三維模型定義 （MBD）成功案例

吳軍

繼上文從一個典型的政府項目角度，介紹了美國海軍航空作戰(zhàn)中心實施三維模型定義的成功案例之后，本文將從企業(yè)發(fā)展的角度，分享通用電氣電力和水力事業(yè)部的實施經(jīng)驗。包括通用電氣“卓越工廠”計劃、電力和水力事業(yè)部簡介、最初構想、現(xiàn)實的阻礙和變通辦法、三步走戰(zhàn)略、三維 PDF的功效，以及實施經(jīng)驗總結。

文中對比了實施三維模型定義過程中，理想與現(xiàn)實的差別。以及如何從實際出發(fā)，制定并執(zhí)行一套切實可行的方案。另外文章澄清了一個常見的誤解和顧慮，就是三維模型定義流程必須在工廠車間安裝電子終端。這是源于對兩個概念的混淆：“取代二維工程圖”和“無紙化”。簡要來說，三維模型定義強調(diào)取代二維工程圖，但并不排除打印文檔。如果需要，完全可以把三維定義打印成為紙質(zhì)文檔使用。詳見文中解釋。接下來的系列文章將介紹分析更多實施案例、行業(yè)標準、最新技術、實際應用和注意事項等。

一、通用電氣“卓越工廠 ”（Brilliant Factory）計劃

具備 130多年歷史的通用電氣（GE，GeneralElectric），如今業(yè)務分布在 100多個國家，全球員工 30萬人，2013年銷售額 1460億美元。由 8個主要業(yè)務領域構成，如表1 所示。

2014年，通用電氣提出了“卓越工廠”（Brilliant Factory）計劃，宗旨是使得工廠設備、車間傳感器與橫跨設計制造各個環(huán)節(jié)的計算機通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相連，實時收集、分享并分析數(shù)據(jù)，從而智能地指導生產(chǎn)，提高產(chǎn)能、縮短工期、提高質(zhì)量和降低停工時間。其核心理念如表2 所示，其中擺脫二維工程圖的三維模型制造被列為關鍵技術之一。迄今全球已經(jīng)有若干“卓越工廠”破土動工，甚至落成，如表3 所示。

二、電力和水力事業(yè)部（GE Power& Water）

如表 1所列，電力和水力事業(yè)部是通用電氣在工業(yè)領域最大的部門。3萬 7千名員工分布在全球 700個分支機構。其中包括可持續(xù)能源、水處理技術、核能、發(fā)電產(chǎn)品、發(fā)電服務和分布式能源 6個主要部門。

實施三維模型定義的是發(fā)電產(chǎn)品分公司。主要產(chǎn)品包括重載燃氣輪機（圖 2）、汽輪機和發(fā)電機等。發(fā)起團隊是產(chǎn)品設計，協(xié)同下游工程、制造和供應商等一系列內(nèi)外部門。

三、最初構想

早在 2011年，電力和水力部門就著手設想實施三維模型企業(yè)。當時制訂的計劃比較理想：直接使用 CAD軟件將三維技術數(shù)據(jù)打包，取代二維工程圖。數(shù)據(jù)結構如表 4所示。

當時的設想就是把制造信息全部定義在三維模型中，直接取代二維工程圖，并且一并達到無紙化流程。

四、現(xiàn)實的阻礙和變通辦法

上述計劃非常理想，但是經(jīng)過實踐發(fā)現(xiàn)，困難重重。舉例來說，“取代二維工程圖”（Drawingless）和“無紙化”（Paperless）就是兩個截然不同的概念，不可同日而語，需要嚴格區(qū)分對待。取代二維工程圖，也就是三維模型定義，強調(diào)的是表現(xiàn)形式：三維定義，而不是二維；無紙化著眼在傳播媒介：數(shù)字化交流，而不依靠紙質(zhì)文檔。

“取代二維工程圖”是制造產(chǎn)業(yè)從二維向三維升級的一個自然步驟。所謂“自然”，是因為既然已經(jīng)采取三維設計產(chǎn)品了，大多數(shù)的工程師其實都已經(jīng)考慮過直接在三維模型上面定義尺寸公差等關鍵制造信息。例如每 4位使用 SOLIDWORKS的工程師里面，就有三位確認如此（數(shù)據(jù)來源：2015年 SOLIDWORKS中國用戶問卷調(diào)查，樣本數(shù)量：278）。三維模型定義并不意味無紙化。正相反，很多時候紙質(zhì)文檔必不可少。比如在嚴寒的施工現(xiàn)場，工人帶著厚重的手套很難操作電腦；在狹小的燃氣輪機內(nèi)腔，裝配人員沾滿潤滑油的雙手也容易污染或損壞電子設備。另外一個重要因素是電力和水力部門需要與 1500多家供應商協(xié)作。供應鏈的數(shù)字化應用程度參差不齊，合作方式也需要區(qū)別對待。有些高科技公司可以應用三維模型定義，完成數(shù)控機床加工和數(shù)字質(zhì)量檢測，甚至直接三維打??；還有很多供應商需要輕量化的中間格式才能讀取三維模型定義，從而保證加工車間可以利用三維指導審核、生產(chǎn)或檢測；另外還有一部分供應商堅持使用紙質(zhì)圖樣。因而根據(jù)這些需要，三維模型定義完全可以打印出圖，依然保持清晰直觀、信息豐富，避免了二維工程圖，如圖 3所示。

這也正是電力和水力部門在三維模型定義當中采用的過渡措施，也被稱為“仿工程圖”?！胺鹿こ虉D”不是嚴格的二維工程圖，以下是其創(chuàng)建過程。

（1）三維建模，標注三維尺寸，并且配套屬性、簽字、模板、及其他輔助文檔，共同檢入產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)（PLM，Product LifecycleManagement）。

（2）創(chuàng)建三維視圖。有些是三維風格，有些則是完全沿襲傳統(tǒng)二維工程圖的視圖風格，如正視圖、頂視圖和剖視圖等。

（3）在需要“仿工程圖”的時候，上述二維工程圖風格的視圖被布置到已有的二維工程圖模板上，一個視圖一張圖紙。另外 PLM系統(tǒng)中保存的產(chǎn)品屬性（如零件號或簽名）也會鏈接體現(xiàn)到圖樣上。

（4）用戶可以根據(jù)需要打印出來多張“仿工程圖”。

盡管“仿工程圖”不是三維模型定義的最優(yōu)化結果，但是在初始實施階段，它幫助跨越了具體實施過程遇到的阻礙，在傳統(tǒng)二維工程圖樣和三維模型定義中間建立了一個過渡橋梁。既滿足了部分工程制造部門和供應商的需要，又沒有花費太多的時間創(chuàng)建。因為它只會按需提供，默認情況無需創(chuàng)建；而且只需利用已經(jīng)創(chuàng)建好的三維模型定義視圖，布置到二維圖樣模板上面，節(jié)省了人力。當團隊逐漸熟悉三維定義、三維視圖及其優(yōu)勢之后，就會與二維思維漸行漸遠，而三維思維就會成為新的主流。值得注意的是，為了保證三維數(shù)據(jù)的權威性，“仿工程圖”不會檢入PLM。防止在二維和三維不一致的情況下，用戶不知道以哪一個為準。

以上討論了“取代二維工程圖”。作為對比，下面的“無紙化”側重的是另外一個角度，即信息完全在電子設備之間數(shù)字化的交流，所以不需要打印任何紙質(zhì)文檔?！盁o紙化”也不代表“取代二維工程圖”，因為數(shù)字化的信息多種多樣，可以是表格、文檔、三維模型，也可以是二維工程圖，如圖 4所示。endprint

澄清了上述兩個概念，對三維模型定義的一個普遍顧慮也就解決了：盡管數(shù)字化的流程能夠更加淋漓盡致地發(fā)揮優(yōu)勢，三維模型定義并不是必須要在工廠車間配備電子設備。即使利用打印出來的三維定義文檔，整個生產(chǎn)流程還是可以得到大量的改善。

五、三步走戰(zhàn)略

“仿工程圖”的例子體現(xiàn)了最初的實施構想和實踐中變通辦法的差別。由此，電力和水力部門產(chǎn)品設計團隊吸取教訓，制定了一個三步走的計劃。既能保證正常生產(chǎn)進度，降低風險，同時還能循序漸進開展三維模型定義，如圖 5所示。

1.爬行階段

（1）在三維定義制造信息。但是沿襲傳統(tǒng)二維工程圖的習慣，還是創(chuàng)建并命名三視圖、剖視圖、局部視圖和向視圖等。

（2）三維PDF成為通用的交流格式?？梢岳?CAD定義的三維視圖、標注和屬性，按照訂制的 PDF模板發(fā)布。

（3）默認情況下并不再生成二維工程圖，但是如果需要，可以把二維風格的視圖發(fā)布到三維 PDF文檔，然后按需打印。這樣輸出多張圖樣為其他部門服務，即“仿工程圖”。盡管對產(chǎn)品設計團隊來說，這種方式并非最優(yōu)，但是更容易被下游的工程和制造部門以及供應商接受，容易緩解組織流程方面的阻力，可以起到過渡作用。

2.行走階段

數(shù)字化程度提高，逐漸減少傳統(tǒng)二維視圖。比如很多剖視圖、局部視圖和向視圖都可以省略或者合并。因為三維視圖更加直觀，而且可以靈活的旋轉(zhuǎn)、放大和移動。即使沒有特定的視圖，也很容易查看需要的信息和角度。

3.跑步階段

（1）依靠三維模型本身尺寸，減少三維標注，只標注關鍵尺寸和公差。

（2）注意：并不是所有三維尺寸都能避免的。如果需要供應商加工一個 10cm的孔，那么建議還是把孔直徑和公差明確標注出來。關鍵尺寸最好不要讓加工商測量模型得出，因為這意味給他們帶來更多的工作，會提高費用，延長工期。而且如果測量不準確或者理解有偏差，會導致誤解甚至糾紛。

三步走戰(zhàn)略是根據(jù)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的實際需要做出的大致總結。而不同的環(huán)節(jié)、不同的供應商所適應的階段也是不一樣的。換言之，并不是最初所有的供應商都必須停留在“爬行”，而完全杜絕“跑步”；也并非將來就能完全避免“爬行”，而進入“跑步”。舉例來說，即使在跑步階段，并不是所有供應商都能接受。最好的情況是供應商能夠直接使用三維模型定義，完成數(shù)字化生產(chǎn)。但是還有很多仍然需要二維圖樣，所以上述的“仿工程圖”可以滿足這個需求。各個階段在不同的時期會占據(jù)不同的比例，總的方向是“跑步”的比例逐漸上升，“爬行”的比例逐漸下降，這就是進展。

六、三維 PDF的功效

關于選定三維 PDF作為交流格式，通用電氣列舉了以下具體原因。

（1）三維 PDF使三維模型定義有了一個通用平臺，容易得到廣泛的接受。只需要一個免費的 Adobe閱讀器就可以查看三維文件。根據(jù) Adobe公司的統(tǒng)計，由于 PDF文本文件的廣泛傳播，這個閱讀器已經(jīng)安裝在全世界 93%的聯(lián)網(wǎng)計算機上面。而且很多機構和公司都批準它作為默認安裝軟件，甚至包括很多政府軍方單位。所以這就順利通過了本可能非常復雜耗時的計算機環(huán)境審查流程。

（2）電子格式的三維 PDF，視圖是可以三維旋轉(zhuǎn)的，而且三維標注與模型特征相關聯(lián)：選中一個標注，相關聯(lián)的特征（包括陣列中的所有個體）會高亮，給予用戶非常直觀的視覺響應。

（3）簡單直觀。Adobe閱讀器打開的三維 PDF很易于操作，大部分用戶憑借經(jīng)驗就知道如何使用。文本圖片就像常見的 PDF文件一樣可以閱讀，而拖動鼠標就可以隨意旋轉(zhuǎn)縮放三維模型。

（4）所見即所得。CAD模型是什么樣，三維 PDF就展現(xiàn)成什么樣，二者相符。

（5）出色的標識能力。用戶可以在 Adobe閱讀器里面添加各種標識，比如三維評語、二維文本和測量值等。而且這些審閱信息都可以使用閱讀器存入三維 PDF，發(fā)送給其他部門。

（6）測量三維PDF模型的功能。即使沒有明確的三維尺寸，用戶還是可以使用閱讀器的測量工具得到尺寸。

（7）剖切的能力。即使 CAD里面沒有創(chuàng)建剖視圖，用戶還是可以在閱讀器里面剖切三維 PDF模型。

（8）附件功能?？梢园巡煌奈募ū热鐖髢r單、CAD模型或者 STEP文件）打包到一個三維 PDF文件中，便于交流和管理。

（9）動畫功能?？梢岳脛赢嫲讶SPDF制作成直觀的工藝指導書、裝配指南和其他類似的步驟手冊。

三維PDF還在通用電氣內(nèi)部得到了更廣泛的應用。

（1）在多個分支機構通用了這個準確和輕量化的三維產(chǎn)品制造信息格式。

◎電力和水力事業(yè)部內(nèi)部：發(fā)電產(chǎn)品、分布式能源和可再生能源部門。

◎航空事業(yè)部。

◎測量和控制事業(yè)部。

（2）大型裝配的瀏覽。

◎航空事業(yè)部的發(fā)動機總裝非常復雜，通常需要花費幾個月來裝配。過去需要三十多頁的二維工程圖來定義，光注釋技術要求就有十頁。而現(xiàn)在只需要一個三維 PDF文件。

◎?qū)嵤﹫F隊訂制開發(fā)了一系列 PDF工具，可以按照需要提取相應的總裝數(shù)據(jù)。比如可以選擇提取頂層三個級別的裝配體組件，而忽略底層的細節(jié)。

（3）樣品質(zhì)量檢測的三維數(shù)據(jù)包。

航空事業(yè)部把三維 PDF按照設計的模板訂制為樣品檢測清單，而且每一行的檢測指標都與三維視圖關聯(lián)。點擊檢測表格中一個關鍵尺寸，三維視圖就會高亮顯示該尺寸和相關聯(lián)的特征。更加智能的是，檢測人員可以輸入實際測量值，三維 PDF就會自動與設計尺寸和公差比對。如果符合公差要求，就顯示為合格；反之則不合格。如圖 6所示。

七、實施經(jīng)驗總結

總結過去幾年，三維模型定義的實施并不像 2011年最初構想的那樣完美。實際情況帶來了很多挑戰(zhàn)，但是也鼓勵團隊腳踏實地，摸索出了一套行之有效的辦法，取得了顯著的進展，如表 5所示。

在上文內(nèi)容之外，還有幾點具體的經(jīng)驗可供國內(nèi)企業(yè)參考。

（1）領導層的支持非常關鍵。比如電力和水力事業(yè)部上一任的工程副總裁在自己的業(yè)績考核里面寫明要在 2013年完成 100個三維定義零件。這才使得其他部門有動力和壓力跟產(chǎn)品設計團隊合作實施。2014年新任工程部副總裁在業(yè)績考核中也規(guī)定要實現(xiàn)創(chuàng)建 125個三維模型定義零件。

（2）設計部門配備一定的軟件開發(fā)能力，從而開發(fā)出軟件廠商之外的一些自動工具，提高效率。比如一個小程序可以去除有故障的 CAD模型和標注，使得二者在模型中能夠正常顯示。

（3）把其他團隊作為服務對象，傾聽他們的需求，相應作出調(diào)整和支持。比如制造部門需要知道不同三維定義版本之間有哪些差別。產(chǎn)品設計部門的開發(fā)團隊就專門開發(fā)了一個工具，用來比較不同版本之間三維標注的差別。

（4）更新產(chǎn)品定義理念。三維視圖更加全面直觀，如果不需要打印出來，那么可能不再需要三視圖、局部視圖、向視圖等傳統(tǒng)的二維視圖了，這需要從二維到三維一個理念轉(zhuǎn)變。更進一步，在三維模型定義的背景下，工程師需要認真考慮哪些視圖更加有意義。比如管路折彎表達，可能折彎點的視圖或者焊接視圖更加富含信息量。

上文詳細介紹了通用電氣電力及水力事業(yè)部實施三維模型定義的經(jīng)驗，希望能對我國企業(yè)有所幫助。如果您想了解更多，歡迎關注后續(xù)文章，將有更多的實施案例、行業(yè)標準、最新技術和實施要點等，也可加入微信 MBD-MBE討論，或與 Oboe.MBD@gmail.com聯(lián)系。endprint