1 引言
隨著現代化制造技術的發展，數字化量值傳遞的技術正逐步替代傳統的模擬量傳遞模式。傳統的依靠二維圖紙的制造和檢驗已經不能滿足企業的發展需要，取而代之的是以全三維模型為基礎的設計、制造和檢驗模式。基于三維模型的數字化檢測技術的發展則相對滯后于CAD/CAM技術的發展，其與信息化管理系統如MES的結合集成水平也相對較低。
MES作為一種面向車間層的生產管理和優化運行管理軟件，擁有制造過程所有的靜態和動態數據，能形成巨大的制造數據集合。MES的出現和廣泛應用，為車間制造過程質量管理提供了豐富的數據支持，為車間制造過程質量的實時動態管理和控制提供了一種有效的實現思路和支持平臺。MES系統能實現對檢驗資源的管理、檢驗任務的管理、檢驗實例數據的管理、質量審理活動的管理，從而推動制造型企業生產檢驗的自動化和信息化管理。
當前，設計、加工、檢測和質量分析控制是產品制造過程中的主要環節。利用計算機技術將各個環節進行數字化集成，形成完整的閉環制造過程是制造業發展的趨勢。數字化檢測特別是基于三坐標測量機的測量實現了企業生產檢驗的自動化，同時會產生大量的檢測實例數據和報告文件。這就要求MES系統能夠提供支持數字化檢測的相關功能。
而傳統MES中檢驗數據的采集主要是檢驗人員的人工輸入，檢驗數據和任務沒有結構化的管理，并不支持數字化檢測的相關要求，因此制約了機械制造企業檢驗的信息化管理。
本文針對機械制造企業數字化檢測的發展趨勢和當前MES系統對其功能支持的不足，研究數字化檢測的相關技術和標準，實現了基于三坐標測量機的數字化檢測技術方案，同時在MES中開發了支持數字化檢測的質量檢驗模塊，支持相關的任務管理和數據管理，為企業檢驗信息化管理提供了一個軟件平臺。
2 數字化檢測在MES應用系統中的總體解決方案
2.1 系統解決流程圖
根據本課題的研究目標以及當前企業的三維數字化設計水平、企業的測量解決方案和MES應用情況，結合現階段已有的比較成熟的技術，以及系統間的集成和相關領域研究的可能性，我們總結出了圖1所示的解決方案流程圖。
圖1 總體應用流程圖
根據以上流程圖，我們可以得到如下結論；數字化檢測必須建立在企業上游的設計部門和工藝部門進行數字化設計和制造的基礎上，即產品的模型和工藝設計必須按照相關的數字化技術標準進行。而MES對數字化檢測的支持則更多是對檢驗部門業務流程和功能的支持，對其業務和需求提供相應的信息化管理功能。
2.2 系統功能模型
功能模型是MES中有關檢驗模塊的設計依據以及對功能劃分的依據。根據圖1所示的解決方案流程圖，以及研究任務和目標，結合數字化檢測的要求，以及MES系統中對于工藝、質量檢驗和任務管理的支持，我們在MES中針對以上要求設計了相關的功能模塊。圖2是該系統的功能模型圖。功能圖詳細地描述了支持數字化檢測的MES系統質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系統必須提供的操作界面。
圖2 系統功能圖
2.3 系統信息模型
MES中的質量檢驗是面向生產制造過程的。所以檢驗相關數據必然和生產制造工藝、制造任務、相關的資源設備密切相關。由此可以得到支持數字化檢驗的MES系統中質量檢驗模塊的數據模型。
圖3所示的信息模型是該系統相關功能模塊數據存儲的理論模型，表達了檢驗相關信息的內在聯系。
圖3 系統數據模型
2.4 系統框架的設計
根據以上分析的相關流程、功能模型、信息模型，依托當前的實驗室MES系統，我們設計了圖4所示的分層架構，即采用Oracle 9i作為數據庫底層。Hibernate技術作為業務對象層，持久化的數據模型。我們通過建立業務邏輯層實現對業務的處理，最后通過表現層設計實現系統的功能頁面。系統的分層使各層分別處理自己的業務。由于各層間耦合程度較低，因此這種結構更便于業務流程的變更和系統再造。
圖4 系統架構圖
3 關鍵技術和系統實現
3.1 基于MBD的三維數字化檢測
本文重點討論的是數字化檢測在MES中的應用。基于MBD的數字化檢測技術作為其中一項關鍵技術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。基于文檔的過程驅動，融入知識工程、過程模擬的產品標準規范等。它用一個集成的三維實體模型可完整地表達產品定義信息，即將制造信息和設計信息(三維尺寸標注即各種制造信息和產品結構信息)共同定義到產品的三維數字化模型中，保證了設計數據的唯一性。MBD不是簡單的三維標注加三維模型，它不僅描述設計幾何信息而且定義三維產品制造信息和非幾何的管理信息(產品結構、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的過度依賴。
機械制造企業要實現基于MBD的三維數字化檢測，單純依靠檢驗部門并不能有效地完成，必須從企業的上游設計部門到工藝設計部門，再到加工制造部門，來協同完成。根據相關部門的職能不同需要完成不同的任務，筆者在這里根據當前某企業的數字化檢驗情況總結出了一般機械制造企業實現數字化檢測需要實現的3個步驟：①基于MBD的三維模型設計(企業的產品設計部門必須遵循MBD的技術規范要求設計產品的三維模型，依據規范將產品的所有制造需求、性能、公差等標注于產品的三維模型上，使這樣一個模型包含該產品所有的信息，并向工藝部門下發這一模型文件，而不需要提供額外的文件)；②基于MBD的三維工藝設計(企業的工藝部門也必須按照MBD技術規范要求設計產品的三維工藝，來替代傳統的工藝卡片。即工藝設計部門需要為每一道工序設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的測量規劃與編程(在企業工藝設計部門已經設計產品的三維工序模型后，檢驗部門只需要根據檢驗工序的工序模型進行測量規劃和編程。而實現基于MBD的檢測規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；同時根據模型上的標注可實現對尺寸公差和形位公差的自動識別并進行自動檢驗規劃；最后運用PC-DMIS測量軟件可讀入測量規劃文件，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，企業實行基于MBD的三維數字化檢測需要一個較高的軟硬件平臺，并且需要企業的設計、制造、檢驗等部門相互協同，同時企業需要轉變傳統的設計制造模式，使數字化、無紙化成為制造型企業的發展方向和目標。圖5是整個企業數字化設計、制造和檢驗的實現圖。
圖5 企業數字化檢驗的實現圖
3.2 基于三維輕模型的檢驗需求提取技術
企業實現了數字化檢測以后，車間級別的信息管理系統MES要實現對數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的檢驗需求并將其結構化存儲到MES系統中是需要解決的一個關鍵問題。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系統中。
工藝部門下發的檢驗工序模型通過輕量化軟件被轉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計檢驗工序模型的時候必須嚴格遵守MBD的技術規范，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換為MES系統中對于檢驗需求的描述格式，然后將其自動錄入MES系統，進行結構化存儲。
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，實現輕模型上標注與MES中檢驗項聯動的關聯展示。
圖6 檢驗需求的提取界面
3.3 基于DMIS標準的檢驗數據提取技術
數字化檢測過程中會產生DMIS格式的檢驗程序和檢驗結果文件，這些文件中包含了大量的理論檢驗數據和實例數據。如何提取這些數據是MES系統實現對數字化檢驗數據管理的關鍵技術。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范項目。DMIS的目的是提供計算機系統和測量機設備間雙向傳遞檢測數據的統一標準。這個標準制定了測量程序和測量結果數據的中間格式，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系統基礎上開發了DMIS文件解析算法，使其能夠自動從DMIS程序和結果文件中讀取所有的公差信息，并在MES系統中實現對數據的結構化管理。
4 結論
通過對企業數字化檢測解決方案的可行性和相關技術標準的探討，結合當前企業對數字化檢測的需求以及MES系統本身對其相關功能的支持，本文提出了典型機械制造型企業數字化檢測的解決方案和MES系統中關于數字化檢測相關功能的支持模塊。實現企業生產檢驗的無紙化和自動化，相關制造檢驗數據的結構化和信息化管理，檢驗任務的執行管理及相關產品質量審理的管理，對推動企業數字化生產和信息化管理有一定的現實意義。
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本文標題：數字化檢測在MES中的應用研究
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