三維模型定義（MBD）發(fā)展動態(tài)

吳軍　胡其登

一、為什么應(yīng)該對三維模型定義感興趣？

首先做一個(gè)簡單的比較。如圖 1和圖 2兩種零件表達(dá)方式，哪一種更加直觀清晰？

很顯然圖 2更加直觀清晰，這就是三維模型定義的優(yōu)勢。三維模型定義（Model BasedDefinition，MBD）就是一項(xiàng)把三維標(biāo)注和屬性直接關(guān)聯(lián)定義到三維模型的工程實(shí)踐。

（1）三維標(biāo)注包括（但不局限于）基準(zhǔn)面標(biāo)識、尺寸、公差、表面粗糙度、焊接符號、材料明細(xì)表、技術(shù)要求、標(biāo)題欄和坐標(biāo)系統(tǒng)等。目的是為生產(chǎn)制造提供必需的設(shè)計(jì)信息。三維標(biāo)注在國際上也被稱為三維產(chǎn)品和制造信息（3DProduct and ManufacturingInformation，3DPMI）。

（2）屬性包括零件號、材料、版本、顏色和日期等?？梢杂善髽I(yè)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、產(chǎn)品生命周期管理，或者企業(yè)資源管理軟件關(guān)聯(lián)驅(qū)動。這樣通過管理軟件做出的屬性改動，可以自動更新到模型和三維標(biāo)識中。

三維模型定義集成了三維建模和二維標(biāo)注的優(yōu)勢，把二者結(jié)合到了一個(gè)三維總體文件當(dāng)中。避免了創(chuàng)建和更新二維工程圖，也避免了相應(yīng)的大量問題。更為方便的是，三維模型定義可以內(nèi)嵌在廣為使用的 PDF或者網(wǎng)頁格式當(dāng)中。讀圖人員可以使用免費(fèi)的 Adobe閱讀器（AdobeReader）或者互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器（如 InternetExplorer或Chrome），旋轉(zhuǎn)、縮放和移動模型，動態(tài)讀取三維模型和標(biāo)注信息。如圖 3的三維 PDF所示。

三維模型定義的效益已經(jīng)被世界知名公司和機(jī)構(gòu)反復(fù)驗(yàn)證，比如波音、豐田、通用電氣和美國國防部。其中美國海軍航空作戰(zhàn)中心 Lakehurst飛機(jī)分部 2013年的試點(diǎn)估計(jì)，年度經(jīng)費(fèi)可以節(jié)約 24%，約合 2100萬人民幣。

二、三維模型定義解決了哪些問題？

三維設(shè)計(jì)軟件已經(jīng)廣泛使用了 20多年了。然而不管三維模型多么完善成熟，最終工程師還是習(xí)慣投影到二維圖紙，進(jìn)行標(biāo)注，生成二維工程圖。二維工程圖是 200多年前由法國人加斯帕爾 .蒙日（Gaspard Monge）發(fā)明的（數(shù)據(jù)來源：Gaspard Monge，GéométrieDescriptive，1800年），200多年后的今天，已經(jīng)成為了全球通用的工程語言。它行之有效、廣為使用。但是也具有極大的局限性，逐漸成為生產(chǎn)中的瓶頸。

主要的問題有以下幾個(gè)方面。

（1）創(chuàng)建和更新費(fèi)時(shí)費(fèi)力，容易與三維設(shè)計(jì)脫節(jié)。根據(jù)美國國防部和若干國內(nèi)外制造企業(yè)反饋，一個(gè)產(chǎn)品生命周期中，從概念到設(shè)計(jì)、到生產(chǎn)制造、到銷售客服、到升級換代、到衰退淘汰，大約有高達(dá) 30%的經(jīng)費(fèi)要花銷在二維工程圖。而即使如此昂貴，還是有多達(dá) 60%的二維工程圖與三維模型不匹配，帶來巨大的生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。二維工程圖不準(zhǔn)確，那么下游生產(chǎn)和采購的零件、部件、總裝，乃至最終產(chǎn)品都可能不合格。

（2）使用復(fù)雜。二維表達(dá)作為三維物體的投影抽象，不夠直觀，不符合人類認(rèn)知習(xí)慣。創(chuàng)建二維圖，需要把三維設(shè)計(jì)投影到二維平面。計(jì)算機(jī)軟件可以在這個(gè)步驟中，提供一定幫助；進(jìn)而解讀二維圖，又需要將二維投影在頭腦中重構(gòu)到三維。這個(gè)步驟絕大多數(shù)需要依靠讀圖者的空間想象能力，要求較高，易于出錯(cuò)。這個(gè)過程事實(shí)上走了彎路：從三維到二維，再重新回到三維。如果一直保持三維設(shè)計(jì)和定義，那么會很有效地避免上述問題。

（3）圖紙數(shù)量巨大。一個(gè)版本的產(chǎn)品設(shè)計(jì)可能派生出成百上千的計(jì)算機(jī)二維圖，而這些圖紙由于設(shè)計(jì)流程和工具的限制，很多時(shí)候與三維設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)并不緊密。接著它們被打印、拷貝、重新制作出成千上萬的紙質(zhì)白圖、藍(lán)圖、硫酸圖，與三維設(shè)計(jì)就更加缺乏數(shù)字化的關(guān)聯(lián)。另外，非設(shè)計(jì)部門，比如工藝、鑄造、工裝夾具、沖剪、加工、裝配、市場和銷售、技術(shù)服務(wù)等，經(jīng)常要根據(jù)自己職責(zé)重新創(chuàng)建和維護(hù)一套獨(dú)立的二維圖，由此積累了大量圖紙。而這還只是一個(gè)版本，如果牽扯到設(shè)計(jì)變更，那么圖紙量就成倍增加了。例如英國 BAE系統(tǒng)公司制造了一款戰(zhàn)地裝甲車交付美國國防部，隨之提交的還包括所有用來定義說明該型號裝甲車的紙質(zhì)技術(shù)文檔，其中主要是二維工程圖紙。結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些技術(shù)文檔的重量比一輛坦克本身還要重。而且這還只是最終交付客戶使用的文檔，并沒有包括制造流程當(dāng)中產(chǎn)生的大量內(nèi)部數(shù)據(jù)。

（4）與制造業(yè)信息化應(yīng)用脫節(jié)。現(xiàn)代制造業(yè)已經(jīng)發(fā)展出多種高效自動的信息化應(yīng)用，比如計(jì)算機(jī)仿真，可以在三維模型上面直接施加載荷和邊界條件，從而預(yù)言出應(yīng)力、振動、熱傳導(dǎo)和疲勞一系列結(jié)果；或者計(jì)算機(jī)輔助制造，可以根據(jù)三維模型自動生成數(shù)控代碼，直接指導(dǎo)加工中心，自動完成工序。而二維工程圖作為三維產(chǎn)品的片面投影，損失了大量信息。無法像三維模型那樣直接仿真，或者自動生成數(shù)控代碼，所以喪失了信息化應(yīng)用方面的巨大潛力。另外由于二維工程圖跟三維信息化應(yīng)用脫節(jié)，產(chǎn)品數(shù)據(jù)在溝通協(xié)作當(dāng)中需要多次重新創(chuàng)建。40%的制造企業(yè)經(jīng)常被迫根據(jù)客戶提供的二維圖紙重建三維模型，并且手工重新錄入數(shù)據(jù)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，滋生了錯(cuò)誤和延誤（數(shù)據(jù)來源：ChadJackson，The 2014 State Of Model Based EnterpriseReport，問卷樣本數(shù)量：575）。

三、三維模型定義的意義在哪里？

一家世界知名的制造企業(yè)提出來了一個(gè)發(fā)人深思的問題：“在過去的二十多年里面，我們所有在 CAD軟件方面的投資，無論是二維還是三維，最終結(jié)果都只是為了生成更快更好的二維工程圖。難道這就夠了嗎？難道沒有更好的辦法嗎？”

這一思考啟發(fā)著全球制造業(yè)的一場重要升級。其意義不亞于從手工繪圖到計(jì)算機(jī)繪圖的革新。

（1）畫法幾何發(fā)明之后的 200多年來，二維工程圖逐漸廣為使用，成為了“工程師的語言”。而三維模型定義則是在挑戰(zhàn)二維工程圖的權(quán)威地位，提供一種更迅速、經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確和自動化的工程交流方式。而且其效益已經(jīng)被世界知名公司和機(jī)構(gòu)實(shí)證。接著這些公司和機(jī)構(gòu)帶動了大規(guī)范的漣漪效應(yīng)，促使大量下游供應(yīng)商、中小型企業(yè)也開始接受甚至實(shí)施三維模型定義。在中國，雖然三維模型定義工作開展時(shí)間不長，但是發(fā)展勢頭迅猛，在許多的行業(yè)和企業(yè)中已經(jīng)提出了“三維圖樣下車間”的口號（數(shù)據(jù)來源：楊東拜，全國技術(shù)產(chǎn)品文件標(biāo)委會 2012年桂林會議論文集）。endprint

（2）三維模型定義與每天的工程項(xiàng)目息息相關(guān)。有研究報(bào)告表明，設(shè)計(jì)工程師和加工工人每周大概分別花費(fèi)多達(dá)四分之三和三分之一的工作時(shí)間在二維工程圖相關(guān)的任務(wù)上面（數(shù)據(jù)來源：ChadJackson，The 2014 State Of Model Based EnterpriseReport，問卷樣本數(shù)量：575）。比如創(chuàng)建、維護(hù)和更新圖紙，澄清二維工程圖表達(dá)的設(shè)計(jì)意圖等。盡管如此巨大的時(shí)間和人力投入，二維工程圖還是存在很多問題。三維模型定義則可以避免二維工程圖，把關(guān)鍵制造信息直接定義在三維模型上面，極大提高了工程項(xiàng)目效率。

（3）三維模型定義易于操作和理解，所有的工程人員都可以掌握。隨著三維 CAD軟件的逐漸普及，大部分工程人員已經(jīng)非常熟練于三維建模。三維模型定義只需要在三維建模的基礎(chǔ)上前進(jìn)一步：直接在模型上標(biāo)注三維關(guān)鍵制造信息，比如基準(zhǔn)面、尺寸、公差、表面粗糙度和焊接符號等，不必再受一些傳統(tǒng)二維技術(shù)的約束，比如投影方向及角度、視圖比例、圖紙區(qū)域等。這樣的易用性有助于提高三維模型定義的參與程度。2009年，美國陸軍對 455家供應(yīng)商問卷調(diào)查顯示，69%供應(yīng)商表示樂意成為三維模型定義企業(yè)流程的一個(gè)有機(jī)組成部分（數(shù)據(jù)來源：MontanaMallett，2009MBE Supplier Capabilities Assessment & Potential CertificationDevelopment）。2012年，美國陸軍對 46家供應(yīng)商的調(diào)查顯示，89%認(rèn)為三維模型定義比二維工程圖更有效的表達(dá)設(shè)計(jì)意圖（數(shù)據(jù)來源：Catalyst， 2012 Supplier Feedback on the 3D Technical DataPackage）。

四、三維模型定義帶來的實(shí)際效益有哪些？

簡單來說，三維模型定義的效益包括節(jié)省時(shí)間、節(jié)省經(jīng)費(fèi)、提高質(zhì)量。事實(shí)勝于雄辯，具體的業(yè)界實(shí)例最有說服力。

（1）節(jié)省時(shí)間。當(dāng)今機(jī)電產(chǎn)品更新?lián)Q代越來越快，生產(chǎn)周期需要不斷壓縮。一位資深工程師回憶曾經(jīng)有一個(gè)新產(chǎn)品項(xiàng)目周期非常緊張，只有半年時(shí)間（5月到 11月）。

按照經(jīng)驗(yàn)粗略計(jì)算，一張二維工程圖平均要花費(fèi)一天時(shí)間。而那個(gè)項(xiàng)目起碼要三百張工程圖，那么最快也要等到第二年 3月份才可能完成。緊張的進(jìn)度壓力之下，他們被迫跳過二維工程圖，直接在三維模型添加標(biāo)注來指導(dǎo)生產(chǎn)。結(jié)果不但在 11月份按時(shí)交貨，而且還摸索出了一套新辦法?，F(xiàn)在這位工程師正在通用電氣測量和控制事業(yè)部（GE Measurement andControl）主持三維模型定義流程，目標(biāo)是在 2014年至少 20%的零件不再需要二維工程圖，直接使用三維定義指導(dǎo)加工。

（2）節(jié)省經(jīng)費(fèi)。如上文所述，美國海軍航空作戰(zhàn)中心Lakehurst飛機(jī)分部的實(shí)踐表明，三維模型定義在零件加工、檢測和裝配等方面節(jié)省了顯著的費(fèi)用（表）。

（3）提高質(zhì)量。巴西的家具生產(chǎn)商 VIECELLIMOVEIS通過提取三維模型里面的信息，比如尺寸、公差和材料，自動編程來控制鈑金件的沖壓和折彎，不但節(jié)省了傳統(tǒng)二維工程圖所需要的時(shí)間和人力，而且同時(shí)提高了準(zhǔn)確度和質(zhì)量，把廢品和返工率降低了 50%（數(shù)據(jù)來源：DSSOLIDWORKS客戶案例分析，2014年）。

五、為什么現(xiàn)在提倡三維模型定義？

三維模型定義并不是一個(gè)全新的概念。早在十多年前，領(lǐng)先的制造企業(yè)在使用三維設(shè)計(jì)軟件的過程當(dāng)中就很自然地設(shè)想過繞開二維工程圖。但是很遺憾，這個(gè)設(shè)想在當(dāng)時(shí)并沒有得到廣泛普及。近年來，在主流工程領(lǐng)域，大規(guī)模實(shí)施三維模型定義逐漸成為可能。以下是幾個(gè)重要的發(fā)展動態(tài)。

（1）美國國防部在 2013年 2月推出的一套更新的軍方標(biāo)準(zhǔn) 31000A（數(shù)據(jù)來源：Department Of Defense Standard Practice： Technical DataPackages，2013年），詳細(xì)地闡明了三維模型定義的規(guī)范和要求，并且向其內(nèi)部工程部門和整個(gè)供應(yīng)鏈推薦使用基于三維模型的產(chǎn)品數(shù)據(jù)定義包（Technical DataPackage，TDP）。在其2013年 10月向美國國會提交的“年度工業(yè)能力報(bào)告”中匯報(bào)了如下進(jìn)展（C-31和 C-32頁）：“為了推進(jìn)技術(shù)數(shù)據(jù)交流從二維向三維轉(zhuǎn)變，國防部的客戶及供應(yīng)商協(xié)作項(xiàng)目（CSI，Customer/SupplierInteroperability）創(chuàng)建了一系列的工具，實(shí)現(xiàn)了人工操作的自動化，為國防工業(yè)邁向三維模型定義鋪平了道路。通過與現(xiàn)行的優(yōu)化操作辦法逐一并排比較，客戶及供應(yīng)商協(xié)作項(xiàng)目的三維模型定義技術(shù)預(yù)計(jì)可以為三個(gè)試點(diǎn)制造商一年節(jié)約二千二百萬美元（約一億四千萬人民幣）。如果在整個(gè)國防采購項(xiàng)目中全面實(shí)施，預(yù)計(jì)可以一年節(jié)省五千萬美元（約三億三千萬人民幣）?！保ㄒ陨蠑?shù)據(jù)來源：Department OfDefense，2013 Annual Industrial Capabilities Report toCongress）。美國國防部的決心在全球工業(yè)界產(chǎn)生了巨大的推動力，使得其一級、二級、三級和更多下游供應(yīng)商，直至大規(guī)模的中小企業(yè)都開始考慮實(shí)施三維模型定義，形成了“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”。舉例來說：2014年美國國防部敦促一級供應(yīng)商 Bell直升機(jī)公司試點(diǎn)。相應(yīng)的 Bell直升機(jī)確立了一款最新型的直升機(jī)全部采用三維模型定義，不再給下游供應(yīng)商發(fā)送二維工程圖。進(jìn)而 Bell直升機(jī)的各個(gè)供應(yīng)商開始試點(diǎn)。并且開始要求各自下游供應(yīng)商和加工廠接受三維定義，逐漸減少二維工程圖（圖 4）。

（2）另外一個(gè)時(shí)間因素是日本電氣和信息技術(shù)協(xié)會（Japan Electronics and Information TechnologyAssociation，JEITA）要求成員企業(yè)在 2014開始逐漸實(shí)施三維模型定義。日本電氣和信息技術(shù)協(xié)會具備非常強(qiáng)的影響力。執(zhí)行董事會由日本知名企業(yè)總裁組成。比如 2014年董事會主席是富士的總裁 MasamiYamamoto，副主席包括夏普總裁 KozoTakahashi、日立總裁 ToshiakiHigashihara、松下總裁 ShusakuNagae等。該協(xié)會下設(shè)眾多部門，其中之一是日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（Japan IndustryStandard，JIS），相當(dāng)于中國的國標(biāo)。協(xié)會成員還在 2014年特意參觀訪問歐洲和美國相關(guān)公司和機(jī)構(gòu)，了解三維模型定義的最新進(jìn)展。目的是在成員企業(yè)試點(diǎn)、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、制定協(xié)會示范標(biāo)準(zhǔn)，最終制定并廣泛推行三維模型定義日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JIS）。endprint

（3）2015年初，中國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)產(chǎn)品文件標(biāo)委會將會在 ISO16792和 GB/T24734基礎(chǔ)上推出專門的三維模型定義國標(biāo)。另外各個(gè)行業(yè)也已經(jīng)積極探索技術(shù)改進(jìn)項(xiàng)目，比如航空航天、機(jī)車、工程機(jī)械和兵器。其中南方和北方機(jī)車集團(tuán)還投入千萬人民幣進(jìn)行試點(diǎn)。

（4）除此之外，信息技術(shù)的發(fā)展也在促進(jìn)三維模型定義的快速應(yīng)用。當(dāng)今工業(yè)界，三維設(shè)計(jì)漸漸成為主流，應(yīng)用越來越廣泛。因而直接進(jìn)行三維交流、指導(dǎo)生產(chǎn)制造越來越順理成章。三維數(shù)據(jù)當(dāng)中蘊(yùn)含著豐富的信息，比如形狀、尺寸、公差、材料、零件號、裝配關(guān)系、技術(shù)要求和材料明細(xì)表等。如果忽視三維數(shù)據(jù)的內(nèi)在價(jià)值，就仿佛智能手機(jī)只被用來打電話，或者互聯(lián)網(wǎng)只被用來查電子郵件一樣。大量模型及衍生應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，三維可視化工具不斷增強(qiáng)普及，使得三維交流越來越方便。如本文示例的三維PDF，只需要免費(fèi)的 Adobe閱讀器（AdobeReader）就可以瀏覽三維信息，而這個(gè)閱讀器已經(jīng)安裝在全球 95%聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)上（數(shù)據(jù)來源：3D PDFConsortium，2014）。這使得三維模型定義的廣泛傳播水到渠成。另外一個(gè)推動力量是一些主流的 CAD軟件加大了這個(gè)領(lǐng)域的產(chǎn)品力度。比如，為了解決常見的大量三維尺寸彼此重疊、顯示混亂的問題（業(yè)界俗稱“刺猬”現(xiàn)象），以及多個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)格式不同、無法交流的難點(diǎn)，SOLIDWORKS在 2015年初專門發(fā)布了 MBD產(chǎn)品。在已有的智能三維標(biāo)注基礎(chǔ)上，推出三維視圖組織（圖 5）、動態(tài)標(biāo)注顯示、PDF模板定制（圖 6），以及三維 PDF（圖 7）和 eDrawings（圖 8）

數(shù)據(jù)發(fā)布等一系列實(shí)用、新穎和專利功能，引起了美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)委員會（National Institute of Standardsand Technology，NIST）和中國國家標(biāo)準(zhǔn)委員會的重視。

我國被稱為“世界工廠”，制造業(yè)牽動著整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。三維模型定義解決了制造業(yè)中傳統(tǒng)二維工程圖的大量問題，實(shí)現(xiàn)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。而且正好契合我國“智慧制造”的戰(zhàn)略，為廣大企業(yè)帶來了可喜的技術(shù)革新機(jī)會。時(shí)不我待，世界各國都在加速推進(jìn)。在此與各位同仁共勉，為提高我國制造業(yè)效率、整體實(shí)力和國際競爭力盡一份力量。

如果讀者想了解更多，比如最新的技術(shù)進(jìn)展、企業(yè)案例、實(shí)施要領(lǐng)、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和三維 PDF，歡迎關(guān)注后續(xù)文章，并加入微信 MBD-MBE討論，也可以向作者發(fā)郵件聯(lián)系。作者的郵箱地址為：oboe.wu@3ds.com。endprint