GD&T圖紙的智能化設(shè)計(jì)技術(shù)

周世玉，王俊杰，余敦麗

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007；2.柳州穩(wěn)遠(yuǎn)電氣有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

智能制造是《中國制造2025》的主攻方向，是落實(shí)制造強(qiáng)國戰(zhàn)略的重要舉措。智能制造是基于新一代信息技術(shù)，貫穿設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動各個(gè)環(huán)節(jié)，具有信息深度自感知、只會優(yōu)化自決策，精準(zhǔn)控制自執(zhí)行等功能的先進(jìn)制造過程、系統(tǒng)與模式的總稱；具有以智能工廠為載體，以關(guān)鍵制造環(huán)節(jié)智能化為核心，以端到端數(shù)據(jù)流為基礎(chǔ)、以網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)為支撐等特征，可有效縮短產(chǎn)品研制周期、降低運(yùn)營成本、提高生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低資源能源消耗。汽車工業(yè)是汽車發(fā)達(dá)國家智能制造重要的應(yīng)用實(shí)施領(lǐng)域和突破口。

GD&T圖紙屬于汽車行業(yè)的機(jī)械工程行業(yè)的重要技術(shù)文件，包含大量的技術(shù)工程語言和參數(shù)，智能化設(shè)計(jì)圖紙是汽車智能化制造重要體現(xiàn)之一。但是，在現(xiàn)代傳統(tǒng)制造仍占重大比率的制造環(huán)境中，GD&T設(shè)計(jì)仍然完全依靠人工完成，以某主機(jī)廠某一車型的門檻板零部件為例，此零部件為普通中型大小零件，結(jié)構(gòu)相較簡單，通過人工從制圖準(zhǔn)備到制圖過程再到制圖確認(rèn)完成（審核校對發(fā)布等）大概需要2個(gè)工作日；而普通整車的零部件個(gè)數(shù)，及需要產(chǎn)出產(chǎn)品工程圖或GD&T圖紙技術(shù)文件的零部件個(gè)數(shù)達(dá)到千以上，而這些完全通過人工累積大量的工作日才能得以完成。從資源利用、人力控制、時(shí)間管理各方面講都是一種浪費(fèi)，不符合智能化設(shè)計(jì)制造的宗旨，且此項(xiàng)工作屬于前期設(shè)計(jì)工作，因?yàn)槠湓谥芷诳刂埔笾姓急容^大，大量的前期人工設(shè)計(jì)時(shí)間會對整車設(shè)計(jì)制造周期產(chǎn)生較大的影響，特別是在當(dāng)前客戶消費(fèi)代謝加速，對新車型渴望加深的激烈市場競爭環(huán)境中，整車設(shè)計(jì)制造投產(chǎn)周期的優(yōu)化將為其獲得市場主動權(quán)起到至關(guān)重要的作用。

1 GD&T概念及GD&T圖紙的應(yīng)用

GD&T，英文全名為Geometric Dimension and Tolerance的簡稱，指幾何尺寸公差，是通過形位公差限制實(shí)際被測形體（或要素）變動的區(qū)域，是零件的實(shí)際形狀、位置對其理想形狀、位置的變動量的描述，包含公差值描述大小；包含象征符號描述其控制要素，如點(diǎn)（平面、空間）、線（素線、軸線、曲線）、面（平面、曲面）、圓（平面、空間、整體圓柱）等區(qū)域。所以它不僅有大小，還具有形狀、方向、位置等4個(gè)要素，而且其控制要素又可以分為形狀公差、定向公差、定位公差、輪廓度公差、跳動公差五大類（十四種）。其大小是由指定的形位公差值來確定的。只要被測實(shí)際形體（或要素）被包含在這個(gè)公差帶內(nèi)，那么這個(gè)被測形體（或要素）就是合格的。形位公差帶控制的是點(diǎn)（平面、空間）、線（素線、軸線、曲線）、面（平面、曲面）、圓（平面、空間、整體圓柱）等區(qū)域，所以它包含大小、形狀、方向、位置4個(gè)要素，其中形狀公差用于控制形體的形狀；定向公差用于控制形體的方向；定位公差用于控制形體的方向和位置；輪廓度公差既可控制形體的大小和形狀，又可控制其方向和位置；跳動公差是對形體方向和位置的綜合控制。定位、定向和跳動公差，統(tǒng)稱為位置公差。

GD&T圖紙，即描述零部件、焊接過程件、白車身的形位公差、尺寸公差、配合公差等關(guān)系要求的圖樣，是幾何尺寸公差的文字體現(xiàn)，是指導(dǎo)零件及整車設(shè)計(jì)制造的重要技術(shù)文件。無論是傳統(tǒng)制造，還是汽車整車及零部件研發(fā)制造，都離不開GD&T圖紙（產(chǎn)品工程圖紙）的輸入。

2 GD&T智能化設(shè)計(jì)步驟

智能化設(shè)計(jì)制造不僅要成為寬泛的指導(dǎo)方針，更需要落實(shí)到具體行動和步驟當(dāng)中，以指導(dǎo)無論是初學(xué)者還是經(jīng)驗(yàn)充足的各級工程師進(jìn)行細(xì)致的實(shí)際操作。本文通過探索專業(yè)人員在尺寸工程行業(yè)內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)積累及對GD&T設(shè)計(jì)的專業(yè)性理解和領(lǐng)悟，參考國內(nèi)外多個(gè)主機(jī)廠圖紙?jiān)O(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)GD&T圖紙時(shí)所使用的繪制步驟，總結(jié)GD&T繪圖過程中的核心思想和宗旨，并通過繪圖設(shè)計(jì)軟件UG的功能模塊進(jìn)行二次開發(fā)將其智能化設(shè)計(jì)的技術(shù)思路通過以下5個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)。

2.1 加載數(shù)模時(shí)自動識別匹配面

GD&T設(shè)計(jì)的首要條件是識別零件的匹配功能面，并對其進(jìn)行尺寸公差等信息的標(biāo)注，人工設(shè)計(jì)過程中，是通過人工搜索零件對應(yīng)的匹配對手件并按照統(tǒng)一坐標(biāo)系加載裝配后對匹配重合區(qū)域進(jìn)行識別并標(biāo)注。以下步驟將通過繪圖軟件的對應(yīng)功能模塊將這一過程智能化。

智能設(shè)計(jì)模塊中，數(shù)模加載裝配至匹配位置，是通過在同一坐標(biāo)系中進(jìn)行坐標(biāo)定位來實(shí)現(xiàn)結(jié)合。零部件數(shù)模與其對手件的匹配位置，就是GD&T需要涵蓋的區(qū)域，即需要附加幾何形狀公差要求的區(qū)域，通過自動識別和標(biāo)注來實(shí)現(xiàn)。在繪圖軟件環(huán)境中可以通過編程自動識別搭接部位大小形狀，借用同一坐標(biāo)系中軟件能通過識別互相匹配的零部件坐標(biāo)位置功能來識別匹配位置的具體區(qū)域，并生成需要標(biāo)注GD&T要求的指定型面。指定型面識別后的突出顯示功能，將由提前設(shè)定的參數(shù)化實(shí)現(xiàn)，如目標(biāo)型面的加亮處理或者填充化處理，以清晰地表現(xiàn)此型面的用處。參數(shù)化的輸入可由設(shè)計(jì)者自定義設(shè)置，最大程度地保留圖紙信息的識別度。此步驟默認(rèn)在三維情形下完成。

2.2 自動調(diào)用模板

GD&T圖紙作為技術(shù)文件，需要標(biāo)準(zhǔn)化的模板來承載其包含的各種信息。模板需要包含封面，描述完整圖紙的基本信息，如圖號、車型、視圖及公司屬性等；版本信息頁，描述圖紙的當(dāng)前版本及歷史版本，及版本更改的過程信息；通用技術(shù)規(guī)范頁，描述零件在此圖紙中無匹配要求的要素要求等；基準(zhǔn)頁，描述零件的基準(zhǔn)信息；孔信息頁，描述零件孔特征的信息；面信息頁，描述零件面特征的信息；特殊特征頁，描述異型孔、特殊面等信息；左右件區(qū)分頁，描述左右件不對稱的特征信息。

當(dāng)零件加載之后，軟件系統(tǒng)識別步驟一中突出顯示的匹配面之后，自動調(diào)用對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)模板，并開始逐步填充模板內(nèi)每頁的內(nèi)容。這之前，需要設(shè)定基準(zhǔn)，基準(zhǔn)特征的選擇根據(jù)設(shè)計(jì)要求實(shí)施，將設(shè)計(jì)好的基準(zhǔn)信息輸入特定的模板，在繪圖程序自動調(diào)用模板時(shí)，將儲存在系統(tǒng)中的模板與步驟一中的匹配面自動識別進(jìn)行邏輯化的超鏈接，并同時(shí)調(diào)用提前設(shè)定好的基準(zhǔn)信息。這樣在調(diào)用模板的過程中，繪圖功能模塊會自動過濾設(shè)計(jì)為基準(zhǔn)的區(qū)域識別并填充對應(yīng)的圖紙內(nèi)容，并同時(shí)在模板的基準(zhǔn)頁內(nèi)填充基準(zhǔn)信息。

2.3 設(shè)定圖紙內(nèi)容順序

圖紙所包含的內(nèi)容除了技術(shù)性的信息，還需要遵循一定的設(shè)計(jì)順序。如果沒有特定的順序設(shè)計(jì)原則，在GD&T圖紙的智能化設(shè)計(jì)過程中會產(chǎn)生沖突，不能清楚地表達(dá)這一重要技術(shù)資料的邏輯性，圖紙所承載的信息將造成制造部門或閱讀人員的誤解，有導(dǎo)致制造結(jié)果偏離設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重情況可能導(dǎo)致汽車公司大量返工而產(chǎn)生的時(shí)間成本上的巨額浪費(fèi)。

一輛整車存在成千上萬個(gè)零件，且不同零件的構(gòu)造、材料以及各種要求都不同，例如車身鈑金零件中，門外板之類的外觀覆蓋件以型面定位的對型面的要求為第一順序，側(cè)圍內(nèi)板之類的內(nèi)部結(jié)構(gòu)件以孔加型面為定位的對孔特征的要求為第一順序。所以在智能化設(shè)計(jì)程序技術(shù)開發(fā)過程中，根據(jù)車身類型的不同，可以按零件結(jié)構(gòu)差異規(guī)定所需內(nèi)容的順序，分類設(shè)定并賦予可選擇項(xiàng)。如此，在GD&T圖紙?jiān)O(shè)計(jì)時(shí)，可參考上一章段內(nèi)容中圖紙模板設(shè)計(jì)方式，設(shè)計(jì)者可勾選以需求為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)順序，確定后由系統(tǒng)自動參照并輸出。

2.4 設(shè)定視圖及排版

視圖的選擇，視角的應(yīng)用可以清楚直接地識別圖紙的信息內(nèi)容。圖紙的設(shè)計(jì)應(yīng)該秉承用最少的視圖描述最大的信息的原則。不僅有利于圖紙的排版美觀，也方便信息的快速識別和傳達(dá)。

智能化視圖設(shè)定，借鑒原人工操作圖紙?jiān)O(shè)計(jì)格式中存在的通用視角及自由角度視角。一般情況下通用視角可以滿足很多規(guī)則化的零件繪圖要求。但是復(fù)雜型面的零件，需要手動添加視角，尤其是在自由視角情況時(shí)，手動添加的視角不能完全展示零件要素的幾何公差要求和搭接面，需要人員耗費(fèi)精力和視角進(jìn)行修正，且同一個(gè)零件的自由視角會因?yàn)椴煌脑O(shè)計(jì)人員的感性判斷而呈現(xiàn)不同的排版，不利于圖紙的規(guī)范及美化。自由視角以展現(xiàn)零件最大可視化特征要素為主，在智能化GD&T圖紙?jiān)O(shè)計(jì)中，復(fù)雜零件的自由視角也應(yīng)該設(shè)置為相對少的最大匹配面，此匹配面為數(shù)模加載模塊中的智能化識別匹配面。

2.5 公差引用

公差賦予是圖紙?jiān)O(shè)計(jì)中最重要的環(huán)節(jié)，GD&T圖紙即為零件特征要素的幾何尺寸公差信息，公差大小位置等信息根據(jù)零件的不同要求而進(jìn)行變化。在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的智能化環(huán)境中，可以設(shè)計(jì)并導(dǎo)入提前設(shè)計(jì)好的一般公差標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋一般孔面圓角等特征的公差要求，在完成圖紙的智能化排版后這些特征區(qū)域自動引出對應(yīng)的公差信息。對于常規(guī)的下級零部件基本滿足要求。對于高層級復(fù)雜零件，例如汽車內(nèi)外飾零件——座艙總成，有多個(gè)單件集合而成，可引出智能高級指令，添加公差計(jì)算的常用算法——平方差算法，在復(fù)雜零件圖紙中對一般要求的特征直接進(jìn)行公差計(jì)算并賦予，通過智能化出圖表現(xiàn)在圖紙上。通過制定詳細(xì)步驟并開發(fā)對應(yīng)模塊加載至對應(yīng)制圖軟件中，即可在導(dǎo)入對應(yīng)零件后開始GD&T圖紙的智能化設(shè)計(jì)及輸出；亦可在此基礎(chǔ)上研究批量設(shè)計(jì)方式，以軟件系統(tǒng)運(yùn)算能力為基礎(chǔ)開發(fā)批量形式的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)。

此外，因?yàn)樵O(shè)計(jì)者對不同零件的重要性要求，以及實(shí)際制造過程中質(zhì)量對某零件特定安裝點(diǎn)/型面控制度要求不同，所以在圖紙的前期設(shè)計(jì)中，不同特征的公差也會不同。比如，在白車身的后車架部分中，油箱安裝點(diǎn)、懸掛安裝點(diǎn)等，以及新能源車型的電池包安裝點(diǎn)，相較其他的線束安裝點(diǎn)等有著較高的尺寸公差要求，所以在公差設(shè)計(jì)過程中，需要添加比一般公差或常規(guī)累計(jì)公差嚴(yán)格的公差并結(jié)合一定的復(fù)合公差要求。如上這些特定公差要求，都需要提前設(shè)計(jì)添加在智能化設(shè)計(jì)調(diào)用的公差設(shè)計(jì)表中。

通過上述步驟描述的智能化設(shè)計(jì)技術(shù)，最終可生成合理的具有正規(guī)效力的圖紙文件，經(jīng)由專業(yè)設(shè)計(jì)人員的最終審核，可以作為下游部門/工位的制造參考標(biāo)準(zhǔn)。

3 技術(shù)總結(jié)及展望

根據(jù)2022年目前汽車行業(yè)狀態(tài)分析，競爭已經(jīng)到了白熱化的地步，公司或企業(yè)能否在寒冬中生存并最終發(fā)展壯大取決于其是能否在周期和成本上具有絕對的優(yōu)勢。而且隨著客戶的欣賞水平以及消費(fèi)需求的提升，車型的迭代時(shí)間也不斷面臨著巨大的挑戰(zhàn)，這些都是各汽車公司的決策者需要認(rèn)真考慮的。GD&T圖紙的智能化設(shè)計(jì)在成本節(jié)約、開發(fā)周期縮短方面效果明顯，在新車型開發(fā)周期和成本控制方面起著舉足輕重的作用，也是尺寸工程發(fā)展必經(jīng)之路。除了自身周期成本大大縮減之外，對需要GD&T數(shù)據(jù)信息支持的模、檢、夾等起工裝工藝快速開發(fā)也是意義非凡；并且，GD&T智能設(shè)計(jì)中延伸的知識庫，即在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)過程中自我學(xué)習(xí)、自我完善，儲存過程數(shù)據(jù)作為知識庫，下輪設(shè)計(jì)中自動調(diào)用，對時(shí)間、成本，以及對業(yè)務(wù)管理（圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、審核修改、批準(zhǔn)發(fā)布等流程簡化）也能起到優(yōu)化作用。

現(xiàn)階段，GD&T智能化設(shè)計(jì)模塊需基于相應(yīng)軟件的開發(fā)應(yīng)用，而此類軟件和程序的開發(fā)仍然處在實(shí)驗(yàn)和摸索之中，零部件特殊特征識別、特殊公差的賦予能否精細(xì)到具體的點(diǎn)或線上，都需要持續(xù)投入人力和物力突破瓶頸，實(shí)現(xiàn)最大限度的智能化。例如，在GD&T設(shè)計(jì)中，一般公差是現(xiàn)有技術(shù)條件下能達(dá)到的最大水平或是設(shè)計(jì)者能接受的最小水平，對于很多重要程度不同的零件特征，會采用特殊公差?，F(xiàn)有的智能化模塊中，特殊公差賦予的具有一定的局限性，可以由智能化模塊生成一般公差圖紙后，再由設(shè)計(jì)審核人員添加，而在智能化研究中，添加特殊數(shù)據(jù)庫由圖紙?jiān)O(shè)計(jì)模塊自動調(diào)用，將會幫助尺寸工程繪圖走出智能化過程中存在的困境。

4 結(jié)語

當(dāng)前時(shí)代是汽車行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，也是中國汽車技術(shù)實(shí)現(xiàn)彎道超車的拐點(diǎn)，智能化發(fā)展趨勢不可逆轉(zhuǎn)，相關(guān)硬件軟件的提升已經(jīng)是刻不容緩。與之匹配的是設(shè)計(jì)者的思想，應(yīng)該逐步地去人工化，全面擁抱智能化。智能化思維可以得到高效透徹的開發(fā)至關(guān)重要，需要從業(yè)人員不斷學(xué)習(xí)、思考，并勇敢地挑戰(zhàn)當(dāng)前固有的設(shè)計(jì)狀態(tài)，破舊迎新。我們不能再局限于目前“短平快”的操作方式方法，應(yīng)該勇于探索新事物，敢于開發(fā)新模塊，由技術(shù)設(shè)計(jì)者向技術(shù)管理者，由技術(shù)管理者向技術(shù)突破者轉(zhuǎn)變，從而成為新技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者。作為汽車開發(fā)的重要組成因子，人與機(jī)器智能化同步發(fā)展是一個(gè)公司或者企業(yè)在行業(yè)競爭中脫穎而出的絕對優(yōu)勢。