1 引言
随着现代化制造技术的发展，数字化量值传递的技术正逐步替代传统的模拟量传递模式。传统的依靠二维图纸的制造和检验已经不能满足企业的发展需要，取而代之的是以全三维模型为基础的设计、制造和检验模式。基于三维模型的数字化检测技术的发展则相对滞后于CAD/CAM技术的发展，其与信息化管理系统如MES的结合集成水平也相对较低。
MES作为一种面向车间层的生产管理和优化运行管理软件，拥有制造过程所有的静态和动态数据，能形成巨大的制造数据集合。MES的出现和广泛应用，为车间制造过程质量管理提供了丰富的数据支持，为车间制造过程质量的实时动态管理和控制提供了一种有效的实现思路和支持平台。MES系统能实现对检验资源的管理、检验任务的管理、检验实例数据的管理、质量审理活动的管理，从而推动制造型企业生产检验的自动化和信息化管理。
当前，设计、加工、检测和质量分析控制是产品制造过程中的主要环节。利用计算机技术将各个环节进行数字化集成，形成完整的闭环制造过程是制造业发展的趋势。数字化检测特别是基于三坐标测量机的测量实现了企业生产检验的自动化，同时会产生大量的检测实例数据和报告文件。这就要求MES系统能够提供支持数字化检测的相关功能。
而传统MES中检验数据的采集主要是检验人员的人工输入，检验数据和任务没有结构化的管理，并不支持数字化检测的相关要求，因此制约了机械制造企业检验的信息化管理。
本文针对机械制造企业数字化检测的发展趋势和当前MES系统对其功能支持的不足，研究数字化检测的相关技术和标准，实现了基于三坐标测量机的数字化检测技术方案，同时在MES中开发了支持数字化检测的质量检验模块，支持相关的任务管理和数据管理，为企业检验信息化管理提供了一个软件平台。
2 数字化检测在MES应用系统中的总体解决方案
2.1 系统解决流程图
根据本课题的研究目标以及当前企业的三维数字化设计水平、企业的测量解决方案和MES应用情况，结合现阶段已有的比较成熟的技术，以及系统间的集成和相关领域研究的可能性，我们总结出了图1所示的解决方案流程图。
图1 总体应用流程图
根据以上流程图，我们可以得到如下结论；数字化检测必须建立在企业上游的设计部门和工艺部门进行数字化设计和制造的基础上，即产品的模型和工艺设计必须按照相关的数字化技术标准进行。而MES对数字化检测的支持则更多是对检验部门业务流程和功能的支持，对其业务和需求提供相应的信息化管理功能。
2.2 系统功能模型
功能模型是MES中有关检验模块的设计依据以及对功能划分的依据。根据图1所示的解决方案流程图，以及研究任务和目标，结合数字化检测的要求，以及MES系统中对于工艺、质量检验和任务管理的支持，我们在MES中针对以上要求设计了相关的功能模块。图2是该系统的功能模型图。功能图详细地描述了支持数字化检测的MES系统质量检验模块应有的的几大功能，如检验工艺管理，检验资源管理，检验任务管理等。每个子模块应具有更加详细的功能点。这些功能点即为MES系统必须提供的操作界面。
图2 系统功能图
2.3 系统信息模型
MES中的质量检验是面向生产制造过程的。所以检验相关数据必然和生产制造工艺、制造任务、相关的资源设备密切相关。由此可以得到支持数字化检验的MES系统中质量检验模块的数据模型。
图3所示的信息模型是该系统相关功能模块数据存储的理论模型，表达了检验相关信息的内在联系。
图3 系统数据模型
2.4 系统框架的设计
根据以上分析的相关流程、功能模型、信息模型，依托当前的实验室MES系统，我们设计了图4所示的分层架构，即采用Oracle 9i作为数据库底层。Hibernate技术作为业务对象层，持久化的数据模型。我们通过建立业务逻辑层实现对业务的处理，最后通过表现层设计实现系统的功能页面。系统的分层使各层分别处理自己的业务。由于各层间耦合程度较低，因此这种结构更便于业务流程的变更和系统再造。
图4 系统架构图
3 关键技术和系统实现
3.1 基于MBD的三维数字化检测
本文重点讨论的是数字化检测在MES中的应用。基于MBD的数字化检测技术作为其中一项关键技术有必要进行深入的研究。MBD(Model Based Definition，基于模型定义)的核心思想是：全三维基于特征的表述方法。基于文档的过程驱动，融入知识工程、过程模拟的产品标准规范等。它用一个集成的三维实体模型可完整地表达产品定义信息，即将制造信息和设计信息(三维尺寸标注即各种制造信息和产品结构信息)共同定义到产品的三维数字化模型中，保证了设计数据的唯一性。MBD不是简单的三维标注加三维模型，它不仅描述设计几何信息而且定义三维产品制造信息和非几何的管理信息(产品结构、PMI、BOM等)。使用人员仅需一个三维模型即可获得全部信息，减少了对其他信息系统的过度依赖。
机械制造企业要实现基于MBD的三维数字化检测，单纯依靠检验部门并不能有效地完成，必须从企业的上游设计部门到工艺设计部门，再到加工制造部门，来协同完成。根据相关部门的职能不同需要完成不同的任务，笔者在这里根据当前某企业的数字化检验情况总结出了一般机械制造企业实现数字化检测需要实现的3个步骤：①基于MBD的三维模型设计(企业的产品设计部门必须遵循MBD的技术规范要求设计产品的三维模型，依据规范将产品的所有制造需求、性能、公差等标注于产品的三维模型上，使这样一个模型包含该产品所有的信息，并向工艺部门下发这一模型文件，而不需要提供额外的文件)；②基于MBD的三维工艺设计(企业的工艺部门也必须按照MBD技术规范要求设计产品的三维工艺，来替代传统的工艺卡片。即工艺设计部门需要为每一道工序设计一个三维工序模型，该模型包含本道工序的制造要求、公差使加工制造部门可以根据三维工序模型加工出该道工序应该得到的零件)；③基于MBD的测量规划与编程(在企业工艺设计部门已经设计产品的三维工序模型后，检验部门只需要根据检验工序的工序模型进行测量规划和编程。而实现基于MBD的检测规划和编程则必须借助先进的测量软件)。
笔者对市场测量软件的调查和分析可知：目前，海克斯康的PC-DMIS planner软件支持基于MBD的测量规划；该软件支持带三维标注信息的CAD模型的直接导入；同时根据模型上的标注可实现对尺寸公差和形位公差的自动识别并进行自动检验规划；最后运用PC-DMIS测量软件可读入测量规划文件，自动生成DMIS测量程序；检验人员可以直接运用这个DMIS、测量程序进行测量。
综上所述，企业实行基于MBD的三维数字化检测需要一个较高的软硬件平台，并且需要企业的设计、制造、检验等部门相互协同，同时企业需要转变传统的设计制造模式，使数字化、无纸化成为制造型企业的发展方向和目标。图5是整个企业数字化设计、制造和检验的实现图。
图5 企业数字化检验的实现图
3.2 基于三维轻模型的检验需求提取技术
企业实现了数字化检测以后，车间级别的信息管理系统MES要实现对数字化检测信息化管理，首先需要对检验需求进行管理。检验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。由于数字化检验过程始终依靠一个三维模型传递所有的信息，因此如何从三维模型中提取相关的检验需求并将其结构化存储到MES系统中是需要解决的一个关键问题。本文采用解析轻量化模型文件的方式自动获取检验需求，并自动存储到MES系统中。
工艺部门下发的检验工序模型通过轻量化软件被转化为轻量化格式的检验工序模型文件。这要求工艺部门在设计检验工序模型的时候必须严格遵守MBD的技术规范，否则就会导致某些信息的丢失。
轻量化文件是一个压缩的XML文档，它包括所有的标注信息。而要得到其中的公差要求则必须解析这个XML文档。在解析这个XML文档的时候，检验要求需要进行分类，主要有尺寸公差、形位公差和粗糙度。目前系统的解析算法也只支持这三类检验要求的解析。这些解析出来的信息被转换为MES系统中对于检验需求的描述格式，然后将其自动录入MES系统，进行结构化存储。
图6即为MES中检验需求的自动提取界面。
它能够自动提取轻量化模型上的检验需求，自动生成相应检验项的检验图示，实现轻模型上标注与MES中检验项联动的关联展示。
图6 检验需求的提取界面
3.3 基于DMIS标准的检验数据提取技术
数字化检测过程中会产生DMIS格式的检验程序和检验结果文件，这些文件中包含了大量的理论检验数据和实例数据。如何提取这些数据是MES系统实现对数字化检验数据管理的关键技术。DMIS是Dimensional Measuring Interfaee Standard即尺寸测量接口标准的简称，DMIS标准的最初开发是由计算机辅助制造国际公司(CAM-I)资助的，1985年2月开始作为三坐标尺寸测量的接口规范项目。DMIS的目的是提供计算机系统和测量机设备间双向传递检测数据的统一标准。这个标准制定了测量程序和测量结果数据的中间格式，它有专门的语法格式表。它在语法表示中对各种尺寸公差和形位公差以及几何特征有明确的定义表达语句。公差的所有信息都可以通过读取其相应的DMIS描述语句得到该公差的所有信息。笔者在MES系统基础上开发了DMIS文件解析算法，使其能够自动从DMIS程序和结果文件中读取所有的公差信息，并在MES系统中实现对数据的结构化管理。
4 结论
通过对企业数字化检测解决方案的可行性和相关技术标准的探讨，结合当前企业对数字化检测的需求以及MES系统本身对其相关功能的支持，本文提出了典型机械制造型企业数字化检测的解决方案和MES系统中关于数字化检测相关功能的支持模块。实现企业生产检验的无纸化和自动化，相关制造检验数据的结构化和信息化管理，检验任务的执行管理及相关产品质量审理的管理，对推动企业数字化生产和信息化管理有一定的现实意义。
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本文标题：数字化检测在MES中的应用研究
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