三維模型定義 （MBD）成功案例：美國海軍航空作戰(zhàn)中心 Lakehurst飛機分部

吳軍

本期作者將深入討論實施三維模型定義的具體實施案例：重點介紹美國海軍航空作戰(zhàn)中心 Lakehurst飛機分部。包括背景、現(xiàn)有流程、急需解決的問題、改進后的流程、試點項目、項目經(jīng)費、財務(wù)和非財務(wù)方面的收效、經(jīng)驗教訓(xùn)和下一步計劃等。希望對我國制造企業(yè)有所借鑒。值得關(guān)注的是，三維模型定義如果開展得當(dāng)，經(jīng)費和時間的投入，以及風(fēng)險完全可以控制在企業(yè)能力之內(nèi)，而帶來的效益都是非常顯著的。后續(xù)文章將深入分析更多實施案例、行業(yè)標準、最新技術(shù)、實際應(yīng)用和注意事項等。

三維模型定義的概念已經(jīng)提出了很多年，但是在我國的實際應(yīng)用并不普遍。然而近年來在美國取得了重要的突破。先進技術(shù)和方法層出不窮，不但很多組織和企業(yè)通過實踐取得了明顯收效，而且總結(jié)了大量經(jīng)驗。三維模型定義甚至在 2013年被列為美國國防工業(yè)重點戰(zhàn)略之一。（數(shù)據(jù)來源：Department ofDefense，Annual Industrial Capabilities Report to Congress，2013年）。本文將從政府項目的角度詳細介紹美國海軍的實施歷程。

一、背景介紹

美國海軍航空作戰(zhàn)中心飛機分部（Naval Air Warfare Center AircraftDivision，NAWCAD）是專門提供飛機發(fā)射和回收設(shè)備，以及海軍航空保障設(shè)備的部門。

（1）發(fā)射和回收設(shè)備包括飛機彈射器（圖 1）、攔阻發(fā)動機和路障，以及航空母艦和其他具備航空能力艦艇上面的飛機目視著陸輔助裝置。

（2）保障設(shè)備指測試、修理和維護飛機所需要的設(shè)備。（數(shù)據(jù)來源：DEPARTMENT OF THE NAVY，Summary and results of the Commercial Technologies for Maintenance Activities （CTMA）， Model Based Definition （MBD） for AircraftLaunch， Recovery， and Support Equipment Project，2013年）。

二、現(xiàn)有生產(chǎn)流程

新機型引進、服役機型老化保養(yǎng)、工程故障排查等任務(wù)經(jīng)常需要變更艦載設(shè)備。新澤西州 Lakehurst飛機分部負責(zé)這些設(shè)備的設(shè)計、開發(fā)和維護。目前，盡管工程部門已經(jīng)使用了三維軟件，其他環(huán)節(jié)如樣品制造以及大批量零部件的生產(chǎn)和檢測仍然使用二維工程文檔來完成。流程如下。

（1）設(shè)計部門采用三維 CAD軟件創(chuàng)建計算機模型。

（2）模型生成二維工程圖，定義全部尺寸，發(fā)布完整的工程圖紙。

（3）二維工程圖轉(zhuǎn)化為 PDF文件，發(fā)送到樣品制造部門。

（4）樣品制造部門使用多種 CAD/CAM軟件，根據(jù)二維工程圖重新建模。然后把新模型輸入到數(shù)控機床，按照特定的加工操作生成刀具路徑，制作樣品。

（5）樣品制造完成后，發(fā)送到質(zhì)量部門進行檢測。質(zhì)量人員比對樣品和二維工程圖，驗證是否滿足圖樣的尺寸和工差要求。

（6）樣品功能測試，保證符合設(shè)計要求。

（7）測試通過后，二維工程圖被批準并發(fā)布到合同部門。

（8）合同部門選定外包加工廠商，發(fā)送訂單和二維工程圖。

（9）加工廠商根據(jù)二維工程圖重新建模，完成數(shù)控批量生產(chǎn)；如果無法進行數(shù)控生產(chǎn)，那么就按照傳統(tǒng)二維圖樣流程批量生產(chǎn)。

簡而言之，三維模型在設(shè)計部門被投影生成二維工程圖，然后樣品制造部門和加工廠商兩個環(huán)節(jié)手動根據(jù)二維工程圖重建三維模型。顯而易見，這樣的流程效率低下，因為寶貴的時間和精力被浪費在二維和三維數(shù)據(jù)之間來回轉(zhuǎn)換。而且手工重復(fù)輸入數(shù)據(jù)容易引入各種錯誤。

另外上述流程還只是一路綠燈、順利通過的情況。實際生產(chǎn)當(dāng)中，即使二維工程圖發(fā)布給下游生產(chǎn)環(huán)節(jié)之后，由于樣品測試不通過、批量加工不可行或者成本太高等原因，還是經(jīng)常需要設(shè)計變更。這就很可能意味著上游三維設(shè)計要改，二維圖樣要改，下游樣品部門和多個加工廠商重建的大量三維模型也要改。本來就費時費力的設(shè)計變更，復(fù)雜度被上述的二維三維轉(zhuǎn)換成倍放大。

三、改進后的生產(chǎn)流程

針對上述問題，Lakehurst飛機分部嘗試了三維模型定義，在各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)統(tǒng)一使用三維技術(shù)數(shù)據(jù)包（TechnicalData Packages，TDP，包括三維PDF和內(nèi)嵌的STEP文件），還創(chuàng)建了以下三組關(guān)鍵的指導(dǎo)文件，從而完全避免了傳統(tǒng)的二維圖樣。

（1）三維模型定義的規(guī)范和標準。

（2）三維PDF的模板和格式。

（3）數(shù)字模型驗證證書。

確立了上述指導(dǎo)文件之后，如圖 2兩個產(chǎn)品（機翼掛架整流罩拆卸安裝支架和直升機拖車的連接裝置）被立項作為試點，采用下列改進的新流程。

（1）設(shè)計：使用三維 CAD軟件按照需求設(shè)計新的或修改已有產(chǎn)品。

（2）輸出文檔：按照美國 ASME Y14.41標準，在三維模型上面定義完整的三維標注，并且輸出三維模型定義數(shù)據(jù)包（三維 PDF以及內(nèi)嵌 STEP文件）。

（3）評估可生產(chǎn)性：可生產(chǎn)性工程師審查設(shè)計，并與設(shè)計工程師一起根據(jù)生產(chǎn)過程進行優(yōu)化設(shè)計，從而避免可生產(chǎn)性缺陷。常見缺陷如圖3所示，比如堵塞的孔、裂縫、空缺和薄壁。幾何模型和三維注釋都要經(jīng)過三維評估軟件的驗證。根據(jù)審查評估結(jié)果，工程師更新模型設(shè)計?？缮a(chǎn)性分析是至關(guān)重要的一個步驟，越早評估和糾正錯誤，損失越小。細節(jié)如表 1所示。

（4）檢入產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)：把模型保存檢入到海軍航空系統(tǒng)司令部批準的產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)。

（5）發(fā)布三維模型定義：根據(jù)批準的 PDF模板，把模型發(fā)布到三維 PDF文件，并確立三維 PDF為三維數(shù)據(jù)交流通用格式。endprint

（6）檢查：三維 PDF將由工程師和可加工性專家再次檢查。審核完成后，工程師將根據(jù)評估建議修改模型并更新三維 PDF和 STEP文件。

（7）比較模型：工程師利用軟件工具，分析比較三維PDF、STEP和原始 CAD文件，確認模型一致。

（8）發(fā)布：工程師將發(fā)布模型，并且使用軟件工具簽署數(shù)字驗證證書。然后把 STEP文件和驗證證書嵌入到三維 PDF文件中。

（9）安全加密：PDF文件將會被加密，被送往樣品制造部門。

（10）制造樣品：樣品部門將生產(chǎn)設(shè)備原型樣品。這個步驟使用 STEP文件驅(qū)動數(shù)控機床自動加工。

（11）質(zhì)檢：質(zhì)量部門將利用坐標測量機（CoordinateMeasuring Machine，CMM）抽取數(shù)字采樣點的坐標，并與 STEP文件比對來檢查零件質(zhì)量。偏差值在三維標注公差范圍之內(nèi)判定為合格；否則不合格。之后進行功能測試。

（12）批量生產(chǎn)：原型樣品通過尺寸和功能測試之后，三維模型定義數(shù)據(jù)包將被發(fā)送到合同部門和供應(yīng)鏈進行大規(guī)模生產(chǎn)。

四、項目經(jīng)費

上述兩個試點項目按照改進后的流程，總共花銷共約178萬人民幣，以下是詳細清單。

（1）部門批準項目經(jīng)費 66萬人民幣。

（2）人力成本共 1220小時，團隊一共 12人。工時約合 70萬人民幣，如表 2所示。

（3）軟件廠商贊助的價值 42萬人民幣的軟件。另外，整個 Lakehurst中心的基礎(chǔ)設(shè)施改善項目得到了約 200萬人民幣的批準經(jīng)費。因為這筆經(jīng)費不止用于三維模型定義的試點項目，而且是分批落實，直到項目結(jié)束之后才完全到位，所以并未計入上述項目經(jīng)費。但是改善的基礎(chǔ)設(shè)備會直接影響到項目的成果。

從投資的角度講，非常令人欣慰的是這兩個試點在經(jīng)費和時間上的投入并非遙不可及，完全是在很多中國企業(yè)可以接受的范圍之內(nèi)。舉例來說。

（1）2009年，中國工業(yè)企業(yè)數(shù)量約為 43萬（數(shù)據(jù)來源：國家統(tǒng)計局，中國工業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫，2009年）。由于沒有 2014年的最新數(shù)據(jù)，這里按照年平均 GDP增長 7.5%來估算，2014年工業(yè)企業(yè)數(shù)量增長到 62萬。2014年工業(yè)（第二產(chǎn)業(yè)）固定投資 204515億元（數(shù)據(jù)來源：國家統(tǒng)計局，2014年全國固定資產(chǎn)投資（不含農(nóng)戶）增長 15.7%，2015年）。那么平均每家企業(yè)固定資產(chǎn)投資約為3300萬元。而上述兩個試點項目總經(jīng)費 178萬元，只占平均每家企業(yè)固定資產(chǎn)投資的 5.4%。所以說只要我國的企業(yè)有決心，三維模型定義的投資應(yīng)該是力所能及的。

（2）上述試點的人力成本共1220小時，團隊一共12人。那么人均投入約100小時，不到三周。所以從工時角度講，三維模型定義的投資小，見效快。當(dāng)然，整個試點周期要長于三周，原因是有些環(huán)節(jié)必須按照先后順序進行，無法并行。另外2013年夏天美國政府被迫關(guān)閉，職員強制休假，項目進度也受到影響。

（3）美國的人力成本非常昂貴。美國海軍 1220個工時的成本是 70萬人民幣，約合每小時 570元。而我國制造企業(yè)的工時成本大概只有 1/5到 1/10，要低很多。

（4）從試點項目的選擇來講，我國的企業(yè)可以根據(jù)自身情況循序漸進。不一定要像美國海軍那樣從規(guī)模較大的兩個產(chǎn)品開始。建議從一個小規(guī)模試點開始摸索。積累經(jīng)驗，鍛煉團隊，為未來項目做鋪墊。這樣投資風(fēng)險也會降低很多。逐漸熟練之后，可以向深度和廣度拓展。關(guān)于試點和實施建議，歡迎關(guān)注后續(xù)文章。

五、三維模型定義帶來的收益

Lakehurst分部的收效非常令人鼓舞。最明顯的，也是最容易追蹤記錄的收益是直接減少了當(dāng)前流程中的重復(fù)勞動。根據(jù)兩個項目的初步估計，通過實施三維模型定義每年將節(jié)省超過 2000萬人民幣，如表 3所示。

（數(shù)據(jù)來源：DEPARTMENT OF THENAVY，DEPARTMENT OF THENAVY，Summary and results of the Commercial Technologies for Maintenance Activities （CTMA）， Model Based Definition （MBD） for Aircraft Launch， Recovery， and SupportEquipment Project，2013年）

新項目的開發(fā)周期預(yù)計可以減少 33%，還可以顯著降低制造誤差，從而壓低返工量，降低成本。此外，高保真的三維模型定義幫助增強工程、制造和其他項目關(guān)鍵人員之間的溝通與協(xié)作。清晰無歧義的領(lǐng)會設(shè)計意圖避免了生產(chǎn)部門反復(fù)向設(shè)計部門詢問關(guān)鍵特征。比如質(zhì)量部門表示，檢測新產(chǎn)品所需的時間可以減少。

工程與制造（可生產(chǎn)性分析）步驟之間的協(xié)同，不僅有利于降低新設(shè)計的成本，還有助于針對制造偏差和檢驗結(jié)果向工程師提供設(shè)計反饋。更進一步，三維模型定義還可以促進海軍航空分部與外圍供應(yīng)鏈之間實現(xiàn)更好的協(xié)調(diào)。

六、技術(shù)轉(zhuǎn)型實施建議

試點很重要的意義是總結(jié)經(jīng)驗。Lakehurst分部分享了下列實施建議。

（1）針對變化，向團隊充分溝通并提供必要的培訓(xùn)。

與任何新技術(shù)的實施一樣，一個團隊認可和采用三維模型定義流程，需要顯著的文化和思路改變。就好象從二維設(shè)計到三維設(shè)計的轉(zhuǎn)變，或者從手工紙質(zhì)圖樣到計算機輔助設(shè)計（CAD）的轉(zhuǎn)變。因此，充分及時的溝通和必要培訓(xùn)至關(guān)重要。

（2）升級基礎(chǔ)設(shè)施。為了使得技術(shù)人員在車間環(huán)境能夠查看數(shù)字化三維數(shù)據(jù)，從而順利的執(zhí)行加工和制造任務(wù)，基礎(chǔ)設(shè)施的升級提供了有力的保障，比如車間中的數(shù)字顯示屏、局域網(wǎng)以及相應(yīng)的軟件工具。

（3）與產(chǎn)品生命周期管理集成。endprint

通過試驗，一系列的軟件工具通過了日常辦公室環(huán)境的評估，比如創(chuàng)建三維 PDF文件和驗證三維模型等。雖然這些軟件在小規(guī)模實施中效果很好，要想真正實現(xiàn)三維模型定義對整個海軍的巨大節(jié)約潛力，這些軟件必需能夠集成到現(xiàn)有產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)，而且海軍還可能需要它們的高級企業(yè)級版本。這將幫助進一步實現(xiàn)自動化和集成化，比如自動發(fā)布和存儲三維數(shù)據(jù)包（包括三維 PDF、STEP文件和其他需要的文件）。另外與三維數(shù)據(jù)包關(guān)聯(lián)的隱性數(shù)據(jù)，比如零件號、材料、設(shè)計師等等，也應(yīng)該與產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)集成，而且可以作為搜索參數(shù)。

（4）實現(xiàn)自動化的工作流程。

產(chǎn)品生命周期管理的自動化工作流程提供了幾個優(yōu)勢：為工程師簡化流程，而且確保所有批準程序和規(guī)定得到統(tǒng)一的遵守。自動化可以通過創(chuàng)建產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)中的工作流程來實現(xiàn)。

（5）驗證三維模型。

新的流程牽扯原始 CAD模型、中間格式（STEP文件或其他格式）和三維 PDF。在生產(chǎn)數(shù)據(jù)交流當(dāng)中，一定要注意驗證輸出的三維模型跟原始設(shè)計是否一致。而且不只過政府財政預(yù)算，政府被迫關(guān)閉并強制工作人員休假。Lakehurst中心三維模型定義項目也受到了延誤，而且收集到的跟蹤數(shù)據(jù)不夠全面。所以接下來一個重要任務(wù)是進一步收集比較數(shù)據(jù)。接著按照新流程繼續(xù)試點若干新項目，來更詳細地量化三維模型定義的收益潛力。迄今最大的一個三維模型定義實施項目已經(jīng)被確立：E-2D旋轉(zhuǎn)天線罩維修支架（圖 4和圖 5）。除此之外，其他幾個規(guī)模稍小的項目也即將上馬。

需要驗證模型本身，還需要驗證三維標注和隱含屬性。曾經(jīng)有一家供應(yīng)商按照客戶提供的三維數(shù)據(jù)進行了下一步的設(shè)計和生產(chǎn)。結(jié)果半年之后才發(fā)現(xiàn)客戶提供的三維數(shù)據(jù)與原始 CAD設(shè)計相差甚遠，浪費了大量的時間和人力，甚至導(dǎo)致法律糾紛。

Lakehurst中心的流程是通過比較 STEP文件和 CAD模型來驗證工程師的意圖。更進一步，驗證三維 PDF將保證外圍供應(yīng)鏈和制造商能夠放心準確的使用甚至測量三維PDF的模型。

（6）向深度和廣度擴展應(yīng)用。

三維 PDF可以拓展到多種生產(chǎn)應(yīng)用，比如檢測文檔。另外三維 PDF的動畫功能可以幫助創(chuàng)建工藝手冊、裝配指導(dǎo)書、焊接說明書和產(chǎn)品手冊等。這使得三維模型定義數(shù)據(jù)能夠直接提升多個下游生產(chǎn)環(huán)節(jié)的效率，帶來顯著效益。

七、下一步計劃

2013年，試點項目進行期間，由于美國國會拒絕通過政府財政預(yù)算，政府被迫關(guān)閉并強制工作人員休假。Lakehurst 中心三維模型定義項目也受到了延誤，而且收集到的跟蹤數(shù)據(jù)不夠全面。所以接下來一個重要任務(wù)是進一步收集比較數(shù)據(jù)。接著按照新流程繼續(xù)試點若干新項目，來更詳細地量化三維模型定義的收益潛力。迄今最大的一個三維模型定義實施項目已經(jīng)被確立：E-2D 旋轉(zhuǎn)天線罩維修支架（圖4 和圖5）。除此之外，其他幾個規(guī)模稍小的項目也即將上馬。

上述從政府項目的角度，介紹了美國海軍航空作戰(zhàn)中心 Lakehurst飛機分部的實踐經(jīng)驗。數(shù)據(jù)證明，三維模型定義并非遙不可及。如果開展得當(dāng)，經(jīng)費和時間的投入完全可以控制在我國企業(yè)的能力之內(nèi)，而且可以帶來巨大的經(jīng)濟效益。關(guān)鍵是更新觀念、勇于嘗試、關(guān)注最新的技術(shù)發(fā)展、總結(jié)經(jīng)驗、循序漸進。希望我國也能盡快實現(xiàn)類似的收效。如果您想了解更多，歡迎關(guān)注后續(xù)文章，也歡迎加入微信MBD-MBE討論，或與 oboe.Wu@3DS.com聯(lián)系。 IMendprint