三維模型定義 （MBD）實施經驗：人員篇

吳軍

一、引言

2015年上半年的三篇文章先后介紹了國際上三維模型定義（MBD）的發展動態（本刊第二期），以及民用和軍用領域的兩個成功案例：通用電氣電力和水力部門制定了三步走戰略（本刊第四期）；美國海軍航空作戰中心Lakehurst飛機分部估計一年節約經費 2100萬人民幣（本刊第五期）。相信讀者朋友對三維模型定義有了一定的了解，也對其功效產生了興趣。接下來很關鍵的一個問題就是如何在生產中實施。理念再好，如果不能付諸實踐，那也只能束之高閣，無法帶來效益。

可喜的是，市場反饋明顯體現了企業對實施的關注度：如何開展三維模型定義以及三維模型定義成功案例相關英文博客的點擊率和轉載率往往數倍于其他話題。趁熱打鐵，筆者以下的系列文章將從人員、流程和產品三個方面，介紹全球幾十家制造企業具體實施當中的經驗和教訓，可以簡記為“三維模型定義實施十要和十不要”（表1）。很多建議都是基于昂貴甚至慘痛的彎路和教訓，希望對我國的企業有幫助。

二、MBD實施經驗之人員篇

萬事以人為本。沒有人，其他方面都是空談，所以本系列第一篇文章從人員開始，主要側重于人事結構和團隊理念，后續幾篇文章將分別討論流程和產品兩個方面。首先分享人員方面的三個注意事項。

1.獲得企業高層的支持

成功的三維模型定義實施必須得到企業高層從全局角度的認可和支持，自頂向下的貫徹，而不是自底向上。三維標注及文檔會指導眾多下游生產車間和工序，比如調度、工藝、工具、沖剪、加工、裝配、檢測、采購和供應鏈等。實現這樣企業范圍的轉變僅僅依靠一個部門遠遠不夠，還需要頂層設計和布局。

有了高層的支持，實施所需要的人員、資金、時間和設備容易得到保障。而且部門之間的協調和障礙的疏通會更加及時有效。比如 2012年，通用電氣電力和水力事業部工程副總裁在自己的業績考核里面寫明要在 2013年完成 100個三維定義零件。這使得所有工程部門有動力和壓力跟產品設計團隊合作實施。2014年新任工程副總裁在自己業績考核中也制定了類似的指標（數據來源：ModelBased Enterprise at GE Power and Water，PrashantKulkarni，2014）。

反之，自底向上的工作會很難開展。三維模型定義不是一個獨行俠可以自己完成的技術創新。它需要超越理念階段，付諸實踐，在整個企業生產協作的土壤中生根發芽，發光發熱，由此也會帶來大面積的影響和改變。比如要求工藝或檢測部門停止多年使用的二維圖樣，改用三維文檔。這種轉變不亞于從手繪工程圖向計算機繪圖的轉變，這些部門可能根本沒有意愿、時間或者能力顧及。

2.組建三維模型定義實施的核心團隊

得到了高層的支持，下面很重要的步驟就是組建核心團隊。團隊至少應該由涉及到的關鍵部門代表組成，既能考慮多方訴求和利益，又能在各個部門樹立分頭推進的帶頭人。實施范圍大小決定了成員的多少，但設計、制造和檢測部門是通常應該包括的，因為它們覆蓋了一個產品生產周期最基本的環節。此外一個關鍵部門是信息技術，負責軟硬件環境和數據管理等，為其他部門提供平臺。其他可能的部門還包括：工藝、鑄造、裝配、CAD管理員、數據庫的管理員、采購、培訓和供應鏈等。

之后需要指定團隊負責人和專門領域帶頭人。實施的總負責人至關重要。首先在權力方面，一定要得到高層領導的充分授權和支持，能夠掌控人員、資金、時間、設備以及其他必要資源；其次在責任方面，實施成敗的關鍵指標要制定在負責人的業績考核當中。并且總負責人必須熟悉設計和制造流程，對三維模型定義富于膽識、熱情和堅定的信心，能夠鼓舞和帶領團隊及各個部門，而且在阻力面前不會輕易放棄。還需要項目管理的經驗，能夠有效的溝通、協調，跟蹤進度、經費、考量改進前后的收效。同樣，各個專門領域帶頭人也需要堅信三維理念，把實施關鍵指標制定在個人業績考核中。最后需要注意的是帶頭人不應該只是各個部門隨意敷衍交差的提名。每個人都需要能夠獨當一面，在各自部門當中充當先鋒。

3.調動參與人員的積極性

二維工程圖到三維模型定義的改變從上到下會遇到重重阻力，受挫不可避免。團隊成員很容易有中途退出的想法，比如幾年前一個兒童娛樂設施和服務企業開始實施，但是團隊的一個關鍵成員就迫于難度選擇退出。在挫折面前的另外一個風險是內耗、互相推諉責任。所以激發熱情，達到1+1大于 2而非相反，就至關重要。

調動積極性的方法很多，比如宣傳三維模型定義的巨大效益、樹立具有重大積極意義的共同目標、尊重獨立自主的決策和執行、及時總結階段性進展、組織成果競賽、表彰突出貢獻和考核業績等。一個巧妙的范例是泰科電子（TycoElectronics）的實施團隊在 2013年制作了一個精美的內部宣傳片：假想在 2018年，設計、制造、檢測和采購等環節的工程師分別回憶從 2013年到 2018年五年間，各自實施三維模型定義的歷程、挑戰和成果。中心思想很簡單：“雖然經歷了種種困難，但是在堅實的改進面前驀然回首，每個部門都欣慰當初決定轉型到三維模型定義。”這個視頻在整個公司廣泛流傳，非常有效的統一了目標，鼓舞了士氣。

需要強調的一點是參與人員不應該只是實施團隊的核心成員，對各個部門，尤其是下游生產環節的積極支持者也應該充分鼓勵。另外對反對者，也不必在口頭上一爭高下，空談于事無補。更有建設意義的是細心傾聽反對的緣由。有些誤解可以澄清；有些困難確實存在，可以共同解決，減少阻力：比如在第四期文章中介紹了通用電氣在三維模型定義基礎上快速創建“仿工程圖”作為過渡文檔，盡量照顧習慣二維圖樣的場合。

上文總結了“三要”，接下來提出三個“不要”，即注意避免的誤區。

1.不要猶豫不前

提起三維模型定義，企業可能顧慮重重，比如三維模型定義能否節省時間、二維工程圖能否被取代、項目投資能否承受，是否必須為車間購買大量數字化設備，供應鏈能否接受等。顧慮可以理解，但是要意識到時不我待，美日德等制造強國都在大力推進。我國要實現“智慧制造”，三維模型定義是很重要的基石。中國有句老話：“不怕慢，就怕站”：哪怕緩慢前進，摸著石頭過河，也比左右觀望，錯失機會強。限于篇幅，本文只針對幾點常見顧慮分享一些客觀案例和數據。

（1）三維模型定義能否節省時間？

很多工程師提出：“即使略過二維工程圖和二維標注，還是需要三維標注，哪里能夠節省時間？”要回答這個問題，首先要從整個產品生命周期來思考。三維模型定義一個重要功效在于：清晰無歧義而且集成同步的三維標注大幅度提高下游生產環節的理解速度和準確率，減少廢料和返工。一份研究報告通過對比發現表 2的量化改進。

更進一步，一個生產流程之后，產品還會經歷幾年、十幾年、甚至幾十年的維護和升級換代階段。以美國國防部為例，平均 65%～80%的產品生命周期費用實際發生在這個階段。而且現代許多產品的生命周期大幅延長，比如某轟炸機預期壽命是 94年（數據來源：Paul Huang，Reuse of Model Based Definition Data to Increase Army Efficiency and Reduce LifecycleCosts和 Technical Data Package Specification for 3D MBD and MIL-STD-31000 Overview， 2010年）。漫長周期當中，汗牛充棟的紙質二維工程圖非常容易丟失、破損或與三維設計脫節。而三維模型定義能夠把產品制造信息清晰集成到三維數字文檔，易于管理、維護、更新和查詢。整個生命周期的效益會是三維標注一個步驟的成百上千倍。另外還要考慮到多種自動化的三維制造應用，如坐標測量機、三維掃描檢測和大數據分析等。在三維模型定義的基礎上，這些應用的效率會登上一個新的臺階，詳見后續文章。

即使就三維標注這一個步驟來講，三維模型定義也有可能節省時間，因為模型本身就包含了豐富信息。首先模型特征尺寸和公差有可能重（chong2）用顯示在三維空間，而無需另外標注；其次，有些軟件提供三維自動標注功能：選好模型類型、公差類型、基準面、需要定義的局部特征乃至整個模型，幾秒鐘就可以標注完畢。

（2）二維工程圖能否被取代？

另一個常見疑慮是二維工程圖已經使用了 200多年，并且行之有效，廣泛使用。難道真的能被取代？答案很顯然，短期不可能取代。就像三維 CAD已經推行了 30年，但是世界CAD市場份額大概還有一半是二維。改變都需要時間，但是這不能否定新技術新方法的價值。

三維模型定義很重要的價值定位是完全可以兼容支持二維工程圖的使用習慣：所有傳統標注都可以創建，所有傳統視圖都可以呈現，甚至圖面布局都可以延用二維工程圖，簡而言之就是“首先不會缺失信息”。這樣就可以消除很多顧慮。在此基礎之上，如果具備數字化環境，那么第三維優勢就信手拈來：旋轉、測量和關聯響應等。所以不僅不會比二維工程圖缺失信息，而且能夠提供更加清晰和豐富的應用。因此準確來講，三維模型定義是用來“升級”，而不是簡單的取代二維工程圖。表 3技術升級的類比可以解釋的更加清楚：手機兼容支持座機的所有功能，而且提供了附加的移動性和智能應用，既照顧了座機用戶的傳統習慣，又提供了更多價值。如今手機的普及率已經毋庸置疑了。此外一個更徹底的升級是從膠卷相機到數碼相機。后者完全涵蓋前者的功能，而且有百利而無一害，那么何樂而不為呢？

（3）項目投資能否承受？

如第五期案例所述：2013年美國海軍航空作戰中心Lakehurst飛機分部，兩個大規模試點項目總工時 1，220小時，團隊一共 12人，人均投入約 100小時，即不到三周；總投資 178萬元，只占 2014年中國企業平均固定資產投資的 5.4%。而且我國企業的試點項目規模不必像美國海軍那么大，完全可以從點滴開始，哪怕只是一根軸，一個減速箱，可以降低初期投資。另外中國人力成本比美國有優勢，也可以進一步縮小工時成本。只要我國的企業有決心，實施應該是力所能及的。

（4）是否必須為車間購買大量數字化設備？

這個問題很大程度上源于對三維模型定義和無紙化兩個概念的混淆。第四期通用電氣的案例當中已經做了詳細的澄清。簡而言之：三維模型定義強調升級換代二維工程圖，并不排斥打印圖樣，完全可以延用圖樣流程，無需購買大量數字化設備。

（5）供應鏈能否接受？事實上，供應鏈對三維模型定義的接受程度可能比想象的要高，這里舉兩個例子。

首先是一家水處理設備公司。在 2014年介紹三維模型定義的時候，出于顧慮，特意邀請了十多家供應商一起參加討論。結果大多數供應商看到產品演示，特別是三維 PDF之后，不但表示能夠在未來項目中接受改變，并且還開始主動構想自己的企業應該如何實施。

還有一家企業 2009年強制要求下游的供應鏈開始使用計算機輔助制造軟件（CAM），讀取原始的 CAD格式，輔助以簡化的二維工程圖。起初一些加工廠反對，但是為了贏得生意，被迫嘗試。然而新流程啟用之后，無論是量產還是樣品，加工的報價、數控編程和交貨都明顯提速。這正好是雪中送炭，因為當時任務量非常重，已經需要兩班倒，效率的提高實現了供需雙贏。更有意思的是，熟悉新流程之后，加工廠主動提出“為什么不能把所有信息都集成到一個三維文件當中？這樣就可以省略二維工程圖了。”可見在起初被動嘗試之后，三維模型定義反而成為了供應鏈更進一步的主動選擇，而且那是在 6年以前。另外值得注意的是，這個加工廠并非大型高精尖企業。他們只是兩人合伙經營的小作坊，配備了一臺數控機床和 CAM。

上述兩個例子非常具有代表性。早在 2009年，美國國防部對幾百家供應商的問卷表明，69%表示愿意在三維模型定義流程當中運作（數據來源：MBE SupplierCapabilities Assessment，Department of Defense，2009年，樣本數量：445）。進而在 2012年，89%的供應商表示三維模型定義能比二維工程圖更好的傳遞設計意圖（數據來源：

MBE Supplier Capabilities Assessment，Department ofDefense，2012年，樣本數量：46）。

以上簡要討論了五點常見的顧慮。希望能夠幫助我國企業建立信心，大膽實踐，而不是猶豫不前。下面回到需要避免的另外兩個誤區。

2.不要急于求成

上節提到“不要猶豫不前”，然而過猶不及，這節提醒企業“不要急于求成”。美國陸軍研究實驗室的三維模型企業項目帶頭人 Paul Huang分享了親身經歷的深刻教訓。2009年，陸軍一個基地開始實施三維模型定義，挑選了一個非常復雜的項目：某裝甲車“十字型”變速箱，總共 2000多個零件。盡管項目完成了，但是也帶來了很多問題。首先產品太復雜，拉長了周期。參與人員上手一次，長時間沒機會重復，容易遺忘。不但人員缺乏機會練手，購買的軟件硬件也沒有機會更多的使用，浪費了資源。其次，復雜的產品一次帶來太多的挑戰，讓團隊難以適應，產生了消極情緒（數據來源：Paul Huang，Reuse of Model Based Definition Data to Increase Army Efficiency andReduce Lifecycle Costs，2010年）。鑒于上述的教訓，我國的企業可以根據自身情況循序漸進，從小規模試點開始摸索。理順流程、積累經驗、鍛煉團隊，為未來項目做鋪墊。這樣螺旋式上升會降低風險。

3.不要局限在設計部門

另一個典型誤解是三維模型定義只由設計人員領導，其他部門服從就可以了。這樣的態度顯然容易受到孤立和抵觸。更務實的是同舟共濟，合作共贏。

首先需要了解合作方：哪些要求會強人所難，哪些是力所能及的，哪些影響成本或工期。比如美國一家醫療器械公司非常強調熟悉加工環節的軟硬件環境和需求。由于某些加工廠可以直接讀入他們的 CAD格式，設計部門可以只標注關鍵尺寸和公差，加工廠可以參考模型得到其他名義尺寸。所以這種條件下行之有效的辦法是以 CAD模型為主，以簡化二維工程圖為輔。但是如果有些設計需要尋找其他廠商完成，那么這套方法可能行不通，需要重新調研商定。

了解之后還要盡量配合。有正反兩個例子很能說明問題。美國一家研究型制造企業規定：實施三維模型定義，技術要求必須顯示在打印或者數字文檔的第一頁。這樣調度人員只需掃一眼第一頁，就可以迅速決定哪些項目需要外協，哪些需要內聯，哪些部門介入，大致工序如何等；而且加工人員無需翻頁，可以立即確定特殊加工步驟。此外規定有些技術要求必須在相關的三維視圖內部或附近顯示，這樣加工人員就可以一并讀取視圖和注釋，而不需要來回翻頁，即使打印之后也很容易看到，而不用擔心關聯的視圖和技術要求失散。另外一個細致周到的規定是：全局注釋要在每個頁面都顯示，還是為了方便讀圖、避免翻頁、確保加工。反之如果一意孤行，合作方甚至有可能拒絕參與。比如 2014年，美國一家直升機制造商要求最新的一款直升機完全由三維模型定義流程設計制造。由于預見到種種問題，又缺乏必要的支持，有些二線三線供應商寧可丟失這單生意，也不愿意冒著風險嘗試新流程。

綜上所述，三維模型定義實施在“人員”領域的六條經驗總結如表 4所示。如果您想了解更多，歡迎關注后續文章從“流程”和“產品”角度介紹其他經驗和教訓，也歡迎與Oboe.MBD@gmail.com聯系討論。來信提出建議、想法、問題的同仁，都會免費得到一份精美的三維 PDF。

關鍵領域 三要 三不要

人員 1.獲得企業高層管理人員的支持2.組織三維模型定義實施的核心團隊3.調動參與人員的積極性 1.不要猶豫不前2.不要急于求成3.不要局限在設計部門

三、作者的話

對于本系列的文章，筆者有些話想講：這些總結遠非完整的實施手冊，且篇幅有限，只能以點帶面，希望今后有機會介紹更多的實施要點、成功案例、最新技術和標準。另外經驗和教訓都有其時效性：本系列文章根據大多數企業 2015年現狀提出建議，筆者將盡量做到既包括長遠理想方案，又包括眼前的實際辦法。也歡迎與 Oboe.MBD@ gmail.com聯系討論。 IM