謝利

一、引言

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外大型裝備制造企業(yè)的數(shù)字化技術(shù)發(fā)展迅速，三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用?；谀Ｐ投x（Model-Based Definition，MBD）的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)信息化的發(fā)展趨勢(shì)。

企業(yè)為什么要推廣MBD技術(shù)進(jìn)行三維工程化設(shè)計(jì)呢？以二維工程圖作為交付物，向工藝、制造、生產(chǎn)和檢查等環(huán)節(jié)傳遞產(chǎn)品的幾何結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求的傳統(tǒng)研制模式存在如下問(wèn)題。

（1）設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)：由于以二維圖作為交付物，三維模型不作為交付物，二維圖更改后三維模型不及時(shí)更新，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致。

（2）工藝、制造和檢測(cè)環(huán)節(jié)：工藝、制造以二維圖為準(zhǔn)，增加了從圖紙到形狀的還原過(guò)程，容易出現(xiàn)理解歧義，并增加了出錯(cuò)概率。同時(shí)，工藝模型或圖紙重建，增加了無(wú)價(jià)值勞動(dòng)。管路、電纜以二維圖為主，造成制造、裝配誤差較大，且不能形象地指導(dǎo)裝配過(guò)程，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)更改較多。檢測(cè)以二維圖為準(zhǔn)，數(shù)據(jù)手工錄入效率低，準(zhǔn)確性無(wú)法保證。

（3）檢查機(jī)制：由于設(shè)計(jì)以二維圖作為交付物，因此沒(méi)有建立三維模型的檢查機(jī)制，導(dǎo)致工藝、制造和檢測(cè)等后續(xù)環(huán)節(jié)得不到準(zhǔn)確的三維模型。

（4）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范：當(dāng)前產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中遵循的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是基于二維模式，缺乏三維工程化應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)體系規(guī)范，導(dǎo)致三維設(shè)計(jì)模型質(zhì)量較差。

MBD技術(shù)采用包含了三維幾何模型、尺寸和尺寸工差、形位公差、基準(zhǔn)、符號(hào)、表面粗糙度、屬性、注釋等產(chǎn)品制造信息的單一主模型來(lái)完整表達(dá)產(chǎn)品定義信息，并將其作為產(chǎn)品制造過(guò)程中的唯一依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、工藝、制造和檢測(cè)等環(huán)節(jié)的高度集成。采用MBD技術(shù)實(shí)現(xiàn)了單一數(shù)據(jù)源，徹底改變產(chǎn)品數(shù)據(jù)定義、生成、授權(quán)與傳遞的模式，消除了傳統(tǒng)研發(fā)模式中的三維模型與二維圖紙之間的信息沖突，減少了創(chuàng)建、存儲(chǔ)和追蹤的數(shù)據(jù)量，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字化產(chǎn)品定義、三維數(shù)字化工藝開(kāi)發(fā)和三維數(shù)字化數(shù)據(jù)應(yīng)用，保證了產(chǎn)品制造信息的正確和快速傳遞，從而有效地縮短了產(chǎn)品研制周期，減少了重復(fù)工作，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

那么，MBD技術(shù)如何落地？如何在三維設(shè)計(jì)模型上將后續(xù)工藝、制造、檢測(cè)和質(zhì)量檢查等環(huán)節(jié)需要的信息完整的表達(dá)？是值得認(rèn)真思考和研究的課題。筆者結(jié)合企業(yè)三維工程化應(yīng)用項(xiàng)目的實(shí)施認(rèn)為，制造企業(yè)基于MBD的三維工程化設(shè)計(jì)應(yīng)用應(yīng)從以下幾個(gè)方面著手：三維模型與二維工程圖表達(dá)差異分析；確定三維標(biāo)注的內(nèi)容；制定三維標(biāo)注標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；開(kāi)發(fā)三維標(biāo)注工具；管理MBD模型數(shù)據(jù)。

二、三維模型與二維工程圖表達(dá)差異分析

傳統(tǒng)的二維工程圖，從設(shè)計(jì)向下傳遞的信息，不僅包含了產(chǎn)品的幾何投影信息，更為重要的是表達(dá)了完整的最終外形及尺寸、工藝和制造信息。在全三維設(shè)計(jì)過(guò)程中，如何對(duì)工藝、制造生產(chǎn)等過(guò)程中的技術(shù)要求等信息在三維模型中進(jìn)行表達(dá)成為關(guān)鍵。

三維工程化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于如何結(jié)合制造企業(yè)的產(chǎn)品特點(diǎn)和工藝制造特點(diǎn)，在傳統(tǒng)的三維模型中，將原有二維圖中產(chǎn)品的視圖、剖面定向定位表達(dá)，以及尺寸、公差、粗糙度、注釋、符號(hào)和技術(shù)要求等工藝信息，還有標(biāo)題欄、球標(biāo)和明細(xì)欄等零部件信息以工藝、制造、檢測(cè)等部門能夠接受的方式，進(jìn)行規(guī)范表達(dá)、標(biāo)注和顯示，形成適合產(chǎn)品和企業(yè)設(shè)計(jì)特點(diǎn)的三維標(biāo)注規(guī)范，納入企業(yè)PDM/PLM系統(tǒng)進(jìn)行有效管理。

三、確定三維標(biāo)注的內(nèi)容

結(jié)合企業(yè)所使用的三維CAD軟件和企業(yè)產(chǎn)品特點(diǎn)，通過(guò)開(kāi)發(fā)必要的三維標(biāo)注工具，在設(shè)計(jì)階段由設(shè)計(jì)師將二維圖中的主要信息較完整地表達(dá)到三維模型上，在沒(méi)計(jì)源頭進(jìn)行零部件信息的完整表述，同時(shí)能滿足后續(xù)工藝、制造、生產(chǎn)、檢測(cè)、檢查和維修維護(hù)等產(chǎn)品生命周期各環(huán)節(jié)利用。

筆者不建議在設(shè)計(jì)階段只對(duì)三維模型信息進(jìn)行部分標(biāo)注，顯示重要的或者體現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖的信息，其余信息由制造、生產(chǎn)、檢測(cè)等部門自行獲取，這樣可能造成各環(huán)節(jié)人員理解不一致，影響產(chǎn)品質(zhì)量，由于各環(huán)節(jié)人員需通過(guò)三維測(cè)量等方式獲取需要的信息，這必然會(huì)影響各個(gè)環(huán)節(jié)的工作效率。三維標(biāo)注的內(nèi)容應(yīng)主要包括以下幾點(diǎn)。

（1）視圖：三維標(biāo)注引入類似二維圖視圖的概念，以方便進(jìn)行尺寸、公差等標(biāo)注時(shí)對(duì)零部件進(jìn)行定位和定向，幫助讀三維模型的工程人員能快速定向，提高三維模型的讀取工作效率。一般零部件的視圖定義如圖1所示。

（2）尺寸及尺寸公差，基準(zhǔn)及形位公差，粗糙度、焊接符號(hào)、方向等符號(hào)，以及注釋等，可以直接標(biāo)注在三維模型上。

（3）技術(shù)要求：直接標(biāo)注在三維模型主視圖。

（4）標(biāo)題欄：標(biāo)題欄中的信息主要是通過(guò)三維模型的屬性來(lái)描述。

（5）明細(xì)欄與球標(biāo)：在三維環(huán)境下直接將圖形界面中的零件與明細(xì)建立關(guān)聯(lián)。四、制定三維標(biāo)注標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

三維標(biāo)注涉及設(shè)計(jì)、工藝、制造和檢測(cè)等業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范都是針對(duì)二維圖的，企業(yè)缺乏三維模型和三維標(biāo)注的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，無(wú)法對(duì)三維建模和三維標(biāo)注進(jìn)行約束。因此，企業(yè)需要針對(duì)產(chǎn)品特點(diǎn)，結(jié)合所適用的CAD工具，按照零部件制造特點(diǎn)分類研究三維標(biāo)注的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，統(tǒng)一企業(yè)三維設(shè)計(jì)環(huán)境和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范三維標(biāo)注，讓三維模型及三維標(biāo)注成為企業(yè)設(shè)計(jì)的交流語(yǔ)言，使設(shè)計(jì)、工藝、制造和檢測(cè)等業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的工程技術(shù)人員在統(tǒng)一的設(shè)計(jì)環(huán)境中工作，為企業(yè)三維工程化設(shè)計(jì)的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。筆者所在企業(yè)在三維工程化設(shè)計(jì)過(guò)程中建立的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范如表2所示。

五、開(kāi)發(fā)三維標(biāo)注工具

目前，主流三維CAD軟件都具有三維標(biāo)注的功能，但不同的企業(yè)、不同的產(chǎn)品和不同的生產(chǎn)制造方式對(duì)三維標(biāo)注提出了不同的要求，很難統(tǒng)一為一種模式。同時(shí)，主流三維CAD軟件都只提供了三維標(biāo)注的基本功能，三維標(biāo)注的效率較低，很難滿足企業(yè)三維標(biāo)注的需要。因此，要推廣應(yīng)用三維工程化設(shè)計(jì)，就需要根據(jù)企業(yè)制訂的三維標(biāo)注標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)三維CAD軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，以提高三維標(biāo)注的方便性和工作效率，更好地表達(dá)設(shè)計(jì)意圖，并傳遞給工藝、制造、檢測(cè)和維修維護(hù)等環(huán)節(jié)。定制開(kāi)發(fā)的基于三維CAD軟件的三維標(biāo)注工具采用圖形化的操作界面，從視圖管理、創(chuàng)建注釋、整理注釋和匯總輸出四個(gè)方面，對(duì)三維標(biāo)注進(jìn)行了流程優(yōu)化，操作簡(jiǎn)化，以提高標(biāo)注效率，如圖2所示。

六、管理MBD模型數(shù)據(jù)

經(jīng)過(guò)三維標(biāo)注的MBD模型必須納入PDM/PLM系統(tǒng)才能進(jìn)行有效的管理和利用。因此，應(yīng)通過(guò)三維CAD軟件與PDM/PLM系統(tǒng)的集成對(duì)MBD模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)、有效管理。三維CAD軟件與PDM/PLM系統(tǒng)的集成示意圖3所示。

通過(guò)模型檢查工具的應(yīng)用，對(duì)所有入庫(kù)（檢入PDM系統(tǒng)）零件、組件和二維圖的規(guī)范性進(jìn)行控制，對(duì)于不符合要求的零件、組件和二維圖則無(wú)法入庫(kù)，從而保證入庫(kù)模型的規(guī)范性。

七、結(jié)語(yǔ)

三維工程化設(shè)計(jì)是一種全新的技術(shù)，更是一種全新的管理，必然會(huì)受到傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)思維和設(shè)計(jì)習(xí)慣的阻礙與限制，其影響最大的應(yīng)該是工藝和制造部門。這是整個(gè)企業(yè)產(chǎn)品研制模型的變革，將徹底改變?cè)械亩S工作流程。

總結(jié)企業(yè)推廣三維設(shè)計(jì)、推進(jìn)三維工程化應(yīng)用的過(guò)程，主要有以下幾點(diǎn)體會(huì)。

（1）在三維工程化設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，不可能依賴技術(shù)手段解決所有問(wèn)題，有些困難和問(wèn)題必須通過(guò)企業(yè)管理手段來(lái)解決，要從二維思維中跳出來(lái)，逐步向三維思維轉(zhuǎn)變，需要從決策和管理層進(jìn)行推進(jìn)。

（2）有效的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理平臺(tái)是成功應(yīng)用MBD的基礎(chǔ)。產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理平臺(tái)是產(chǎn)品研發(fā)的基礎(chǔ)平臺(tái)，支持產(chǎn)品研發(fā)的核心業(yè)務(wù)流程。三維設(shè)計(jì)軟件（如Creo軟件）只有存在于與之高度集成的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理平臺(tái)系統(tǒng)中，才是實(shí)現(xiàn)MBD的唯一途徑。

（3）MBD模型建立應(yīng)與MBD標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的建立緊密關(guān)聯(lián)。需要針對(duì)各種不同的典型零部件，應(yīng)詳細(xì)定義每種零件標(biāo)準(zhǔn)的建模的過(guò)程和方法，形成規(guī)范，貫徹執(zhí)行，確保三維模型的一致性以及三維建模的質(zhì)量。

（4）全面應(yīng)用主模型技術(shù)是實(shí)現(xiàn)MBD的關(guān)鍵所在，產(chǎn)品零部件主模型貫穿設(shè)計(jì)、工藝、制造、檢測(cè)、檢驗(yàn)和維修維護(hù)等產(chǎn)品生命周期的全過(guò)程。

（5）知識(shí)的捕獲和重用（聚焦設(shè)計(jì)），是實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)唯一出路。因此，建立符合企業(yè)自身產(chǎn)品、設(shè)計(jì)和制造模式的三維工程化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系和操作流程非常關(guān)鍵。