三維模型定義 （MBD）實施經驗

吳軍

一、引言

前面兩期文章總結了三維模型定義實施的十要和十不要，并深入介紹了人員方面（人事結構和團隊理念）和流程方面（方法、步驟和工具）的經驗和教訓。在此基礎之上，下面兩期文章將重點分析三維模型定義實施的第三個關鍵領域：產品，即具體的產品設計和制造。本文作為產品篇的上半部分首先提出四條建議，下期將繼續解釋四個誤區。

二、MBD實施經驗之產品篇：四點建議

1.選好制造文檔作為突破口

產品生命周期中，各種制造文檔卷帙浩繁。初始實施不求全面轉型，只需要集中精力找準一兩種文檔突破即可，以點帶面，積累經驗，然后逐步擴大范圍。美國一家水處理設備公司 Waters就是一個典型的例子。盡管實施團隊滿懷熱情，計劃全面取代二維工程圖，但是遇到采購、檢測等各個部門的阻力。經過協商，最終同意采納簡單、低風險的標準件或外購件采購文檔作為試點，如螺絲、軸承、管路和三通等。以往這些零部件都由二維工程圖定義，但實際上它們都是按照行業標準或規定設計和生產的，尺寸和公差都遵循行業通行的規范。所以采購部只需要確認零件號、種類、規格、材料和數量，這些信息大都已經在標題欄體現；而檢驗員只需要按照設計要求檢查關鍵尺寸，完全沒必要檢測所有特征，因而不需要完全尺寸定義；公差更簡單，除非特殊要求，其他絕大部分都已經在技術要求或標題欄中進行全局定義，例如線性尺寸小數點后兩位精度公差為正負 0.01，三位精度公差為正負 0.005，角度公差正負 1度。所以最終達成的雙贏共識是如圖 1所示的三維 PDF。設計部門直接標注模型，省略大量非關鍵尺寸，發布三維 PDF，并檢入產品生命周期系統，從而不再需要單獨的二維工程圖；而采購和檢測部門從產品生命周期系統讀取更加清晰的電子三維 PDF，得到關鍵尺寸。更重要的是，這個突破口可以讓三維模型定義和三維 PDF得到更廣泛的關注和使用。

類似突破開路的例子還有很多。比如一家日用消費品企業選定復雜的塑料零件在三維環境下標注關鍵特征，而其他非關鍵的有機復雜曲面則只在 CAD模型基礎上定義一個表面輪廓度公差要求。原因是有機曲面本身就很難完全標注準確，沒有必要花費時間在二維工程圖上。另外一家醫療儀器企業用三維鈑金件 PDF做詢價單，可以增進加工廠的理解，提高報價速度。

2.清晰的組織與呈現三維標注

制造信息的讀取對制造的成敗至關重要，因此組織和呈現三維標注應該得到與創建標注同等的重視。圖 2中繁亂的顯示給理解設計意圖造成了極大的不便，業界戲稱為“刺猬現象”。這使三維模型定義備受詬病，經常給實施造成阻力。

三維模型定義并不代表完全拋棄二維工程圖行之有效的方法。比如二維圖層清楚的組織重疊元素就廣受歡迎。在三維模型中，圖層也可以幫助有效地分類組織標注，尤其是同一個視角的不同元素。美國軍標 31000A規定：“標注應該能夠分配到合適的圖層和角度，從而有條理地組織和顯示”，如圖 3所示（數據來源：MIL-STD-31000A， Department of Defense Standard Practice Technical DataPackages，2013年）。比如前視角度可以分層顯示或隱藏線性尺寸、角度尺寸、基準、幾何公差、技術要求、表格、孔標注、端面標注和外形尺寸標注等。由此可見標注圖層的分類組織可以非常靈活，完全由設計需要決定。

在圖層基礎上，一些傳統視圖對呈現和領會三維標注也非常重要，比如三視圖、局部視圖、剖視圖和斷裂視圖等。更進一步來看，三維空間的獨到優勢以及圖層與視圖的綜合使用，使得其他顯示模式成為可能，比如動態顯示標注和三維視圖縮影等，如圖 4～ 6所示。由此，眾多的三維標注就可以合理地分配到各種圖層和視圖中，只在合適的情況下顯示和使用。

3.訂制標準化模板

除了利用圖層和視圖清晰地組織和展示三維標注，訂制標準化模板可以進一步組織和管理三維模型定義的大量數據，方便下游生產環節讀取。而且有助于加速數據創建，統一風格，保證一致性。模板可謂一勞永逸，不需要經常修改，可以應用于很多場合，如三維標注、技術要求、三維PDF、模型屬性和表格等。這里簡單介紹三個例子。

（1）三維標注模板。詳細的三維標注可能會花費大量時間。比如歐洲一家汽車制造商的白車身底板零件可能包括上百個尺寸公差，而傳動系統的氣缸蓋可能需要 800多個。手動定義完成一個零件所有標注之后，這些信息會記錄在一個模板當中。在其他類似的設計或配置當中，只需要利用這個模板就能把所有標注自動復制創建，而工程師只需要根據新設計的獨特之處手動修改少量標注而不是全部。不僅節省了幾天甚至幾周的時間，而且還可以保留標注的布局、精度、公差風格以及與模型特征的關聯性。

（2）技術要求模板。技術要求的條款可能很多，但是大都遵循一些言簡意賅的模式，保證了一致性、避免誤解。正如美國一家研究機構提到的：“我們不希望看到幾十個工程師各自創建幾十個不同的粗糙度或氧化處理的技術要求。 ”所以模板正好派上用場。這家機構把所有技術要求的條目都統一羅列在一個 Excel模板文件中，由產品數據軟件管理，對普通用戶設置為只讀。工程師無需自行書寫技術要求，而是使用一個軟件工具指定需要的條目，程序就可以自動從Excel中選擇相應的內容發布到三維 PDF。類似的模板還可以包括其他文字內容，例如知識產權聲明和保密聲明等。

（3）三維 PDF模板。如上文所述，制造文檔類型繁多，而且每個種類的文件都需要一定的規范。使用三維 PDF格式生成這些文檔具備諸多優勢，但是首先必須要滿足類型規范。比如標準件采購文檔需要公司商標、標題欄、模型視圖和技術要求等；除了這些基本元素，裝配手冊還需要材料明細表、爆炸視圖和裝配步驟等；檢測報告需要尺寸表格、實際測量尺寸文本框、批準簽字區等。還有些文檔需要封面，比如美國政府要求武器相關的文檔第一頁應該首先顯示國際武器交易法規聲明（ITAR，International Traffic in ArmsRegulations），與出口相關的文檔第一頁應該顯示出口管理法規聲明（EAR，Export AdministrationRegulations）。其它面向客戶的市場和培訓等文檔需要專業圖片封面等。所有以上元素都可以定義在各種類型的三維PDF模板當中。發布三維 PDF只需要選擇合適的模板，然后一系列信息如模型、標注、屬性、視圖、表格、技術要求、圖片和聲明等都會按照模板規范自動輸出，省去了重復勞動，極大地提高了效率和標準化程度。

4.驗證模型、標注和衍生文件質量

圖樣校驗是傳統流程中的一個關鍵步驟。在三維模型定義中，這個步驟不僅不能省略，而且職責更廣，包括模型質量、標注質量和保存到 CAD軟件新版本之后的準確性、以及衍生文件的準確性。

模型質量涉及眾多不易察覺的細節，所以問題可能比想象的要嚴重。比如美國陸軍的一個試點項目顯示某坦克傳動系統，21%的模型都有錯誤（數據來源：Certification of Model-Based EnterpriseData，SimonFrechette和 RoyWhittenburg，2011年）。圖 7列舉了常見缺陷：堵塞的孔、裂縫、空缺和薄壁，導致加工故障。

標注質量包括幾何尺寸和公差（GD&T）的準確性、是否滿足國標要求（三維模型定義國標為 GB/T 24734-2009）、與模型的關聯性以及顯示布置等。問題最多的是GD&T。美國一家航空設備制造商提到：“我們把 GD&T奉若經典。每個新工程師都要經過兩周的專門培訓。但即使這樣，使用錯誤還是層出不窮，甚至出自資深工程師。”舉一個簡單的例子，圖 8為平行度與基準面 A矛盾，有些軟件可以自動檢測提醒 GD&T的錯誤。

升級到 CAD軟件新版本之后，也要注意標注的準確性。如圖 9所示，模型升級之后直徑公差丟失。

上述都是文件本身可能的質量問題，下面解釋一下衍生文件可能出現的錯誤。眾所周知，設計數據最理想的載體是 CAD軟件本身的格式，可以比較完整真實地保留信息。但是下游環節，尤其是外部供應鏈不一定能夠讀取 CAD格式，所以各種三維衍生文件會經常用到。常見的如三維PDF供 Adobe閱讀器瀏覽模型和標注；STEP、IGS和 JT供計算機輔助制造軟件（CAM）或坐標測量機（CMM）自動編程。國際標準化組織（ISO）還在 2014年 12月專門為三維模型定義發布了 STEP242格式，在模型基礎上包括了三維標注（數據來源：Industrial automation systems and integration --Product data representation and exchange --Part 242： Application protocol： Managed model-based 3Dengineering，ISO10303-242：2014）；此外還有 STL或 AMF供三維打印等。這些格式都方便了數據交流，但是使用當中要注意驗證衍生格式是否忠實于原始數據。圖 10顯示了一個衍生模型變形的例子。美國空軍幾家供應商就為此付出了慘痛的代價：某家一級供應商的模型和標注是在一款 CAD軟件平臺上設計，其二級供應商無法直接讀取這個格式。因此前者導出了中間格式發給后者進行加工。結果項目已經進行了半年之后，才發現導出的數據根本就不符合原始設計：有些特征變形，有些標注錯位甚至丟失。不僅項目損失慘重，雙方甚至有可能法庭相見。供應商的一位工程師回憶：“我們三維模型定義初始嘗試令人難堪。客戶沒有驗證輸出數據的準確性和完整性就交給我們。現在公司管理層還在擔心如果沒有正確的流程，三維模型定義會更加耽誤時間，導致更多錯誤。”

要解決上述問題，可以指定專人驗證，類似二維工程圖校對。另外有的軟件工具可以進行自動驗證，圖 7～ 10都是軟件校驗的例子。從商業合作角度出發，項目應該具備數據認證機制。數據發行方（甲方或乙方）必須要對關鍵交付數據進行認證。認證的數據要成為合同的一部分。如果出現問題，發行方、認證方要承擔責任；而未經認證的關鍵數據不應具備投產資質。

三、結語

上文總結了四條注意事項：選好一兩種制造文檔作為突破口；清晰的組織和呈現三維標注和視圖；訂制標準化模板；驗證模型、標注和衍生文件質量。下期將繼續介紹四個注意避免的常見錯誤，如表所示。如果您想了解更多，歡迎關注后續文章，比如實施案例、行業標準、最新技術和經驗教訓等，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。

表三維模型定義實施在“產品”領域的“四要，四不要”

關鍵領域 四要 四不要

產品 1.選好一兩種制造文檔作為突破口2.清晰的組織和呈現三維標注和視圖3.訂制標準化模板4.驗證模型、標注和衍生文件質量 1.不要省略關鍵標注2.不要停留在圖像層次的三維標注3.不要排除打印紙質文檔4.不要停留在初級三維 PDF

注：本系列文章是根據國內外幾十家企業的反饋，從“人員，流程和產品”角度總結了實施當中的“十要和十不要”作為點滴經驗和教訓，但是遠非完整的實施手冊。真正的實施范圍非常廣，而且與企業自身習慣息息相關。 IM