最终形成的检查集数据模型包括检查集编号、检查集名称、零件类型、模型类型、功能描述、包含检查规范数目、来源等，下面以其中一条“实体特征检查”倒角的规范，说明检查集数据模型的知识化表达。

NormColleNum：011

NormColleName：实体特征检查

PartType：机加工件

ModelType：设计模型

FunctionDes：对于实体各种特征的检查Number：23

Source：航标、企业级规定等

知识说明：对于机加工件设计模型的各种实体特征的检查，包含23条检查规范。

▲图3 检查规范报表定制流程

4 检查规范报表定制流程

本知识库系统采用数据库方式和程序方式，分别表示出检查规范描述性知识和过程性知识，最终提出“模型信息输入-知识搜索匹配-检查规范配置”的检查规范报表定制流程，图3是零件检查规范报表具体的定制流程［5-6］。

在定制检查规范报表之前，首先要全面分析零件模型，包括零件设计信息、加工信息、检查需求以及加工需求，然后再进行检查规范的知识搜索匹配，找到合适的检查规范，形成以零件命名的检查规范报表，最后进行打印。

最终形成的检查规范报表，是依据企业要求和零件特点，对于模型所要检查内容进行归纳总结，形成一个检查规范的集合，它涵盖了模型的规范性、几何、设计方法学以及工艺性等各方面的内容。各类模型设计人员、工艺工装设计人员以及生产加工人员，都可以直接拿来使用或者参考。

零件检查规范报表的定制步骤如下。

（1）直接使用检查规范报表实例。选择零件类型（机加工件、钣金件、复合材料、装配件）和模型类型（设计模型、工艺模型、工装模型）进行检索，如果检索出的检查规范完全满足使用人员的需求，就可以配置所有的检查规范并最终打印报表。如果不能满足使用人员的需求，那么就进行步骤（2）的操作。

（2）个性化定制检查规范报表。这种方式的检查规范，其选择包含两种途径，即检查集检索和检查规范检索。 ①检查集检索。选择检查集，如果检索出的检查规范是使用人员需求的，就可以进行检查规范的配置并归入到零件检查规范报表当中。②检查规范检索。输入检查规范名称关键词，如果检索出的检查规范是使用人员需求的，就可以进行检查规范的配置并归入到零件检查规范报表当中。具体定制流程见图3。

其中零件信息模型与检查规范报表的定义为：

//定义零件信息

typedef struct partcheck

▲图4 检查规范知识库的应用

5 应用

图4是以某飞机结构件XX梁三维模型的检查为例，说明检查规范知识库系统的应用以及实际的操作过程。

这里需要检查的是XX梁 （机加工件）的设计模型，最后使用CATIA中的检查工具Q-checker进行检查的实施。首先根据零件信息、零件检查需求以及知识库中实例化的检查规范报表，确定使用个性化定制检查规范报表，通过检查需求的关键词，搜索找到合适的检查规范并最终输出XX梁检查规范报表。然后调用Q-checker进行检查规范的一一配置，输入零件模型以及配置好的检查模板进行检查，输出检查报告。

6 结论

结合生产实际所开发的飞机零件MBD模型检查规范性检查知识库系统，已经在某专业飞机制造厂的设计、工艺、工装、生产部门进行了初步使用，结果表明，整个系统具备如下优点。

（1）以现成检查集作为知识的基本单元，检查集类别丰富完整，且相互独立，易于知识库的维护；

（2）界面友好，功能完善，操作简单，知识的表现形式多样，且支持多用户，数据由系统管理员统一管理，保证数据的安全性；

（3）知识齐全可靠，该系统涵盖了上下游的模型设计与审查规范，每一条规范都是经过长期实践检验的；

（4）功能覆盖面广，系统可以为设计人员、工艺/工装人员、生产制造人员提供相应的参考和反馈渠道。

［1］ 田辉，王俊斌．航空零件数控加工的特点［J］．航空制造技术，2010（19）：38-41．

［2］ 冯潼能，王铮阳，宋娅．MBD技术在协同设计制造中的应用［J］．航空制造技术，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］ 国防科学技术工业委员会．《中华人民共和国航空行业标准》［S］．北京：航空工业出版社，2005．

［5］ 陈庆欣，李新军，万敏．基于实例的飞机钣金工艺知识库的构建［J］．北京航空航天大学学报，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．