1 引言

    隨著現(xiàn)代化制造技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化量值傳遞的技術(shù)正逐步替代傳統(tǒng)的模擬量傳遞模式。傳統(tǒng)的依靠二維圖紙的制造和檢驗已經(jīng)不能滿足企業(yè)的發(fā)展需要，取而代之的是以全三維模型為基礎(chǔ)的設(shè)計、制造和檢驗模式。基于三維模型的數(shù)字化檢測技術(shù)的發(fā)展則相對滯后于CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展，其與信息化管理系統(tǒng)如MES的結(jié)合集成水平也相對較低。

    MES作為一種面向車間層的生產(chǎn)管理和優(yōu)化運行管理軟件，擁有制造過程所有的靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)，能形成巨大的制造數(shù)據(jù)集合。MES的出現(xiàn)和廣泛應用，為車間制造過程質(zhì)量管理提供了豐富的數(shù)據(jù)支持，為車間制造過程質(zhì)量的實時動態(tài)管理和控制提供了一種有效的實現(xiàn)思路和支持平臺。MES系統(tǒng)能實現(xiàn)對檢驗資源的管理、檢驗任務的管理、檢驗實例數(shù)據(jù)的管理、質(zhì)量審理活動的管理，從而推動制造型企業(yè)生產(chǎn)檢驗的自動化和信息化管理。

    當前，設(shè)計、加工、檢測和質(zhì)量分析控制是產(chǎn)品制造過程中的主要環(huán)節(jié)。利用計算機技術(shù)將各個環(huán)節(jié)進行數(shù)字化集成，形成完整的閉環(huán)制造過程是制造業(yè)發(fā)展的趨勢。數(shù)字化檢測特別是基于三坐標測量機的測量實現(xiàn)了企業(yè)生產(chǎn)檢驗的自動化，同時會產(chǎn)生大量的檢測實例數(shù)據(jù)和報告文件。這就要求MES系統(tǒng)能夠提供支持數(shù)字化檢測的相關(guān)功能。

    而傳統(tǒng)MES中檢驗數(shù)據(jù)的采集主要是檢驗人員的人工輸入，檢驗數(shù)據(jù)和任務沒有結(jié)構(gòu)化的管理，并不支持數(shù)字化檢測的相關(guān)要求，因此制約了機械制造企業(yè)檢驗的信息化管理。

    本文針對機械制造企業(yè)數(shù)字化檢測的發(fā)展趨勢和當前MES系統(tǒng)對其功能支持的不足，研究數(shù)字化檢測的相關(guān)技術(shù)和標準，實現(xiàn)了基于三坐標測量機的數(shù)字化檢測技術(shù)方案，同時在MES中開發(fā)了支持數(shù)字化檢測的質(zhì)量檢驗模塊，支持相關(guān)的任務管理和數(shù)據(jù)管理，為企業(yè)檢驗信息化管理提供了一個軟件平臺。

2 數(shù)字化檢測在MES應用系統(tǒng)中的總體解決方案

    2.1 系統(tǒng)解決流程圖

    根據(jù)本課題的研究目標以及當前企業(yè)的三維數(shù)字化設(shè)計水平、企業(yè)的測量解決方案和MES應用情況，結(jié)合現(xiàn)階段已有的比較成熟的技術(shù)，以及系統(tǒng)間的集成和相關(guān)領(lǐng)域研究的可能性，我們總結(jié)出了圖1所示的解決方案流程圖。

圖1 總體應用流程圖

    根據(jù)以上流程圖，我們可以得到如下結(jié)論；數(shù)字化檢測必須建立在企業(yè)上游的設(shè)計部門和工藝部門進行數(shù)字化設(shè)計和制造的基礎(chǔ)上，即產(chǎn)品的模型和工藝設(shè)計必須按照相關(guān)的數(shù)字化技術(shù)標準進行。而MES對數(shù)字化檢測的支持則更多是對檢驗部門業(yè)務流程和功能的支持，對其業(yè)務和需求提供相應的信息化管理功能。

    2.2 系統(tǒng)功能模型

    功能模型是MES中有關(guān)檢驗模塊的設(shè)計依據(jù)以及對功能劃分的依據(jù)。根據(jù)圖1所示的解決方案流程圖，以及研究任務和目標，結(jié)合數(shù)字化檢測的要求，以及MES系統(tǒng)中對于工藝、質(zhì)量檢驗和任務管理的支持，我們在MES中針對以上要求設(shè)計了相關(guān)的功能模塊。圖2是該系統(tǒng)的功能模型圖。功能圖詳細地描述了支持數(shù)字化檢測的MES系統(tǒng)質(zhì)量檢驗模塊應有的的幾大功能，如檢驗工藝管理，檢驗資源管理，檢驗任務管理等。每個子模塊應具有更加詳細的功能點。這些功能點即為MES系統(tǒng)必須提供的操作界面。

圖2 系統(tǒng)功能圖

    2.3 系統(tǒng)信息模型

    MES中的質(zhì)量檢驗是面向生產(chǎn)制造過程的。所以檢驗相關(guān)數(shù)據(jù)必然和生產(chǎn)制造工藝、制造任務、相關(guān)的資源設(shè)備密切相關(guān)。由此可以得到支持數(shù)字化檢驗的MES系統(tǒng)中質(zhì)量檢驗模塊的數(shù)據(jù)模型。

    圖3所示的信息模型是該系統(tǒng)相關(guān)功能模塊數(shù)據(jù)存儲的理論模型，表達了檢驗相關(guān)信息的內(nèi)在聯(lián)系。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型

    2.4 系統(tǒng)框架的設(shè)計

    根據(jù)以上分析的相關(guān)流程、功能模型、信息模型，依托當前的實驗室MES系統(tǒng)，我們設(shè)計了圖4所示的分層架構(gòu)，即采用Oracle 9i作為數(shù)據(jù)庫底層。Hibernate技術(shù)作為業(yè)務對象層，持久化的數(shù)據(jù)模型。我們通過建立業(yè)務邏輯層實現(xiàn)對業(yè)務的處理，最后通過表現(xiàn)層設(shè)計實現(xiàn)系統(tǒng)的功能頁面。系統(tǒng)的分層使各層分別處理自己的業(yè)務。由于各層間耦合程度較低，因此這種結(jié)構(gòu)更便于業(yè)務流程的變更和系統(tǒng)再造。

圖4 系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)實現(xiàn)

    3.1 基于MBD的三維數(shù)字化檢測

    本文重點討論的是數(shù)字化檢測在MES中的應用。基于MBD的數(shù)字化檢測技術(shù)作為其中一項關(guān)鍵技術(shù)有必要進行深入的研究。MBD(Model Based Definition，基于模型定義)的核心思想是：全三維基于特征的表述方法。基于文檔的過程驅(qū)動，融入知識工程、過程模擬的產(chǎn)品標準規(guī)范等。它用一個集成的三維實體模型可完整地表達產(chǎn)品定義信息，即將制造信息和設(shè)計信息(三維尺寸標注即各種制造信息和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息)共同定義到產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型中，保證了設(shè)計數(shù)據(jù)的唯一性。MBD不是簡單的三維標注加三維模型，它不僅描述設(shè)計幾何信息而且定義三維產(chǎn)品制造信息和非幾何的管理信息(產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、PMI、BOM等)。使用人員僅需一個三維模型即可獲得全部信息，減少了對其他信息系統(tǒng)的過度依賴。

    機械制造企業(yè)要實現(xiàn)基于MBD的三維數(shù)字化檢測，單純依靠檢驗部門并不能有效地完成，必須從企業(yè)的上游設(shè)計部門到工藝設(shè)計部門，再到加工制造部門，來協(xié)同完成。根據(jù)相關(guān)部門的職能不同需要完成不同的任務，筆者在這里根據(jù)當前某企業(yè)的數(shù)字化檢驗情況總結(jié)出了一般機械制造企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化檢測需要實現(xiàn)的3個步驟：①基于MBD的三維模型設(shè)計(企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計部門必須遵循MBD的技術(shù)規(guī)范要求設(shè)計產(chǎn)品的三維模型，依據(jù)規(guī)范將產(chǎn)品的所有制造需求、性能、公差等標注于產(chǎn)品的三維模型上，使這樣一個模型包含該產(chǎn)品所有的信息，并向工藝部門下發(fā)這一模型文件，而不需要提供額外的文件)；②基于MBD的三維工藝設(shè)計(企業(yè)的工藝部門也必須按照MBD技術(shù)規(guī)范要求設(shè)計產(chǎn)品的三維工藝，來替代傳統(tǒng)的工藝卡片。即工藝設(shè)計部門需要為每一道工序設(shè)計一個三維工序模型，該模型包含本道工序的制造要求、公差使加工制造部門可以根據(jù)三維工序模型加工出該道工序應該得到的零件)；③基于MBD的測量規(guī)劃與編程(在企業(yè)工藝設(shè)計部門已經(jīng)設(shè)計產(chǎn)品的三維工序模型后，檢驗部門只需要根據(jù)檢驗工序的工序模型進行測量規(guī)劃和編程。而實現(xiàn)基于MBD的檢測規(guī)劃和編程則必須借助先進的測量軟件)。

    筆者對市場測量軟件的調(diào)查和分析可知：目前，海克斯康的PC-DMIS planner軟件支持基于MBD的測量規(guī)劃；該軟件支持帶三維標注信息的CAD模型的直接導入；同時根據(jù)模型上的標注可實現(xiàn)對尺寸公差和形位公差的自動識別并進行自動檢驗規(guī)劃；最后運用PC-DMIS測量軟件可讀入測量規(guī)劃文件，自動生成DMIS測量程序；檢驗人員可以直接運用這個DMIS、測量程序進行測量。

    綜上所述，企業(yè)實行基于MBD的三維數(shù)字化檢測需要一個較高的軟硬件平臺，并且需要企業(yè)的設(shè)計、制造、檢驗等部門相互協(xié)同，同時企業(yè)需要轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的設(shè)計制造模式，使數(shù)字化、無紙化成為制造型企業(yè)的發(fā)展方向和目標。圖5是整個企業(yè)數(shù)字化設(shè)計、制造和檢驗的實現(xiàn)圖。

圖5 企業(yè)數(shù)字化檢驗的實現(xiàn)圖

    3.2 基于三維輕模型的檢驗需求提取技術(shù)

    企業(yè)實現(xiàn)了數(shù)字化檢測以后，車間級別的信息管理系統(tǒng)MES要實現(xiàn)對數(shù)字化檢測信息化管理，首先需要對檢驗需求進行管理。檢驗需求主要包括尺寸公差、形位公差、粗糙度以及其他的一些理化特性。由于數(shù)字化檢驗過程始終依靠一個三維模型傳遞所有的信息，因此如何從三維模型中提取相關(guān)的檢驗需求并將其結(jié)構(gòu)化存儲到MES系統(tǒng)中是需要解決的一個關(guān)鍵問題。本文采用解析輕量化模型文件的方式自動獲取檢驗需求，并自動存儲到MES系統(tǒng)中。

    工藝部門下發(fā)的檢驗工序模型通過輕量化軟件被轉(zhuǎn)化為輕量化格式的檢驗工序模型文件。這要求工藝部門在設(shè)計檢驗工序模型的時候必須嚴格遵守MBD的技術(shù)規(guī)范，否則就會導致某些信息的丟失。

    輕量化文件是一個壓縮的XML文檔，它包括所有的標注信息。而要得到其中的公差要求則必須解析這個XML文檔。在解析這個XML文檔的時候，檢驗要求需要進行分類，主要有尺寸公差、形位公差和粗糙度。目前系統(tǒng)的解析算法也只支持這三類檢驗要求的解析。這些解析出來的信息被轉(zhuǎn)換為MES系統(tǒng)中對于檢驗需求的描述格式，然后將其自動錄入MES系統(tǒng)，進行結(jié)構(gòu)化存儲。

    圖6即為MES中檢驗需求的自動提取界面。

    它能夠自動提取輕量化模型上的檢驗需求，自動生成相應檢驗項的檢驗圖示，實現(xiàn)輕模型上標注與MES中檢驗項聯(lián)動的關(guān)聯(lián)展示。

圖6 檢驗需求的提取界面

    3.3 基于DMIS標準的檢驗數(shù)據(jù)提取技術(shù)

    數(shù)字化檢測過程中會產(chǎn)生DMIS格式的檢驗程序和檢驗結(jié)果文件，這些文件中包含了大量的理論檢驗數(shù)據(jù)和實例數(shù)據(jù)。如何提取這些數(shù)據(jù)是MES系統(tǒng)實現(xiàn)對數(shù)字化檢驗數(shù)據(jù)管理的關(guān)鍵技術(shù)。DMIS是Dimensional Measuring Interfaee Standard即尺寸測量接口標準的簡稱，DMIS標準的最初開發(fā)是由計算機輔助制造國際公司(CAM-I)資助的，1985年2月開始作為三坐標尺寸測量的接口規(guī)范項目。DMIS的目的是提供計算機系統(tǒng)和測量機設(shè)備間雙向傳遞檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)一標準。這個標準制定了測量程序和測量結(jié)果數(shù)據(jù)的中間格式，它有專門的語法格式表。它在語法表示中對各種尺寸公差和形位公差以及幾何特征有明確的定義表達語句。公差的所有信息都可以通過讀取其相應的DMIS描述語句得到該公差的所有信息。筆者在MES系統(tǒng)基礎(chǔ)上開發(fā)了DMIS文件解析算法，使其能夠自動從DMIS程序和結(jié)果文件中讀取所有的公差信息，并在MES系統(tǒng)中實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化管理。

4 結(jié)論

    通過對企業(yè)數(shù)字化檢測解決方案的可行性和相關(guān)技術(shù)標準的探討，結(jié)合當前企業(yè)對數(shù)字化檢測的需求以及MES系統(tǒng)本身對其相關(guān)功能的支持，本文提出了典型機械制造型企業(yè)數(shù)字化檢測的解決方案和MES系統(tǒng)中關(guān)于數(shù)字化檢測相關(guān)功能的支持模塊。實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)檢驗的無紙化和自動化，相關(guān)制造檢驗數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化和信息化管理，檢驗任務的執(zhí)行管理及相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量審理的管理，對推動企業(yè)數(shù)字化生產(chǎn)和信息化管理有一定的現(xiàn)實意義。

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本文標題：數(shù)字化檢測在MES中的應用研究

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