產品模型數據質量保證與控制現狀及對策研究

王 凱，許建新

（1.中國民用航空飛行學院 航空工程學院，廣漢 618307；2.西北工業大學 機電學院，西安 710072）

0 引言

在產品的整個開發周期中，數據是產品從設計到生產整個流程的基礎。企業要在整個流程中高效地應用原始數據，高質量的數據是非常重要的。因而，PDQ（Product Data Quality，數字化模型質量）的控制就成為了避免產品數據缺陷的關鍵因素，也是核心力量，數字化模型質量的高低直接影響到最終真實產品的質量高低[1]。

所謂PDQ，涉及了CAD模型的描述及可視化內容，考慮了CAD模型的所有屬性(即準確的定義、結構完整性等)，為以后的制造使用起到了至關重要的作用[2]。而國內對于PDQ的研究很少，沒有進行系統化。本文針對目前國內對于產品模型數據質量保證與控制的研究現狀，提出了八大策略，并給出了選擇質量保證與控制技術方案的方法。

1 我國制造業的研究現狀

在2002年，國家推出了CAD/CAM數據質量方面的國家標準（GB/T 018784-2002）。但是由于其推出的時間晚，很多企業還沒有引起足夠的重視，即沒有形成全面的產品設計與檢查標準，又沒有投入大量資金去研發相關軟件，對于產品模型質量保證與控制技術的研究還處在初級摸索階段[3]，整體情況概述如下：

1）企業設計規范的標準化進程緩慢，大多還停留在“標準文本”狀態，沒有起到應有的作用。

對于設計規范的標準化，國內一些企業也做了一些相應的研究和應用。比如航天三院制定了Q/SB333.1—2006UG三維設計基礎規范；廣西玉柴機器股份有限公司制定了Q/YC5033(玉柴UG三維建模和制圖規范)企業標準，并明確要求必須對三維數據質量進行檢查；成都飛機工業（集團）有限責任公司制定了基于模型定義技術的設計規范。但是這些規范沒有得到很好的應用，沒有很好的技術體系去支撐，沒有發揮其應有的作用。

2）很多高校參與進來，開發了相應的檢查系統原型，但沒有形成產品。

像哈爾濱工業大學、浙江大學、山東大學、鄭州大學以及北京航天航空大學都參與了相關的研發工作，并開發了自己的原型系統。但是，很多高校對于產品工藝性審查研究更多的偏向于可制造性評價方法的建立，基于數據庫建立推理機，這種方法沒有建立全面的檢查規范體系，沒有與實際生產制造相聯系，實施起來比較困難，開發出的信息化系統簡單，審查的項目少，也沒有真正的推向市場，還基本上停留在科研階段[4]。

3）國內一些企業以及研究院所開發了相應的CAD系統檢查軟件產品，并在機械相關企業得到了一定的應用。

常見的有中機生產力促進中心開發的PDQC系統（產品CAD數據質量檢測及標準化審查系統）、上海同捷公司開發的基于UG的I-DesignQC產品設計質量檢測系統、北京航天航空大學863/CIMS設計自動化工程實驗室開發的基于SETP標準的金銀花系統、中國空空導彈研究院開發的PMC系統。但是，國內的檢查軟件功能簡單，覆蓋面比較窄，可擴展性以及可配置性差，在企業實施過程中不能長久的進行技術跟進，不能滿足企業MBD技術的應用需求，尤其是不能滿足可制造性需求。

4）一些企業開發了企業標準信息管理系統，對各階段的標準進行統一管理。

像北京宏博遠達科技有限公司的VCI-PSM產品標準管理系統，將所有的設計、工藝、制造、檢驗等標準以及這些標準的工作方法、指令、要求都被統一編碼并有標準信息管理系統管理和發布，任何授權的廠所，授權的個人，都能檢索到標準并使用，進而保證所有廠所間執行統一的標準，從而保證產品的質量要求。但其只是針對規范文檔的管理，沒有考慮到規范文檔的使用方法。

5）國內相關配套技術匱乏，沒有與成熟的檢查軟件進行很好的集成應用。

國內很多企業，尤其是一些航空制造企業雖然已經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、航標以及企業標準與檢查工具進行緊密的聯系與應用，更沒有形成約束力，這樣容易造成后續的大量修改。而制定一套統一的、適合于企業的建模規范和模型檢查技術就顯得尤為重要。

從我國關于產品模型質量保證與控制技術的研究現狀來看，國內的技術研發還有待加強。如何利用以往的經驗和已有的軟件，并引入信息化，成為目前產品模型質量保證與控制的方向和重點。

2 制造企業存在的不足

目前，在制造企業，工藝設計和生產制造等都得到了很好的發展，尤其是信息化的應用，更是推動了產品設計/制造各階段的運行效率。但是，企業的質量控制仍然處在初級發展階段，尤其是對于產品三維模型的質量控制上，往往是設計不能滿足制造的需求，制造的反饋不能很好的到達設計部門。關于產品模型的質量保證與控制技術比較零散，沒有形成技術集中，不便于設計人員參考以及檢查人員進行檢查。如此，產品的質量沒辦法得到很好的保證，產品生產過程的各階段沒有很好的協調，各部門協作形成了壁壘[5]。

在現有的體系下，設計所僅負責產品的設計工作，負責發放產品的圖紙和三維模型，它們僅準確地描述出產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和部件裝配過程中的各種要求。企業在零件的生產制造過程中更多的還是依賴設計以及工藝人員的個人經驗，沒有把這些經驗形成詳盡的規范化文檔，這樣對于零件的檢驗檢測就沒有一個合理的依據。而企業往往對于生產制造過程中數模的質量保證沒有統一的規劃，質量檢查人員不集中，到了哪個部門就臨時的進行一下簡單的檢查[6]。

3 產品模型質量保證與控制對策

為保證與控制產品模型數據質量，同時追趕發達國家的技術水平，通過對制造企業進行大量的調研，借鑒國外的先進技術與經驗，提出了提高我國制造業產品模型質量保證與控制水平的八大策。基于不同的三維建模軟件平臺，針對產品的設計、工藝、工裝以及檢驗模型進行PDQ的控制，具體如圖1所示。

圖1 產品模型質量保證與控制對策

1）引入信息化，對設計規范進行集中管理

設計規范是企業進行模型設計與模型檢查的依據，往往比較零散。如果能引入信息化，建立設計規范管理平臺，對設計規范進行統一管理，就可以方便設計人員隨時根據需要進行檢索查詢。而其中最關鍵的是建立設計規范數據模型，依據不同的零件類型和專業廠對設計規范進行歸類，保證設計規范查詢的快速化與有效性[7]。

2）使用檢查軟件對產品模型進行實時檢查

各大CAD軟件針對產品數據質量不斷的投入研發和完善其軟件功能，并面向行業用戶進行定制化的開發以及信息化的集成，促進了國外很多高端領域制造企業產品模型質量控制體系的完善，像UG的Check-Mate、CATIA的Q-Checker、Pro/E的ModelCHECK，這些軟件把大量規則應用于產品的設計過程，從而實現了產品的自動驗證，提高了工程設計的效率。企業可以根據自身的需要建立產品三維模型檢查方案與檢查模板，依據所使用的三維軟件配置不同的模型檢查工具[8]。

同時，對于數據轉換過程的質量控制，可以選用Elysium開發的CADdoctor，其是一款針對數據轉換并自動檢測修復數據質量的工具，它結合不同企業或項目的要求，在數據的精度格式，甚至是不同數據質量標準進行人為的設定，從而達到最終的數據幾何要求，保證了產品數據的質量以及可靠性，同時提高了企業知識的有效性，為制造業的高速發展提供了保障。

3）建立產品模型質量檢查系統

對產品三維模型設計規范、檢查規范、檢查方案進行統一管理，同時集成各類檢查工具，并對檢查結果進行分析，實現產品三維模型的一站式檢查，如圖2所示。

圖2 產品模型質量檢查系統

其中，最重要的就是建立檢查模板。檢查模板就是產品根據自身以及企業的需求形成的檢查項的集合。好的檢查模板不僅可以實現零件三維模型設計規范性檢查，還可以實現零件的工藝性審查。

4）建立產品模型審查知識庫，開發產品模型評估系統

采用知識的系統化建模方法，構建零件評估知識模型，采用數據庫方式和程序方式，分別表示出評估描述性知識和過程性知識。在此基礎上，設計基于知識的評估流程，包括零件信息輸入、評估計算，以及不符合要求的零件修改方案的給出。最終建立的產品模型評估系統具有知識維護、知識匹配和知識修正等功能[9]。

5）部門之間的協調，保證上下游部門的信息暢通，最終保證模型的品質

產品模型的質量控制不是一個部門或者幾個部門就能完成的，其需要企業所有部門的協調工作。設計部門需要及時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的反饋改進信息。部門與部門之間要形成信息交流通道，把工藝審查的內容在零件設計的過程就考慮到，使得設計部門發布的模型具有更好的工藝性。

6）基于MBD技術的要求對產品三維模型進行檢查，保證各類信息的準確度

隨著MBD技術的發展，產品三維模型所涉及的信息越來越多，包含設計模型、工藝模型、工裝模型以及檢驗模型。MBD技術對于產品三維模型的品質要求很高，否則會限制MBD技術的應用。企業可以基于產品三維模型的結構樹，逐條對其的準確性進行檢查，同時也要考慮模型自身的合理性。

7）建立國家、行業以及地區的標準化組織

很多企業都是按照自己的標準進行產品模型的設計，這使得行業的規范化受到影響，從而降低了國家層面的制造業水平。因此，需要建立面向各個層面的標準化組織，并使其具有一定的約束力。像汽車、航天、航空等高科技領域更需要建立行業的標準化組織，從而提高零件三維模型的設計效率與設計質量。

例如，國際標準化組織ISO針對通用制造業中存在的產品數據質量問題制定了ISO10303-59標準；國際汽車業SASIG組織為解決當前汽車工業產品數據關鍵質量問題制定了SASIG-PDQ標準；德國的汽車工業聯合會VDA制定了VDA 4955標準；戴姆勒-克萊斯勒公司制定了CEP-002-Change（CAD STANDARDS MANUAL，CAD標準手冊）。這些質量標準描述了對產品數據的質量需求、質量測量過程以及描述質量驗證結果的方法。

8）與其他系統的良好協作

通過與其他系統的協作可以使得各系統參與到產品模型質量數據保證與控制當中。包括與CAD、CAM、CAPP、CAQ、PLM、IQS、MES等系統的集成，通過系統間的信息流動與交互實現PDQ的保證與控制。如圖3所示，4C系統（CAD/CAM/CAPP/CAQ）與PLM系統進行設計、工藝、質量等信息的交互，最終通過PLM系統支撐產品設計模型質量管控、工藝/工裝模型質量管控、產品工程數據質量管控以及生產制造過程的質量管控。通過各個系統信息的交互以及功能的協作，實現模型數據質量以及產品質量的提高。

圖3 與其他系統的集成

4 制造企業選擇技術方案的方法

產品模型數據質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，還要考慮企業自身的需求以及經濟性。只有綜合考慮各方面因素，企業才能更好的選用技術方案，即滿足自身的需求，又節約成本，同時提高效率[10]。具體的產品模型數據質量的保證與控制的技術要素如下圖所示。

圖4 產品模型數據質量保證與控制的技術要素體系

企業在選擇技術方案時，要充分考慮其適用的行業、適用的模型格式、適用的零件類型、 覆蓋的范圍、適用的規范標準、對于結果的處理、效率以及成本這個八方面要素，在控制成本與效率的同時，實現最優的技術體系。

5 結束語

產品模型數據是產品整個設計/制造的核心，其質量的好壞影響產品的整個制造過程。鑒于目前我國對于產品模型數據質量的保證與控制研究現狀以及企業的實際運行狀況，國家、行業以及企業需要高度重視，同時相互協作，制定相應的規范與標準，建立詳細全面的技術體系，確保技術的暢通與實施效果，并最終保證產品的質量，降低成本，提高效率。

[1] 史翠琳.PDQ在產品全生命周期中的決定性作用[J].計算機輔助設計與制造,2012,(11):26-28.

[2] Contero, M. Company, P. Vila, C. Aleixos, N.. Product data quality and collaborative engineering[J].Computer Graphics and Applications,IEEE, 2002,22(3):32-42.

[3] 鄧高見. 機械產品CAD數據質量檢測實現技術研究[D].機械科學研究總院,2008.

[4] 白雪峰.基于SOA的產品工藝性審查系統的設計與實現[D].山東大學,2010.

[5] 劉平,陳岳松.信息化條件下企業標準化工作探討[J].信息技術與標準化,2009,(4):46-49.

[6] 何楨,萬平,李長貴.我國制造業質量管理現狀分析與對策研究[J].天津大學學報(社會科學版),2001,3(4):347-349.

[7] 楊國強,危干軍.企業三維設計規范的制定和實施[J].航空標準化與質量,2003,(1):38-39.

[8] 劉彩玲.CATIA三維模型的質量控制[J].CAD/CAM與制造業信息化,2011,(6):50-52.

[9] 肖承翔.淺談產品CAD數據質量控制及計算機輔助檢測方法[J].機械工業標準化與質量,2009,(3):15-16.

[10] Yang J, Han S, Kang H, et al. Product data quality assurance for e-manufacturing in the automotive industry[J].International Journal of Computer Integrated Manufacturing, 2006,19(2):136-147.