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(yàn)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(jì)、制造和檢驗(yàn)?zāi)Ｊ��；�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(yùn)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(yīng)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(shí)時動態(tài)管理和控制提供了一種有效的實(shí)現(xiàn)思路和支持平臺。MES系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對檢驗(yàn)資源的管理、檢驗(yàn)任務(wù)的管理、檢驗(yàn)實(shí)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(yàn)的自動化和信息化管理。

    當(dāng)前，設(shè)計(jì)、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(jì)算機(jī)技術(shù)將各個環(huán)節(jié)進(jìn)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(biāo)測量機(jī)的測量實(shí)現(xiàn)了企業(yè)生產(chǎn)檢驗(yàn)的自動化，同時會產(chǎn)生大量的檢測實(shí)例數(shù)據(jù)和報(bào)告文件。這就要求MES系統(tǒng)能夠提供支持?jǐn)?shù)字化檢測的相關(guān)功能。

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

    本文針對機(jī)械制造企業(yè)數(shù)字化檢測的發(fā)展趨勢和當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了基于三坐標(biāo)測量機(jī)的數(shù)字化檢測技術(shù)方案，同時在MES中開發(fā)了支持?jǐn)?shù)字化檢測的質(zhì)量檢驗(yàn)?zāi)�塊，支持相關(guān)的任務(wù)管理和數(shù)據(jù)管理，為企業(yè)檢驗(yàn)信息化管理提供了一個軟件平臺。

2 數(shù)字化檢測在MES應(yīng)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(biāo)以及當(dāng)前企業(yè)的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)水平、企業(yè)的測量解決方案和MES應(yīng)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(yīng)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(jì)部門和工藝部門進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)和制造的基礎(chǔ)上，即產(chǎn)品的模型和工藝設(shè)計(jì)必須按照相關(guān)的數(shù)字化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。而MES對數(shù)字化檢測的支持則更多是對檢驗(yàn)部門業(yè)務(wù)流程和功能的支持，對其業(yè)務(wù)和需求提供相應(yīng)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(yàn)?zāi)�塊的設(shè)計(jì)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(wù)和目標(biāo)，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(yàn)和任務(wù)管理的支持，我們在MES中針對以上要求設(shè)計(jì)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(xì)地描述了支持?jǐn)?shù)字化檢測的MES系統(tǒng)質(zhì)量檢驗(yàn)?zāi)�塊應(yīng)有的的幾大功能，如檢驗(yàn)工藝管理，檢驗(yàn)資源管理，檢驗(yàn)任務(wù)管理等。每個子模塊應(yīng)具有更加詳細(xì)的功能點(diǎn)。這些功能點(diǎn)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(yàn)是面向生產(chǎn)制造過程的。所以檢驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)必然和生產(chǎn)制造工藝、制造任務(wù)、相關(guān)的資源設(shè)備密切相關(guān)。由此可以得到支持?jǐn)?shù)字化檢驗(yàn)的MES系統(tǒng)中質(zhì)量檢驗(yàn)?zāi)�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(dá)了檢驗(yàn)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(jì)

    根據(jù)以上分析的相關(guān)流程、功能模型、信息模型，依托當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)室MES系統(tǒng)，我們設(shè)計(jì)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(wù)對象層，持久化的數(shù)據(jù)模型。我們通過建立業(yè)務(wù)邏輯層實(shí)現(xiàn)對業(yè)務(wù)的處理，最后通過表現(xiàn)層設(shè)計(jì)實(shí)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(wù)。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(wù)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(shí)現(xiàn)

    3.1 基于MBD的三維數(shù)字化檢測

    本文重點(diǎn)討論的是數(shù)字化檢測在MES中的應(yīng)用�；�于MBD的數(shù)字化檢測技術(shù)作為其中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)有必要進(jìn)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�；�于文檔的過程驅(qū)動，融入知識工程、過程模擬的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等。它用一個集成的三維實(shí)體模型可完整地表達(dá)產(chǎn)品定義信息，即將制造信息和設(shè)計(jì)信息(三維尺寸標(biāo)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(jì)數(shù)據(jù)的唯一性。MBD不是簡單的三維標(biāo)注加三維模型，它不僅描述設(shè)計(jì)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(jī)械制造企業(yè)要實(shí)現(xiàn)基于MBD的三維數(shù)字化檢測，單純依靠檢驗(yàn)部門并不能有效地完成，必須從企業(yè)的上游設(shè)計(jì)部門到工藝設(shè)計(jì)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(wù)，筆者在這里根據(jù)當(dāng)前某企業(yè)的數(shù)字化檢驗(yàn)情況總結(jié)出了一般機(jī)械制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化檢測需要實(shí)現(xiàn)的3個步驟：①基于MBD的三維模型設(shè)計(jì)(企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)部門必須遵循MBD的技術(shù)規(guī)范要求設(shè)計(jì)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(biāo)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(jì)(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(jì)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(jì)部門需要為每一道工序設(shè)計(jì)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(yīng)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(jì)部門已經(jīng)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的三維工序模型后，檢驗(yàn)部門只需要根據(jù)檢驗(yàn)工序的工序模型進(jìn)行測量規(guī)劃和編程。而實(shí)現(xiàn)基于MBD的檢測規(guī)劃和編程則必須借助先進(jìn)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，�？怂箍档腜C-DMIS planner軟件支持基于MBD的測量規(guī)劃；該軟件支持帶三維標(biāo)注信息的CAD模型的直接導(dǎo)入；同時根據(jù)模型上的標(biāo)注可實(shí)現(xiàn)對尺寸公差和形位公差的自動識別并進(jìn)行自動檢驗(yàn)規(guī)劃；最后運(yùn)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(yàn)人員可以直接運(yùn)用這個DMIS、測量程序進(jìn)行測量。

    綜上所述，企業(yè)實(shí)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(jì)、制造、檢驗(yàn)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(jì)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(biāo)。圖5是整個企業(yè)數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)圖。

圖5 企業(yè)數(shù)字化檢驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)圖

    3.2 基于三維輕模型的檢驗(yàn)需求提取技術(shù)

    企業(yè)實(shí)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(shí)現(xiàn)對數(shù)字化檢測信息化管理，首先需要對檢驗(yàn)需求進(jìn)行管理。檢驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)需求，并自動存儲到MES系統(tǒng)中。

    工藝部門下發(fā)的檢驗(yàn)工序模型通過輕量化軟件被轉(zhuǎn)化為輕量化格式的檢驗(yàn)工序模型文件。這要求工藝部門在設(shè)計(jì)檢驗(yàn)工序模型的時候必須嚴(yán)格遵守MBD的技術(shù)規(guī)范，否則就會導(dǎo)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(biāo)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(yàn)要求需要進(jìn)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(yàn)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(yàn)需求的描述格式，然后將其自動錄入MES系統(tǒng)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)化存儲。

    圖6即為MES中檢驗(yàn)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(yàn)需求，自動生成相應(yīng)檢驗(yàn)項(xiàng)的檢驗(yàn)圖示，實(shí)現(xiàn)輕模型上標(biāo)注與MES中檢驗(yàn)項(xiàng)聯(lián)動的關(guān)聯(lián)展示。

圖6 檢驗(yàn)需求的提取界面

    3.3 基于DMIS標(biāo)準(zhǔn)的檢驗(yàn)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(yàn)程序和檢驗(yàn)結(jié)果文件，這些文件中包含了大量的理論檢驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)例數(shù)據(jù)。如何提取這些數(shù)據(jù)是MES系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對數(shù)字化檢驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)的簡稱，DMIS標(biāo)準(zhǔn)的最初開發(fā)是由計(jì)算機(jī)輔助制造國際公司(CAM-I)資助的，1985年2月開始作為三坐標(biāo)尺寸測量的接口規(guī)范項(xiàng)目。DMIS的目的是提供計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和測量機(jī)設(shè)備間雙向傳遞檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。這個標(biāo)準(zhǔn)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(dá)語句。公差的所有信息都可以通過讀取其相應(yīng)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)的探討，結(jié)合當(dāng)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(jī)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(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)檢驗(yàn)的無紙化和自動化，相關(guān)制造檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化和信息化管理，檢驗(yàn)任務(wù)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(shí)意義。

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本文標(biāo)題：數(shù)字化檢測在MES中的應(yīng)用研究

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