實施三維設(shè)計標準工具化有效提高結(jié)構(gòu)產(chǎn)品質(zhì)量

曹啟國 李春雪

（1 北京航天航空大學(xué) 機械工程及自動化學(xué)院，北京，100191 2 中國航天科工集團第二研究院產(chǎn)品保證部，北京，100854 ）

自20世紀90年代開始，以波音公司為代表的國外先進企業(yè)先后搭建DCAC/MRM（Define and Control Airplane Configuration/Manufacturing Resource Management，飛機構(gòu)型定義及控制/制造源管理系統(tǒng)）和GCE（Global Collaborative Environment，全球協(xié)同設(shè)計環(huán)境）等先進的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)，采用MBD（Model Based Definition，基于模型定義）技術(shù)，實現(xiàn)了百分之百的數(shù)字化產(chǎn)品定義，最終使得其產(chǎn)品波音777和787 的研制周期大幅縮短。其中，波音777 比波音767 縮短近50%，設(shè)計更改和返工率減少一半，裝配時出現(xiàn)的問題數(shù)量減少50%～80%[1]。

MBD 技術(shù)是產(chǎn)品數(shù)字化定義的最新階段，與國內(nèi)目前主流采用的二維工程圖加三維模型不同，它是用集成的三維實體模型來完整表達產(chǎn)品定義信息的方法，通過三維實體模型、屬性參數(shù)和三維注釋等圖文信息，詳細描述產(chǎn)品形狀、尺寸公差、制造要求、檢驗要求等完整設(shè)計與制造信息。由于基于模型的數(shù)字化實現(xiàn)了產(chǎn)品信息單一數(shù)據(jù)源的完整定義，以二維圖樣作為主要制造依據(jù)不再必要，三維數(shù)字化模型成為生產(chǎn)制造過程的唯一依據(jù)。另一方面，由于MBD 技術(shù)無可比擬的直觀性和與其他計算機輔助技術(shù)的集成，在航天、航空等復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計與制造過程中發(fā)揮出顯著的作用和效益，正逐步取代傳統(tǒng)二維模型，成為新的工程定義標準，并得到廣泛應(yīng)用。產(chǎn)品數(shù)據(jù)定義方式的發(fā)展歷程如圖1所示。

1 MBD 標準現(xiàn)狀

為全面提高產(chǎn)品質(zhì)量，增強企業(yè)核心競爭能力，航天兩大集團公司及所屬企業(yè)先后引進并實施了MBD 技術(shù)和方法，但作為傳統(tǒng)國有企業(yè)，也同時面對大量的問題和矛盾。

圖 1 產(chǎn)品數(shù)據(jù)定義方式的發(fā)展

1.1 標準覆蓋不夠完善

國外企業(yè)為了適應(yīng)和推動MBD 技術(shù)的發(fā)展，在波音等企業(yè)的參與下制定了ASME Y14.41-2003《數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)實施規(guī)程》，隨后國際標準化組織也發(fā)布了ISO 16792-2006《技術(shù)產(chǎn)品文件 數(shù)字產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則》，波音公司在實際應(yīng)用中更是頒布了基于模型定義MBD BDS-600 系列標準。國內(nèi)雖然也先后頒布了GB/T 24734.1～.10-2009《技術(shù)產(chǎn)品文件數(shù)字化產(chǎn)品定義》、GB/T 26099.1～.4-2010《機械產(chǎn)品三維建模通用規(guī)則》、GB/T 26100-2010《機械產(chǎn)品數(shù)字樣機通用要求》等相關(guān)標準族，但這些標準由于各種主客觀原因存在一定的交叉和沖突，使企業(yè)的工程實踐面臨困惑。

1.2 標準宣貫實施存在差異

由于設(shè)計軟件系統(tǒng)（Pro/Engineer、CATIA、UG 等）不一致，對標準的理解程度存在差異等諸多主客觀原因，對現(xiàn)有國際、國內(nèi)標準的宣貫在企業(yè)中并不完全一致，雖然在一般的廠所不會引起太大的沖突，但對于航天型號這種存在廣泛協(xié)同的復(fù)雜產(chǎn)品，在制造信息交換、設(shè)計信息傳遞等方面就暴露出了各種各樣的問題。

1.3 人員水平參差不齊

MBD 技術(shù)相對傳統(tǒng)的工程制圖還是比較新的技術(shù)和方法。而航天的工程技術(shù)人員，特別是標準化人員的水平參差不齊，在實際工作中，無法適應(yīng)新技術(shù)的應(yīng)用推廣，從而造成模型設(shè)計和圖樣繪制水平參差不齊，影響了產(chǎn)品意圖的傳遞和正確表達。

面對國防裝備迫切的科研生產(chǎn)形勢，以及依靠簡單的培訓(xùn)無法滿足有效提高結(jié)構(gòu)類產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)質(zhì)量的工作要求，開展和實施標準工具化，通過開發(fā)可配置的模型標準化檢查軟件工具，實現(xiàn)基于標準的自動化檢查、修改或輔助修改過程，成為從根本上解決產(chǎn)品（三維模型）數(shù)據(jù)質(zhì)量問題的必然通路。

2 MBD 三維模型標準化檢查的思路與方法

2.1 從標準規(guī)范提煉檢查規(guī)則

許多企業(yè)經(jīng)過多年的學(xué)習(xí)、探索和實踐，紛紛制定了符合自身實際的企業(yè)標準。如，航天科技集團公司所屬的一院，航天科工集團公司所屬的二院、三院和四院先后頒布了有關(guān)“基于三維模型的設(shè)計制造規(guī)范”的企業(yè)標準，對產(chǎn)品（三維模型）數(shù)據(jù)的創(chuàng)建、管理提供了規(guī)范，也為實施標準工具化創(chuàng)造了條件。

2.2對老年癡呆預(yù)防及早期干預(yù)認知情況 社區(qū)護士對老年癡呆預(yù)防及早期干預(yù)認知的正確率僅為4.1-47.4%,對每位調(diào)查者的正確率進行統(tǒng)計,發(fā)現(xiàn)正確率在80% 以上的護士僅3名。

檢查規(guī)則實質(zhì)上就是對國家標準、行業(yè)標準、企業(yè)標準、工作經(jīng)驗的整理和提煉，形成對模型數(shù)據(jù)質(zhì)量要求的具體描述和數(shù)據(jù)指標，也就是一般意義所描述的“標準建模”；但不同于一般規(guī)范性文件側(cè)重概括全面、用詞嚴謹，以便于發(fā)布指導(dǎo)性文檔，檢查規(guī)則強調(diào)指向具體、指標可量化、信息結(jié)構(gòu)化，以便于執(zhí)行。檢查規(guī)則通常表述為“模型應(yīng)包含/不包含某內(nèi)容”，或者“模型的某項指標屬于某值域范圍”。

通過檢查規(guī)則使原本文字化的、描述性的文字和內(nèi)容，可以直接用于軟件產(chǎn)品的開發(fā)，實現(xiàn)標準化檢查的工具化、自動化。

2.2 基于規(guī)則實現(xiàn)檢查自動化

有了檢查規(guī)則，就具備了標準工具化的基礎(chǔ)，因為檢查規(guī)則不僅包含了對正確情況的描述，同時也為修復(fù)錯誤指明了方向。以模型參數(shù)為例，若檢查規(guī)則為“模型必須包含參數(shù)CPARA，且參數(shù)值為空”，縱觀模型所有參數(shù)，無非出現(xiàn)如下兩種情況：一是模型包含CPARA參數(shù)；二是模型不包含CPARA 參數(shù)。對于前者，需要進一步對CPARA 的參數(shù)值執(zhí)行清空處理（無論其原來是否已經(jīng)賦予參數(shù)值）；對于后者則需要添加參數(shù)CPARA 并將參數(shù)值置空。顯然，一旦規(guī)則確定，上述檢查和修復(fù)過程完全可通過軟件實現(xiàn)自動處理。模型參數(shù)檢查邏輯如圖2所示。

圖2 模型參數(shù)檢查邏輯圖

但是，并非所有的規(guī)則都可以實現(xiàn)檢查后的自動處理。例如，直徑小而深度大的孔（簡稱“深孔”）對鉆頭的強度剛度要求高、且不利于排屑，加工性能差，可設(shè)置檢查規(guī)則“深孔的深度/直徑比不得大于4”的規(guī)則對此類情況進行檢查，深孔檢查邏輯圖如圖3所示。通過對特征樹的分析，提取到孔特征的深度和直徑，并進行相應(yīng)的計算和判斷，即可實現(xiàn)自動檢查過程。但是，縱然發(fā)現(xiàn)孔的深度/直徑比大于4，也無法確定如何修復(fù)，因為既可能通過增大孔的直徑，也可能通過減小孔的深度來滿足規(guī)則要求。而具體采取何種方式，需要設(shè)計人員綜合考慮決定。實際上，與模型幾何相關(guān)的規(guī)則，都只能依靠軟件進行檢查，而不能依靠軟件自行修改，而應(yīng)由設(shè)計人員進行慎重的處理。

需要注意的是，一些非常規(guī)的特征設(shè)計，可能是設(shè)計人員為滿足某種需求而有意為之，盡管加工難度較大，但卻不能避免。因此，如果說對于參數(shù)類的規(guī)則，檢查結(jié)果只有“正確”和“錯誤”之分的話，那么對于幾何類的規(guī)則，檢查結(jié)果應(yīng)當(dāng)增加“警告”類的情況，而設(shè)計人員可對“警告”采取“忽略”的處理。

2.3 檢查規(guī)則的分類與選用配置

為便于對檢查規(guī)則進行管理，以及將選用控制等質(zhì)量管理行為直接作用于產(chǎn)品設(shè)計階段，檢查規(guī)則的內(nèi)容性質(zhì)大致分為4 大類：模型屬性信息檢查規(guī)則、建模規(guī)范性檢查規(guī)則、可制造性檢查規(guī)則和三維標注檢查規(guī)則。

圖3 深孔檢查邏輯圖

其中，模型屬性信息一般包括文件名稱、密級、圖號、單位制、模型公差和參數(shù)等內(nèi)容；建模規(guī)范性檢查主要包括基準、參考，以及建模命令的選擇等是否恰當(dāng)；可制造性檢查主要關(guān)注模型的工藝性能，包括材料、模型尺寸等內(nèi)容。同時包括各加工方式對模型特征的要求，如鉆孔對孔深、孔徑、孔距以及和材料邊沿的距離等內(nèi)容；三維標注主要針對標注樣式以及假尺寸等內(nèi)容。

實際應(yīng)用時，根據(jù)需要選取不同類別下的若干規(guī)則條目組成一個規(guī)則庫（標準模型庫），通過適當(dāng)?shù)姆绞竭M行存儲和發(fā)布，以實現(xiàn)不同需要的自檢和檢查。其中，由于企業(yè)、產(chǎn)品的不同，批次的檢查要求也往往不同，例如單位制不同、公差等級不同、模型參數(shù)不同等。因此，具體的規(guī)則條目可以根據(jù)具體要求進行配置，如單位制選擇“毫米/千克/秒”或者“英寸/磅/秒”，“深孔”的定義深度/直徑比不得大于多少，等等，并通過本單位的信息化設(shè)計環(huán)境進行加載和實施。

2.4 基于規(guī)則的檢查流程

由于基于檢查規(guī)則可實現(xiàn)軟件自動執(zhí)行檢查過程并報告結(jié)果，相對傳統(tǒng)人工檢查方式更簡單而高效。基于規(guī)則的檢查流程如圖4所示。

首先，確定待檢模型及其對應(yīng)的檢查規(guī)則；然后軟件根據(jù)規(guī)則的要求，自動對模型數(shù)據(jù)進行提取和判斷，快速執(zhí)行檢查過程；檢查結(jié)果以三種方式：“正確”、“錯誤”和“警告”進行報告。如果全部規(guī)則都檢查通過，則直接輸出無問題的檢查報告。如果存在問題，則利用軟件根據(jù)規(guī)則自動修復(fù)“錯誤”信息，利用軟件的高亮顯示、提示建議等手動處理“警告”信息，直至模型問題修復(fù)完畢。

如果執(zhí)行檢查的人不具有對模型進行修改的權(quán)限或資質(zhì)，也可以直接輸出相應(yīng)的檢查報告，作為模型附件，一同反饋給具有修改權(quán)限的人員。

2.5 應(yīng)用模式的創(chuàng)新

檢查規(guī)則不僅讓軟件自動檢查成為可能，更重要的是可以改變傳統(tǒng)的文件簽審工作方式。根據(jù)QJ 1714.9A-1998《航天產(chǎn)品設(shè)計文件管理制度 設(shè)計文件簽署規(guī)定》的相關(guān)要求，航天產(chǎn)品設(shè)計文件簽署須遵循“設(shè)計-校對-審核-工藝-會簽-標審-批準”的串行工作模式，主要依靠人工檢查，不僅效率低下，而且退回及修改都是全過程重復(fù)，這對工程技術(shù)人員及企業(yè)都是一種浪費。

圖4 基于規(guī)則的檢查流程示意圖

而采用基于規(guī)則的三維模型標準化檢查，設(shè)計師在設(shè)計過程中即可通過自檢發(fā)現(xiàn)并解決數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，負責(zé)校對、審核、標審、工藝等環(huán)節(jié)的人員，則可將工作重心投入到國家標準、行業(yè)標準以及最佳工作經(jīng)驗等規(guī)則的提煉，編制和優(yōu)化模型數(shù)據(jù)的檢查要求并形成檢查規(guī)則。基于規(guī)則的應(yīng)用模式創(chuàng)新如圖5所示。

基于規(guī)則的軟件檢查工具可以在兩個維度上實現(xiàn)批量操作：一是可一次執(zhí)行M 條規(guī)則條目的檢查；二是一次檢查可應(yīng)用于N 個模型對象。執(zhí)行效率相對人工方式大幅提高，同時還可避免漏檢、錯檢。

3 三維模型標準化檢查系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)與部署

基于規(guī)則的三維模型標準化檢查系統(tǒng)主要實現(xiàn)三大功能：①實現(xiàn)檢查規(guī)則的配置、存儲；②實現(xiàn)基于規(guī)則的模型數(shù)據(jù)提取判斷，按“正確”、“錯誤”和“警告”等方式報告檢查結(jié)果；③實現(xiàn)基于規(guī)則的自動修改、高亮提示或處理建議。

圖5 基于規(guī)則的應(yīng)用模式對現(xiàn)實工作改進的示意圖

系統(tǒng)主要由三大功能模塊構(gòu)成：規(guī)則庫、檢查規(guī)則配置和模型綜合檢查。其中，規(guī)則庫由實施單位的工程技術(shù)人員及標準化等專業(yè)人員根據(jù)標準和企業(yè)經(jīng)驗進行提煉和優(yōu)化。規(guī)則編輯器是根據(jù)具體的產(chǎn)品、型號，對規(guī)則的詳細內(nèi)容進行配置的工具，生成只針對該批次（類型）產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)的規(guī)則文件。模型綜合檢查是基于設(shè)計軟件（如Pro/Engineer、CATIA、UG 等）進 行 二 次 開發(fā)的插件工具，可根據(jù)規(guī)則文件對模型進行檢查和修改，確保通過檢查的模型滿足規(guī)則的所有要求。基于規(guī)則的三維模型標檢系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 基于規(guī)則的三維模型標檢系統(tǒng)示意圖

3.1 規(guī)則庫模塊與檢查規(guī)則配置模塊

檢查規(guī)則配置模塊提供可視化的界面，以便對檢查規(guī)則的詳細內(nèi)容進行配置。規(guī)則配置模塊的規(guī)則條目取自規(guī)則庫，二者聯(lián)系十分緊密，合稱“規(guī)則編輯器”。規(guī)則編輯器的人機交互界面主要由四部分組成（如圖7所示）：A 為規(guī)則條目列表區(qū)，其中顯示了所有添加到當(dāng)前規(guī)則文件的所有規(guī)則條目；B 為功能區(qū)，主要為對規(guī)則列表進行添加、刪除、清空等操作按鈕，其中“添加”按鈕可以呼出規(guī)則庫，實現(xiàn)新檢查規(guī)則條目的添加；C 區(qū)為模型過濾區(qū)，用于指定該規(guī)則條目的適用范圍；D 區(qū)為規(guī)則的詳細配置區(qū)。

圖7 規(guī)則編輯器模塊

根據(jù)相關(guān)標準完成規(guī)則文件的配置后，可以利用“導(dǎo)出”功能將檢查規(guī)則轉(zhuǎn)化生成XML 文件。通過XML 規(guī)則文件的共享，即可實現(xiàn)檢查標準的統(tǒng)一。

3.2 模型綜合檢查模塊

模型綜合檢查模塊能夠自動識別規(guī)則編輯器模塊生成的規(guī)則文件，并根據(jù)指令自動執(zhí)行檢查動作，其人際交互界面主要由三部分組成（如圖8所示）：A 為待檢模型選擇區(qū)，用于指定檢查對象；B 為檢查動作區(qū)，包含“開始檢查”和檢出錯誤的“一鍵處理”等功能；C 為檢查結(jié)果的報告和處理區(qū)，將檢查結(jié)果以“正確”、“錯誤”和“警告”進行報告，并提供了過濾功能。在檢查結(jié)果列表中點擊“警告”條目，可令對應(yīng)的模型幾何區(qū)域高亮顯示，單擊“處理建議”按鈕，可以獲取內(nèi)嵌的針對性幫助信息。

圖8 模型綜合檢查模塊

3.3 系統(tǒng)部署

系統(tǒng)采用的規(guī)則編輯器模塊與模型綜合檢查模塊相對獨立，十分便于分布式應(yīng)用，其典型的部署方式如圖9所示。企業(yè)設(shè)計模型與外來數(shù)據(jù)需要滿足一定的要求才可進入PDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）系統(tǒng)，因此必須對數(shù)據(jù)進行檢查和修復(fù)。每個設(shè)計工位及負責(zé)處理外來數(shù)據(jù)的工位均安裝模型綜合檢查模塊，而負責(zé)制定檢查規(guī)則的標準化工位則安裝規(guī)則編輯器模塊。標檢人員向各個工位發(fā)布與其工作任務(wù)對應(yīng)的規(guī)則文件，并確保規(guī)則的完整性和準確性；設(shè)計人員和負責(zé)處理外來數(shù)據(jù)的工作人員利用收到的規(guī)則文件，啟動模型綜合檢查模塊，實現(xiàn)對模型的批量檢查和處理。模型處理完畢后，即可順利檢入PDM 系統(tǒng)。

4 實施效果與展望

圖9 標檢系統(tǒng)部署示意圖

航天科工集團公司所屬二院多個單位通過實施三維模型標準化檢查系統(tǒng)，顯著提高了應(yīng)對三維模型質(zhì)量問題的能力。不僅設(shè)計數(shù)據(jù)的規(guī)范性大大提高，而且外協(xié)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)也利用標檢工具實現(xiàn)了快速的檢查修復(fù)、新產(chǎn)品生成，并顯著提高了工程技術(shù)人員的工作水平和生產(chǎn)效率，如使原本需要耗費設(shè)計師兩周時間進行處理的外協(xié)模型數(shù)據(jù)規(guī)范化，現(xiàn)只需20min 即可完成。

目前，這套結(jié)構(gòu)設(shè)計標準工具系統(tǒng)在工藝性檢查方面的能力還相對薄弱，對可制造性檢查的規(guī)則庫尚沒有完全建立起來，未來需要加強對零件可制造性和三維標注規(guī)范性等內(nèi)容開展深入研究，不斷增強檢查范圍、能力，從而更好地確保產(chǎn)品數(shù)據(jù)質(zhì)量，提高產(chǎn)品研制水平。

標準提升質(zhì)量效益，標準創(chuàng)造美好生活，標準的工具化更為新時期標準化工作以及標準實施與效果評價開辟了一條新的道路。這其中更加需要廣大的工程技術(shù)人員群策群力、積極參與，為企業(yè)的發(fā)展，為國防事業(yè)的進步，為國家富強貢獻自己的力量。

[1]范玉青，梅中義，陶劍．大型飛機數(shù)字化制造工程[M]．航空工業(yè)出版社，2011．

[2]鄭宇鈞．一飛院首次實現(xiàn)MBD 技術(shù)應(yīng)用達到波音787 水平[N]．中國青年報，2013-08-09．