產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)質(zhì)量保證與控制現(xiàn)狀及對策研究

王 凱，許建新

（1.中國民用航空飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，廣漢 618307；2.西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，西安 710072）

0 引言

在產(chǎn)品的整個(gè)開發(fā)周期中，數(shù)據(jù)是產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)整個(gè)流程的基礎(chǔ)。企業(yè)要在整個(gè)流程中高效地應(yīng)用原始數(shù)據(jù)，高質(zhì)量的數(shù)據(jù)是非常重要的。因而，PDQ（Product Data Quality，數(shù)字化模型質(zhì)量）的控制就成為了避免產(chǎn)品數(shù)據(jù)缺陷的關(guān)鍵因素，也是核心力量，數(shù)字化模型質(zhì)量的高低直接影響到最終真實(shí)產(chǎn)品的質(zhì)量高低[1]。

所謂PDQ，涉及了CAD模型的描述及可視化內(nèi)容，考慮了CAD模型的所有屬性(即準(zhǔn)確的定義、結(jié)構(gòu)完整性等)，為以后的制造使用起到了至關(guān)重要的作用[2]。而國內(nèi)對于PDQ的研究很少，沒有進(jìn)行系統(tǒng)化。本文針對目前國內(nèi)對于產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)質(zhì)量保證與控制的研究現(xiàn)狀，提出了八大策略，并給出了選擇質(zhì)量保證與控制技術(shù)方案的方法。

1 我國制造業(yè)的研究現(xiàn)狀

在2002年，國家推出了CAD/CAM數(shù)據(jù)質(zhì)量方面的國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 018784-2002）。但是由于其推出的時(shí)間晚，很多企業(yè)還沒有引起足夠的重視，即沒有形成全面的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與檢查標(biāo)準(zhǔn)，又沒有投入大量資金去研發(fā)相關(guān)軟件，對于產(chǎn)品模型質(zhì)量保證與控制技術(shù)的研究還處在初級摸索階段[3]，整體情況概述如下：

1）企業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程緩慢，大多還停留在“標(biāo)準(zhǔn)文本”狀態(tài)，沒有起到應(yīng)有的作用。

對于設(shè)計(jì)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)化，國內(nèi)一些企業(yè)也做了一些相應(yīng)的研究和應(yīng)用。比如航天三院制定了Q/SB333.1—2006UG三維設(shè)計(jì)基礎(chǔ)規(guī)范；廣西玉柴機(jī)器股份有限公司制定了Q/YC5033(玉柴UG三維建模和制圖規(guī)范)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并明確要求必須對三維數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行檢查；成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司制定了基于模型定義技術(shù)的設(shè)計(jì)規(guī)范。但是這些規(guī)范沒有得到很好的應(yīng)用，沒有很好的技術(shù)體系去支撐，沒有發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

2）很多高校參與進(jìn)來，開發(fā)了相應(yīng)的檢查系統(tǒng)原型，但沒有形成產(chǎn)品。

像哈爾濱工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、山東大學(xué)、鄭州大學(xué)以及北京航天航空大學(xué)都參與了相關(guān)的研發(fā)工作，并開發(fā)了自己的原型系統(tǒng)。但是，很多高校對于產(chǎn)品工藝性審查研究更多的偏向于可制造性評價(jià)方法的建立，基于數(shù)據(jù)庫建立推理機(jī)，這種方法沒有建立全面的檢查規(guī)范體系，沒有與實(shí)際生產(chǎn)制造相聯(lián)系，實(shí)施起來比較困難，開發(fā)出的信息化系統(tǒng)簡單，審查的項(xiàng)目少，也沒有真正的推向市場，還基本上停留在科研階段[4]。

3）國內(nèi)一些企業(yè)以及研究院所開發(fā)了相應(yīng)的CAD系統(tǒng)檢查軟件產(chǎn)品，并在機(jī)械相關(guān)企業(yè)得到了一定的應(yīng)用。

常見的有中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心開發(fā)的PDQC系統(tǒng)（產(chǎn)品CAD數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測及標(biāo)準(zhǔn)化審查系統(tǒng)）、上海同捷公司開發(fā)的基于UG的I-DesignQC產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量檢測系統(tǒng)、北京航天航空大學(xué)863/CIMS設(shè)計(jì)自動(dòng)化工程實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的基于SETP標(biāo)準(zhǔn)的金銀花系統(tǒng)、中國空空導(dǎo)彈研究院開發(fā)的PMC系統(tǒng)。但是，國內(nèi)的檢查軟件功能簡單，覆蓋面比較窄，可擴(kuò)展性以及可配置性差，在企業(yè)實(shí)施過程中不能長久的進(jìn)行技術(shù)跟進(jìn)，不能滿足企業(yè)MBD技術(shù)的應(yīng)用需求，尤其是不能滿足可制造性需求。

4）一些企業(yè)開發(fā)了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信息管理系統(tǒng)，對各階段的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一管理。

像北京宏博遠(yuǎn)達(dá)科技有限公司的VCI-PSM產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)管理系統(tǒng)，將所有的設(shè)計(jì)、工藝、制造、檢驗(yàn)等標(biāo)準(zhǔn)以及這些標(biāo)準(zhǔn)的工作方法、指令、要求都被統(tǒng)一編碼并有標(biāo)準(zhǔn)信息管理系統(tǒng)管理和發(fā)布，任何授權(quán)的廠所，授權(quán)的個(gè)人，都能檢索到標(biāo)準(zhǔn)并使用，進(jìn)而保證所有廠所間執(zhí)行統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，從而保證產(chǎn)品的質(zhì)量要求。但其只是針對規(guī)范文檔的管理，沒有考慮到規(guī)范文檔的使用方法。

5）國內(nèi)相關(guān)配套技術(shù)匱乏，沒有與成熟的檢查軟件進(jìn)行很好的集成應(yīng)用。

國內(nèi)很多企業(yè)，尤其是一些航空制造企業(yè)雖然已經(jīng)購買了成熟的檢查軟件，但是沒有很好的利用起來，還是處于“等候檢查”階段，不能將國標(biāo)、航標(biāo)以及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與檢查工具進(jìn)行緊密的聯(lián)系與應(yīng)用，更沒有形成約束力，這樣容易造成后續(xù)的大量修改。而制定一套統(tǒng)一的、適合于企業(yè)的建模規(guī)范和模型檢查技術(shù)就顯得尤為重要。

從我國關(guān)于產(chǎn)品模型質(zhì)量保證與控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀來看，國內(nèi)的技術(shù)研發(fā)還有待加強(qiáng)。如何利用以往的經(jīng)驗(yàn)和已有的軟件，并引入信息化，成為目前產(chǎn)品模型質(zhì)量保證與控制的方向和重點(diǎn)。

2 制造企業(yè)存在的不足

目前，在制造企業(yè)，工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造等都得到了很好的發(fā)展，尤其是信息化的應(yīng)用，更是推動(dòng)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)/制造各階段的運(yùn)行效率。但是，企業(yè)的質(zhì)量控制仍然處在初級發(fā)展階段，尤其是對于產(chǎn)品三維模型的質(zhì)量控制上，往往是設(shè)計(jì)不能滿足制造的需求，制造的反饋不能很好的到達(dá)設(shè)計(jì)部門。關(guān)于產(chǎn)品模型的質(zhì)量保證與控制技術(shù)比較零散，沒有形成技術(shù)集中，不便于設(shè)計(jì)人員參考以及檢查人員進(jìn)行檢查。如此，產(chǎn)品的質(zhì)量沒辦法得到很好的保證，產(chǎn)品生產(chǎn)過程的各階段沒有很好的協(xié)調(diào)，各部門協(xié)作形成了壁壘[5]。

在現(xiàn)有的體系下，設(shè)計(jì)所僅負(fù)責(zé)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作，負(fù)責(zé)發(fā)放產(chǎn)品的圖紙和三維模型，它們僅準(zhǔn)確地描述出產(chǎn)品零部件的最終形狀和尺寸，未能考慮零部件制造的中間狀態(tài)和部件裝配過程中的各種要求。企業(yè)在零件的生產(chǎn)制造過程中更多的還是依賴設(shè)計(jì)以及工藝人員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，沒有把這些經(jīng)驗(yàn)形成詳盡的規(guī)范化文檔，這樣對于零件的檢驗(yàn)檢測就沒有一個(gè)合理的依據(jù)。而企業(yè)往往對于生產(chǎn)制造過程中數(shù)模的質(zhì)量保證沒有統(tǒng)一的規(guī)劃，質(zhì)量檢查人員不集中，到了哪個(gè)部門就臨時(shí)的進(jìn)行一下簡單的檢查[6]。

3 產(chǎn)品模型質(zhì)量保證與控制對策

為保證與控制產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)質(zhì)量，同時(shí)追趕發(fā)達(dá)國家的技術(shù)水平，通過對制造企業(yè)進(jìn)行大量的調(diào)研，借鑒國外的先進(jìn)技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，提出了提高我國制造業(yè)產(chǎn)品模型質(zhì)量保證與控制水平的八大策?；诓煌娜S建模軟件平臺，針對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、工藝、工裝以及檢驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行PDQ的控制，具體如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品模型質(zhì)量保證與控制對策

1）引入信息化，對設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行集中管理

設(shè)計(jì)規(guī)范是企業(yè)進(jìn)行模型設(shè)計(jì)與模型檢查的依據(jù)，往往比較零散。如果能引入信息化，建立設(shè)計(jì)規(guī)范管理平臺，對設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行統(tǒng)一管理，就可以方便設(shè)計(jì)人員隨時(shí)根據(jù)需要進(jìn)行檢索查詢。而其中最關(guān)鍵的是建立設(shè)計(jì)規(guī)范數(shù)據(jù)模型，依據(jù)不同的零件類型和專業(yè)廠對設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行歸類，保證設(shè)計(jì)規(guī)范查詢的快速化與有效性[7]。

2）使用檢查軟件對產(chǎn)品模型進(jìn)行實(shí)時(shí)檢查

各大CAD軟件針對產(chǎn)品數(shù)據(jù)質(zhì)量不斷的投入研發(fā)和完善其軟件功能，并面向行業(yè)用戶進(jìn)行定制化的開發(fā)以及信息化的集成，促進(jìn)了國外很多高端領(lǐng)域制造企業(yè)產(chǎn)品模型質(zhì)量控制體系的完善，像UG的Check-Mate、CATIA的Q-Checker、Pro/E的ModelCHECK，這些軟件把大量規(guī)則應(yīng)用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程，從而實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的自動(dòng)驗(yàn)證，提高了工程設(shè)計(jì)的效率。企業(yè)可以根據(jù)自身的需要建立產(chǎn)品三維模型檢查方案與檢查模板，依據(jù)所使用的三維軟件配置不同的模型檢查工具[8]。

同時(shí)，對于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程的質(zhì)量控制，可以選用Elysium開發(fā)的CADdoctor，其是一款針對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并自動(dòng)檢測修復(fù)數(shù)據(jù)質(zhì)量的工具，它結(jié)合不同企業(yè)或項(xiàng)目的要求，在數(shù)據(jù)的精度格式，甚至是不同數(shù)據(jù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行人為的設(shè)定，從而達(dá)到最終的數(shù)據(jù)幾何要求，保證了產(chǎn)品數(shù)據(jù)的質(zhì)量以及可靠性，同時(shí)提高了企業(yè)知識的有效性，為制造業(yè)的高速發(fā)展提供了保障。

3）建立產(chǎn)品模型質(zhì)量檢查系統(tǒng)

對產(chǎn)品三維模型設(shè)計(jì)規(guī)范、檢查規(guī)范、檢查方案進(jìn)行統(tǒng)一管理，同時(shí)集成各類檢查工具，并對檢查結(jié)果進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品三維模型的一站式檢查，如圖2所示。

圖2 產(chǎn)品模型質(zhì)量檢查系統(tǒng)

其中，最重要的就是建立檢查模板。檢查模板就是產(chǎn)品根據(jù)自身以及企業(yè)的需求形成的檢查項(xiàng)的集合。好的檢查模板不僅可以實(shí)現(xiàn)零件三維模型設(shè)計(jì)規(guī)范性檢查，還可以實(shí)現(xiàn)零件的工藝性審查。

4）建立產(chǎn)品模型審查知識庫，開發(fā)產(chǎn)品模型評估系統(tǒng)

采用知識的系統(tǒng)化建模方法，構(gòu)建零件評估知識模型，采用數(shù)據(jù)庫方式和程序方式，分別表示出評估描述性知識和過程性知識。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)基于知識的評估流程，包括零件信息輸入、評估計(jì)算，以及不符合要求的零件修改方案的給出。最終建立的產(chǎn)品模型評估系統(tǒng)具有知識維護(hù)、知識匹配和知識修正等功能[9]。

5）部門之間的協(xié)調(diào)，保證上下游部門的信息暢通，最終保證模型的品質(zhì)

產(chǎn)品模型的質(zhì)量控制不是一個(gè)部門或者幾個(gè)部門就能完成的，其需要企業(yè)所有部門的協(xié)調(diào)工作。設(shè)計(jì)部門需要及時(shí)的了解工藝以及制造部門的需求，而工藝以及制造部門需要及時(shí)的反饋改進(jìn)信息。部門與部門之間要形成信息交流通道，把工藝審查的內(nèi)容在零件設(shè)計(jì)的過程就考慮到，使得設(shè)計(jì)部門發(fā)布的模型具有更好的工藝性。

6）基于MBD技術(shù)的要求對產(chǎn)品三維模型進(jìn)行檢查，保證各類信息的準(zhǔn)確度

隨著MBD技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品三維模型所涉及的信息越來越多，包含設(shè)計(jì)模型、工藝模型、工裝模型以及檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?。MBD技術(shù)對于產(chǎn)品三維模型的品質(zhì)要求很高，否則會(huì)限制MBD技術(shù)的應(yīng)用。企業(yè)可以基于產(chǎn)品三維模型的結(jié)構(gòu)樹，逐條對其的準(zhǔn)確性進(jìn)行檢查，同時(shí)也要考慮模型自身的合理性。

7）建立國家、行業(yè)以及地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)化組織

很多企業(yè)都是按照自己的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行產(chǎn)品模型的設(shè)計(jì)，這使得行業(yè)的規(guī)范化受到影響，從而降低了國家層面的制造業(yè)水平。因此，需要建立面向各個(gè)層面的標(biāo)準(zhǔn)化組織，并使其具有一定的約束力。像汽車、航天、航空等高科技領(lǐng)域更需要建立行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化組織，從而提高零件三維模型的設(shè)計(jì)效率與設(shè)計(jì)質(zhì)量。

例如，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO針對通用制造業(yè)中存在的產(chǎn)品數(shù)據(jù)質(zhì)量問題制定了ISO10303-59標(biāo)準(zhǔn)；國際汽車業(yè)SASIG組織為解決當(dāng)前汽車工業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)關(guān)鍵質(zhì)量問題制定了SASIG-PDQ標(biāo)準(zhǔn)；德國的汽車工業(yè)聯(lián)合會(huì)VDA制定了VDA 4955標(biāo)準(zhǔn)；戴姆勒-克萊斯勒公司制定了CEP-002-Change（CAD STANDARDS MANUAL，CAD標(biāo)準(zhǔn)手冊）。這些質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)描述了對產(chǎn)品數(shù)據(jù)的質(zhì)量需求、質(zhì)量測量過程以及描述質(zhì)量驗(yàn)證結(jié)果的方法。

8）與其他系統(tǒng)的良好協(xié)作

通過與其他系統(tǒng)的協(xié)作可以使得各系統(tǒng)參與到產(chǎn)品模型質(zhì)量數(shù)據(jù)保證與控制當(dāng)中。包括與CAD、CAM、CAPP、CAQ、PLM、IQS、MES等系統(tǒng)的集成，通過系統(tǒng)間的信息流動(dòng)與交互實(shí)現(xiàn)PDQ的保證與控制。如圖3所示，4C系統(tǒng)（CAD/CAM/CAPP/CAQ）與PLM系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、工藝、質(zhì)量等信息的交互，最終通過PLM系統(tǒng)支撐產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型質(zhì)量管控、工藝/工裝模型質(zhì)量管控、產(chǎn)品工程數(shù)據(jù)質(zhì)量管控以及生產(chǎn)制造過程的質(zhì)量管控。通過各個(gè)系統(tǒng)信息的交互以及功能的協(xié)作，實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)質(zhì)量以及產(chǎn)品質(zhì)量的提高。

圖3 與其他系統(tǒng)的集成

4 制造企業(yè)選擇技術(shù)方案的方法

產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)質(zhì)量的保證與控制需要考慮的因素很多，不僅要考慮其使用效果，還要考慮企業(yè)自身的需求以及經(jīng)濟(jì)性。只有綜合考慮各方面因素，企業(yè)才能更好的選用技術(shù)方案，即滿足自身的需求，又節(jié)約成本，同時(shí)提高效率[10]。具體的產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)質(zhì)量的保證與控制的技術(shù)要素如下圖所示。

圖4 產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)質(zhì)量保證與控制的技術(shù)要素體系

企業(yè)在選擇技術(shù)方案時(shí)，要充分考慮其適用的行業(yè)、適用的模型格式、適用的零件類型、 覆蓋的范圍、適用的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、對于結(jié)果的處理、效率以及成本這個(gè)八方面要素，在控制成本與效率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的技術(shù)體系。

5 結(jié)束語

產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)是產(chǎn)品整個(gè)設(shè)計(jì)/制造的核心，其質(zhì)量的好壞影響產(chǎn)品的整個(gè)制造過程。鑒于目前我國對于產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)質(zhì)量的保證與控制研究現(xiàn)狀以及企業(yè)的實(shí)際運(yùn)行狀況，國家、行業(yè)以及企業(yè)需要高度重視，同時(shí)相互協(xié)作，制定相應(yīng)的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，建立詳細(xì)全面的技術(shù)體系，確保技術(shù)的暢通與實(shí)施效果，并最終保證產(chǎn)品的質(zhì)量，降低成本，提高效率。

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