三维数字化集成检测系统实现关键技术研究

杜福洲，梁海澄

（北京航空航天大学 机械工程与自动化学院，北京 100191）

0 引言

当前制造业信息化已基本实现了从产品设计过程的数字化、无纸化，但产品制造与检测过程仍采用二维图纸作为制造或检测工艺的表达方式，这造成了二义性、检测规划与产品设计更改不同步等问题。因此，如何实现真正的无图化、无纸化的三维数字化检测，是当前的一个重要发展方向。

CATIA (Computer Aided Tri-dimensional Interface Application)软件是法国Dassualt Aviation公司与IBM公司合作推出的CAD/CAM/CAE/PDM一体化软件[2]。CATIA符合MBD标准，能够基于产品三维模型定义完整的尺寸信息、公差与标注信息和工艺信息，这为基于CATIA的三维数字化集成检测系统提供了基础数据定义，因此基于CATIA开发数字化集成检测系统能够减少基础开发工作，加深对数字化集成检测系统业务过程的研究。同时，当前众多成熟的产品模型特征分析和测量规划理论对数字化检测系统业务过程的研究和实现提供了丰富的理论依据；而相关的DMIS、I++ DME和DML等工业标准则为三维数字化集成检测系统的实现提供了技术规范。

综上所述，本文借助CATIA二次开发工具对CATIA相关模块进行二次开发，解决三维数字化检测中的关键技术，开发三维数字化集成检测原型系统。

1 三维数字化集成检测系统整体方案

借鉴波音公司AIMS系统中数字化检测的实现方案，本研究将三维数字化集成检测系统划分为两个分系统：基于CATIA二次开发的检测规划系统和基于B/S架构的信息管理系统，如图1所示。

计算机辅助检测规划系统基于CATIA二次开发实现。该系统识别并提取产品三维模型中的几何特征与公差信息，制定测量需求。根据测量需求，通过必要的分析选择合理的测量设备。制定测量顺序及其分布的规划，生成无碰撞的检测路径，对检测路径进行优化。规划结果输出为XML格式的文件，经过转换器生成测量程序文件，测量程序文件由后置处理器生成测量设备控制命令，执行测量过程。

产品测量信息模型是整个系统平台统一的数据源。把提取出的产品几何特征与公差信息转化为测量特征信息。将产品三维模型、测量任务信息、测量规划信息、测量规划信息、测量结果等集成在同一信息模型中，减少由于产品三维模型更改造成的信息数据不一致等现象。

三维数字化检测综合管理系统为产品测量信息模型的统一管理提供信息化支持。该系统建立并维护产品三维模型与各种测量信息（测量任务、测量规划、测量程序、测量结果）的关联关系，当产品三模型设计更改时，各种测量模型自动同步更新或者在工艺人员的参与下同步更新。同时，利用B/S架构系统的界面优势，该系统可输出产品轻量化视图以及测量结果的各种分析报表。此外，该系统还对各种测量设备进行统一管理，供检测规划系统调用。

图1 三维数字化集成检测系统整体方案

图2 三维数字化集成检测系统业务流程

集成质量管理系统由一系列集成化质量控制、质量管理和质量工具支持模块构成，符合企业质量保证体系，并且可扩展性好。将检测规划系统与系统进行集成，能实现对产品三模型、测量设备、检测规划与测量程序的综合分析利用，并且利用其集成化质量控制模块可实现生产过程的质量控制。

在上述系统方案中，集成质量管理系统及其质量控制方法在本课题组已有成熟的研究，并且形成了一套完善的质量管理软件系统，因此本研究重点在于检测规划系统和检验综合管理系统的研究，系统业务流程如图2所示。

检验规划系统主要进行产品检验流程的制定，以及各流程节点的工序设计；检验综合管理系统主要以产品三维模型为线索，进行检测流程的管理和测量结果的管理。

设计人员设计好产品三维模型后，将设计模型文件上传至检测综合管理系统。

检测工艺人员从检测综合管理系统中将产品三维模型下载到本地，使用检测规划系统进行检测规划设计，并将设计结果上传到检测综合管理系统中。此时检测综合管理系统解析检测规划结果，并生成相应的检测流程。

测量现场工人使用检测综合管理系统开启或继续检测流程，检测流程的每个节点都是一个测量工序。在执行具体测量工序时，测量现场工人下载测量工序相关文件（对于人工测量是工艺文件，对于自动测量则是测量程序），然后执行具体的产品测量，并将测量结果上传到检测综合管理系统。

设计人员可以在检测综合管理系统中监控检测流程，对产品测量的结果进行分析，如有需要则及时对产品设计进行修改并更新到检测综合管理系统中。

2 关键技术实现

根据对三维数字化集成检测方案的研究，要实现三维数字化集成检测系统的关键技术包括：检验规划系统中产品特征的识别与信息提取、测量程序的自动生成，检测综合管理系统中测量流程的控制与管理、测量工艺模型的轻量化表示。

2.1 三维模型特征的识别与信息提取

检验规划系统设计主要涉及产品三维模型中三维标注特征与几何特征的识别与信息提取。在具体开发过程中，使用CATIA公差与标注模块及几何特征模块的接口进行二次开发。

CATIA公差与标注模块（Functional Tolerancing & Annotation）提供了相关接口操作产品中关联的公差与标注信息，这些接口在CAA中称为TPS对象（Technological Product Specification）。公差与标注模块的TPS对象模型如图3所示。该图展示了CATIA中对公差结构的定义，图中每一个父类接口表示一种公差分类，子类接口则表示具体的公差类型，例如CATITPSForm接口表示形位公差，其子类CATITPSFlatness表示平面度，CATITPSStraighness则表示直线度。

CATIA整个TPS对象模型实现了对形状公差（CATITPSForm）、位置公差（CATITPSPosition）、尺寸公差（CATITPSDimension）、基准（CATITPSDatum）、粗糙度（CATITPSRoughness）的定义，只要使用公差和标注模块提供的接口就可以实现对TPS特征对象属性信息的提取。

图3 TPS对象模型图

例如对于一个长度尺寸公差对象，可以提取出如表1所示的公差信息，包括了上下偏差，及其关联的几何特征等。

表1 长度尺寸公差信息

图4 TTRS对象结构图

检测规划系统所提取的几何特征并不是独立的几何特征，而是与公差信息相关联的几何特征，这类几何特征在CATIA的公差与标注模块中被封装为TTRS对象（Technologicaly and Topologicaly Related Surfaces）。TTRS对象的作用是关联TPS对象与几何特征对象，如图4所示。

首先，通过TPS对象可以获取相关联的TTRS对象，然后通过TTRS领域模型中的RGE对象（Related Geometric Element），则可以获取到与TPS对象关联的几何特征对象，例如CATPoint、CATCurve、CATSurface，通过调用上述三个对象的接口方法，可提取出点线面中的几何信息。

2.2 测量程序的自动生成

DMIS标准（Dimensional Measuring Interface Standard，尺寸测量接口标准）是尺寸测量领域的工业标准，它为软件系统与尺寸测量设备之间的通信提供统一的数据格式[5]。本研究将基于DMIS标准来生成测量程序，用于驱动尺寸测量设备工作。

如图5所示，是检测规划系统的测量规划在CATIA中的树形结构。

图5 测量规划的树形图

图6 生成DMIS程序的算法流程

测量规划包含了多个测量工序，每个测量工序都包含一个测量对象的列表，列表中的每个对象在DMIS标准中均有相关定义。检测规划系统中每个测量工序都是一个相对独立的测量过程，因此每个测量工序对应生成一个DMIS程序段。在需要生成DMIS时，只需要遍历测量工序列表下的对象，并根据DMIS标准生成相应的程序段即可。

例如需要生成CATIA几何特征对象（比如图5中的“平面.1”）对应的DMIS程序段时，其算法流程如图6所示。

由于DMIS标准中几何特征分类与CATIA有所不同，因此在获取几何特征类型时需要做对应转化。

2.3 测量流程控制与管理

在检测规划系统中设计好测量规划后，导出XML格式的测量规划描述文件，该文件中包含测量规划的树形结构、测量流程的定义和测量程序等信息，检测综合管理系统根据此文件生成测量流程，并进行流程的控制与管理。

检测综合管理系统基于柔性流程定制平台开发[6]，该平台是本课题组的研究成果，能够基于XML对工作流程进行定义，用于自动生成测量流程，如图8所示。

图7 自动生成测量流程示意图

在检测综合管理系统中上传测量规划描述文件后，系统对上传的文件进行解析，并且在后台完成生成测量流程的XML文件、添加流程主记录、发布流程、将流程节点与DMIS文件相关联等操作，并通过柔性流程定制平台进行流程流转控制、流程监控等。

2.4 测量工艺模型的轻量化表示

模型轻量化可以将产品三维模型文件转换为体积小、便于浏览和传递的文件格式，用于满足特定的工程需求[7]。

在测量流程执行过程中提供产品三维模型浏览功能可以给检测工人提供直观的检验依据，有助于提高检验效率。如果将原始的产品三维模型用于模型浏览，可能因为模型数据量大而耗费大量时间和系统资源，因此本系统使用Actify公司的Spinfire软件生成CATIA三维模型的轻量化模型，用于模型浏览。

SpinFire提供的三维模型浏览器是一个ActiveX插件，能将轻量化模型嵌入到网页中显示，从而实现测量工艺模型的轻量化表示，如图8所示。

图8 轻量化模型浏览

3 实例验证

以NIST提供的DML测试样件为例对数字化集成检测系统进行了验证，验证过程如图9所示。

在检测综合管理系统中下载DML样件模型，在基于CATIA环境的检测规划系统中对DML样件进行检测规划，然后将DML样件规划结果上传至监测综合管理系统，此时在系统中生成检测流程及轻量化模型。

在检测综合管理系统中执行DML样件的检测流程，此时可以查看流程以确定当前工序，也可查看DML样件模型图。在流程执行的同时进行流程监控，下载并查看检测结果。

4 结论

本文利用CAA对CATIA进行二次开发，解决产品三维检测中的关键技术，设计三维数字化集成检测原型系统，为三维数字化集成检测系统的工程应用提供理论基础和技术支持。

图9 实例验证

[1] Thomas G Melson.AIMS Metrology[R].Maryland USA:National Institute of Standards and Technology (NIST),2007.

[2] DASSAULT SYSTEMS.CAA V5 for CATIA Foundations[Z].2001.

[3] 秦鹏.计算机辅助检测规划系统的研究[D].北京:清华大学,2004.

[4] NIST.High-Level Inspection Process Planning (HIPP) Minutes[EB/OL]. http://www.isd.mel.nist.gov/projects/metrology_interoperability/HIPP_presentations/HIPPminutes2006-4-25.doc, 2007-5-3/2010-9-28.

[5] CAM-I, Inc.ANSI/CAM-I 104.0-2001,Part 1.Dimensional Measuring Interface Standard Part 1 Revision 04.0[S],2001.

[6] 徐庆丰,段桂江.支持过程柔性的质量管理系统研究与实现[J].制造业自动化,2009,31:78-82.

[7] 降宇波.三维轻量化模型的工程应用[J].河套大学学报.2009,6:61-64.