三維模型定義 （MBD）實(shí)施經(jīng)驗(yàn)

吳軍

一、引言

前面兩期文章總結(jié)了三維模型定義實(shí)施的十要和十不要，并深入介紹了人員方面（人事結(jié)構(gòu)和團(tuán)隊(duì)理念）和流程方面（方法、步驟和工具）的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。在此基礎(chǔ)之上，下面兩期文章將重點(diǎn)分析三維模型定義實(shí)施的第三個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域：產(chǎn)品，即具體的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造。本文作為產(chǎn)品篇的上半部分首先提出四條建議，下期將繼續(xù)解釋四個(gè)誤區(qū)。

二、MBD實(shí)施經(jīng)驗(yàn)之產(chǎn)品篇：四點(diǎn)建議

1.選好制造文檔作為突破口

產(chǎn)品生命周期中，各種制造文檔卷帙浩繁。初始實(shí)施不求全面轉(zhuǎn)型，只需要集中精力找準(zhǔn)一兩種文檔突破即可，以點(diǎn)帶面，積累經(jīng)驗(yàn)，然后逐步擴(kuò)大范圍。美國(guó)一家水處理設(shè)備公司 Waters就是一個(gè)典型的例子。盡管實(shí)施團(tuán)隊(duì)滿懷熱情，計(jì)劃全面取代二維工程圖，但是遇到采購、檢測(cè)等各個(gè)部門的阻力。經(jīng)過協(xié)商，最終同意采納簡(jiǎn)單、低風(fēng)險(xiǎn)的標(biāo)準(zhǔn)件或外購件采購文檔作為試點(diǎn)，如螺絲、軸承、管路和三通等。以往這些零部件都由二維工程圖定義，但實(shí)際上它們都是按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)定設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的，尺寸和公差都遵循行業(yè)通行的規(guī)范。所以采購部只需要確認(rèn)零件號(hào)、種類、規(guī)格、材料和數(shù)量，這些信息大都已經(jīng)在標(biāo)題欄體現(xiàn)；而檢驗(yàn)員只需要按照設(shè)計(jì)要求檢查關(guān)鍵尺寸，完全沒必要檢測(cè)所有特征，因而不需要完全尺寸定義；公差更簡(jiǎn)單，除非特殊要求，其他絕大部分都已經(jīng)在技術(shù)要求或標(biāo)題欄中進(jìn)行全局定義，例如線性尺寸小數(shù)點(diǎn)后兩位精度公差為正負(fù) 0.01，三位精度公差為正負(fù) 0.005，角度公差正負(fù) 1度。所以最終達(dá)成的雙贏共識(shí)是如圖 1所示的三維 PDF。設(shè)計(jì)部門直接標(biāo)注模型，省略大量非關(guān)鍵尺寸，發(fā)布三維 PDF，并檢入產(chǎn)品生命周期系統(tǒng)，從而不再需要單獨(dú)的二維工程圖；而采購和檢測(cè)部門從產(chǎn)品生命周期系統(tǒng)讀取更加清晰的電子三維 PDF，得到關(guān)鍵尺寸。更重要的是，這個(gè)突破口可以讓三維模型定義和三維 PDF得到更廣泛的關(guān)注和使用。

類似突破開路的例子還有很多。比如一家日用消費(fèi)品企業(yè)選定復(fù)雜的塑料零件在三維環(huán)境下標(biāo)注關(guān)鍵特征，而其他非關(guān)鍵的有機(jī)復(fù)雜曲面則只在 CAD模型基礎(chǔ)上定義一個(gè)表面輪廓度公差要求。原因是有機(jī)曲面本身就很難完全標(biāo)注準(zhǔn)確，沒有必要花費(fèi)時(shí)間在二維工程圖上。另外一家醫(yī)療儀器企業(yè)用三維鈑金件 PDF做詢價(jià)單，可以增進(jìn)加工廠的理解，提高報(bào)價(jià)速度。

2.清晰的組織與呈現(xiàn)三維標(biāo)注

制造信息的讀取對(duì)制造的成敗至關(guān)重要，因此組織和呈現(xiàn)三維標(biāo)注應(yīng)該得到與創(chuàng)建標(biāo)注同等的重視。圖 2中繁亂的顯示給理解設(shè)計(jì)意圖造成了極大的不便，業(yè)界戲稱為“刺猬現(xiàn)象”。這使三維模型定義備受詬病，經(jīng)常給實(shí)施造成阻力。

三維模型定義并不代表完全拋棄二維工程圖行之有效的方法。比如二維圖層清楚的組織重疊元素就廣受歡迎。在三維模型中，圖層也可以幫助有效地分類組織標(biāo)注，尤其是同一個(gè)視角的不同元素。美國(guó)軍標(biāo) 31000A規(guī)定：“標(biāo)注應(yīng)該能夠分配到合適的圖層和角度，從而有條理地組織和顯示”，如圖 3所示（數(shù)據(jù)來源：MIL-STD-31000A， Department of Defense Standard Practice Technical DataPackages，2013年）。比如前視角度可以分層顯示或隱藏線性尺寸、角度尺寸、基準(zhǔn)、幾何公差、技術(shù)要求、表格、孔標(biāo)注、端面標(biāo)注和外形尺寸標(biāo)注等。由此可見標(biāo)注圖層的分類組織可以非常靈活，完全由設(shè)計(jì)需要決定。

在圖層基礎(chǔ)上，一些傳統(tǒng)視圖對(duì)呈現(xiàn)和領(lǐng)會(huì)三維標(biāo)注也非常重要，比如三視圖、局部視圖、剖視圖和斷裂視圖等。更進(jìn)一步來看，三維空間的獨(dú)到優(yōu)勢(shì)以及圖層與視圖的綜合使用，使得其他顯示模式成為可能，比如動(dòng)態(tài)顯示標(biāo)注和三維視圖縮影等，如圖 4～ 6所示。由此，眾多的三維標(biāo)注就可以合理地分配到各種圖層和視圖中，只在合適的情況下顯示和使用。

3.訂制標(biāo)準(zhǔn)化模板

除了利用圖層和視圖清晰地組織和展示三維標(biāo)注，訂制標(biāo)準(zhǔn)化模板可以進(jìn)一步組織和管理三維模型定義的大量數(shù)據(jù)，方便下游生產(chǎn)環(huán)節(jié)讀取。而且有助于加速數(shù)據(jù)創(chuàng)建，統(tǒng)一風(fēng)格，保證一致性。模板可謂一勞永逸，不需要經(jīng)常修改，可以應(yīng)用于很多場(chǎng)合，如三維標(biāo)注、技術(shù)要求、三維PDF、模型屬性和表格等。這里簡(jiǎn)單介紹三個(gè)例子。

（1）三維標(biāo)注模板。詳細(xì)的三維標(biāo)注可能會(huì)花費(fèi)大量時(shí)間。比如歐洲一家汽車制造商的白車身底板零件可能包括上百個(gè)尺寸公差，而傳動(dòng)系統(tǒng)的氣缸蓋可能需要 800多個(gè)。手動(dòng)定義完成一個(gè)零件所有標(biāo)注之后，這些信息會(huì)記錄在一個(gè)模板當(dāng)中。在其他類似的設(shè)計(jì)或配置當(dāng)中，只需要利用這個(gè)模板就能把所有標(biāo)注自動(dòng)復(fù)制創(chuàng)建，而工程師只需要根據(jù)新設(shè)計(jì)的獨(dú)特之處手動(dòng)修改少量標(biāo)注而不是全部。不僅節(jié)省了幾天甚至幾周的時(shí)間，而且還可以保留標(biāo)注的布局、精度、公差風(fēng)格以及與模型特征的關(guān)聯(lián)性。

（2）技術(shù)要求模板。技術(shù)要求的條款可能很多，但是大都遵循一些言簡(jiǎn)意賅的模式，保證了一致性、避免誤解。正如美國(guó)一家研究機(jī)構(gòu)提到的：“我們不希望看到幾十個(gè)工程師各自創(chuàng)建幾十個(gè)不同的粗糙度或氧化處理的技術(shù)要求。 ”所以模板正好派上用場(chǎng)。這家機(jī)構(gòu)把所有技術(shù)要求的條目都統(tǒng)一羅列在一個(gè) Excel模板文件中，由產(chǎn)品數(shù)據(jù)軟件管理，對(duì)普通用戶設(shè)置為只讀。工程師無需自行書寫技術(shù)要求，而是使用一個(gè)軟件工具指定需要的條目，程序就可以自動(dòng)從Excel中選擇相應(yīng)的內(nèi)容發(fā)布到三維 PDF。類似的模板還可以包括其他文字內(nèi)容，例如知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明和保密聲明等。

（3）三維 PDF模板。如上文所述，制造文檔類型繁多，而且每個(gè)種類的文件都需要一定的規(guī)范。使用三維 PDF格式生成這些文檔具備諸多優(yōu)勢(shì)，但是首先必須要滿足類型規(guī)范。比如標(biāo)準(zhǔn)件采購文檔需要公司商標(biāo)、標(biāo)題欄、模型視圖和技術(shù)要求等；除了這些基本元素，裝配手冊(cè)還需要材料明細(xì)表、爆炸視圖和裝配步驟等；檢測(cè)報(bào)告需要尺寸表格、實(shí)際測(cè)量尺寸文本框、批準(zhǔn)簽字區(qū)等。還有些文檔需要封面，比如美國(guó)政府要求武器相關(guān)的文檔第一頁應(yīng)該首先顯示國(guó)際武器交易法規(guī)聲明（ITAR，International Traffic in ArmsRegulations），與出口相關(guān)的文檔第一頁應(yīng)該顯示出口管理法規(guī)聲明（EAR，Export AdministrationRegulations）。其它面向客戶的市場(chǎng)和培訓(xùn)等文檔需要專業(yè)圖片封面等。所有以上元素都可以定義在各種類型的三維PDF模板當(dāng)中。發(fā)布三維 PDF只需要選擇合適的模板，然后一系列信息如模型、標(biāo)注、屬性、視圖、表格、技術(shù)要求、圖片和聲明等都會(huì)按照模板規(guī)范自動(dòng)輸出，省去了重復(fù)勞動(dòng)，極大地提高了效率和標(biāo)準(zhǔn)化程度。

4.驗(yàn)證模型、標(biāo)注和衍生文件質(zhì)量

圖樣校驗(yàn)是傳統(tǒng)流程中的一個(gè)關(guān)鍵步驟。在三維模型定義中，這個(gè)步驟不僅不能省略，而且職責(zé)更廣，包括模型質(zhì)量、標(biāo)注質(zhì)量和保存到 CAD軟件新版本之后的準(zhǔn)確性、以及衍生文件的準(zhǔn)確性。

模型質(zhì)量涉及眾多不易察覺的細(xì)節(jié)，所以問題可能比想象的要嚴(yán)重。比如美國(guó)陸軍的一個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目顯示某坦克傳動(dòng)系統(tǒng)，21%的模型都有錯(cuò)誤（數(shù)據(jù)來源：Certification of Model-Based EnterpriseData，SimonFrechette和 RoyWhittenburg，2011年）。圖 7列舉了常見缺陷：堵塞的孔、裂縫、空缺和薄壁，導(dǎo)致加工故障。

標(biāo)注質(zhì)量包括幾何尺寸和公差（GD&T）的準(zhǔn)確性、是否滿足國(guó)標(biāo)要求（三維模型定義國(guó)標(biāo)為 GB/T 24734-2009）、與模型的關(guān)聯(lián)性以及顯示布置等。問題最多的是GD&T。美國(guó)一家航空設(shè)備制造商提到：“我們把 GD&T奉若經(jīng)典。每個(gè)新工程師都要經(jīng)過兩周的專門培訓(xùn)。但即使這樣，使用錯(cuò)誤還是層出不窮，甚至出自資深工程師?！迸e一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，圖 8為平行度與基準(zhǔn)面 A矛盾，有些軟件可以自動(dòng)檢測(cè)提醒 GD&T的錯(cuò)誤。

升級(jí)到 CAD軟件新版本之后，也要注意標(biāo)注的準(zhǔn)確性。如圖 9所示，模型升級(jí)之后直徑公差丟失。

上述都是文件本身可能的質(zhì)量問題，下面解釋一下衍生文件可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤。眾所周知，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)最理想的載體是 CAD軟件本身的格式，可以比較完整真實(shí)地保留信息。但是下游環(huán)節(jié)，尤其是外部供應(yīng)鏈不一定能夠讀取 CAD格式，所以各種三維衍生文件會(huì)經(jīng)常用到。常見的如三維PDF供 Adobe閱讀器瀏覽模型和標(biāo)注；STEP、IGS和 JT供計(jì)算機(jī)輔助制造軟件（CAM）或坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）自動(dòng)編程。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）還在 2014年 12月專門為三維模型定義發(fā)布了 STEP242格式，在模型基礎(chǔ)上包括了三維標(biāo)注（數(shù)據(jù)來源：Industrial automation systems and integration --Product data representation and exchange --Part 242： Application protocol： Managed model-based 3Dengineering，ISO10303-242：2014）；此外還有 STL或 AMF供三維打印等。這些格式都方便了數(shù)據(jù)交流，但是使用當(dāng)中要注意驗(yàn)證衍生格式是否忠實(shí)于原始數(shù)據(jù)。圖 10顯示了一個(gè)衍生模型變形的例子。美國(guó)空軍幾家供應(yīng)商就為此付出了慘痛的代價(jià)：某家一級(jí)供應(yīng)商的模型和標(biāo)注是在一款 CAD軟件平臺(tái)上設(shè)計(jì)，其二級(jí)供應(yīng)商無法直接讀取這個(gè)格式。因此前者導(dǎo)出了中間格式發(fā)給后者進(jìn)行加工。結(jié)果項(xiàng)目已經(jīng)進(jìn)行了半年之后，才發(fā)現(xiàn)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)根本就不符合原始設(shè)計(jì)：有些特征變形，有些標(biāo)注錯(cuò)位甚至丟失。不僅項(xiàng)目損失慘重，雙方甚至有可能法庭相見。供應(yīng)商的一位工程師回憶：“我們?nèi)S模型定義初始嘗試令人難堪?？蛻魶]有驗(yàn)證輸出數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性就交給我們?，F(xiàn)在公司管理層還在擔(dān)心如果沒有正確的流程，三維模型定義會(huì)更加耽誤時(shí)間，導(dǎo)致更多錯(cuò)誤?！?/p>

要解決上述問題，可以指定專人驗(yàn)證，類似二維工程圖校對(duì)。另外有的軟件工具可以進(jìn)行自動(dòng)驗(yàn)證，圖 7～ 10都是軟件校驗(yàn)的例子。從商業(yè)合作角度出發(fā)，項(xiàng)目應(yīng)該具備數(shù)據(jù)認(rèn)證機(jī)制。數(shù)據(jù)發(fā)行方（甲方或乙方）必須要對(duì)關(guān)鍵交付數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)證。認(rèn)證的數(shù)據(jù)要成為合同的一部分。如果出現(xiàn)問題，發(fā)行方、認(rèn)證方要承擔(dān)責(zé)任；而未經(jīng)認(rèn)證的關(guān)鍵數(shù)據(jù)不應(yīng)具備投產(chǎn)資質(zhì)。

三、結(jié)語

上文總結(jié)了四條注意事項(xiàng)：選好一兩種制造文檔作為突破口；清晰的組織和呈現(xiàn)三維標(biāo)注和視圖；訂制標(biāo)準(zhǔn)化模板；驗(yàn)證模型、標(biāo)注和衍生文件質(zhì)量。下期將繼續(xù)介紹四個(gè)注意避免的常見錯(cuò)誤，如表所示。如果您想了解更多，歡迎關(guān)注后續(xù)文章，比如實(shí)施案例、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、最新技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)等，也歡迎與 Oboe.MBD@gmail.com聯(lián)系討論。來信提出建議、想法、問題的同仁，都會(huì)免費(fèi)得到一份精美的三維 PDF。

表三維模型定義實(shí)施在“產(chǎn)品”領(lǐng)域的“四要，四不要”

關(guān)鍵領(lǐng)域 四要 四不要

產(chǎn)品 1.選好一兩種制造文檔作為突破口2.清晰的組織和呈現(xiàn)三維標(biāo)注和視圖3.訂制標(biāo)準(zhǔn)化模板4.驗(yàn)證模型、標(biāo)注和衍生文件質(zhì)量 1.不要省略關(guān)鍵標(biāo)注2.不要停留在圖像層次的三維標(biāo)注3.不要排除打印紙質(zhì)文檔4.不要停留在初級(jí)三維 PDF

注：本系列文章是根據(jù)國(guó)內(nèi)外幾十家企業(yè)的反饋，從“人員，流程和產(chǎn)品”角度總結(jié)了實(shí)施當(dāng)中的“十要和十不要”作為點(diǎn)滴經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，但是遠(yuǎn)非完整的實(shí)施手冊(cè)。真正的實(shí)施范圍非常廣，而且與企業(yè)自身習(xí)慣息息相關(guān)。 IM