GD&T圖紙的智能化設計技術

周世玉，王俊杰，余敦麗

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007；2.柳州穩遠電氣有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

智能制造是《中國制造2025》的主攻方向，是落實制造強國戰略的重要舉措。智能制造是基于新一代信息技術，貫穿設計、生產、管理、服務等制造活動各個環節，具有信息深度自感知、只會優化自決策，精準控制自執行等功能的先進制造過程、系統與模式的總稱；具有以智能工廠為載體，以關鍵制造環節智能化為核心，以端到端數據流為基礎、以網絡互聯為支撐等特征，可有效縮短產品研制周期、降低運營成本、提高生產效率、提升產品質量、降低資源能源消耗。汽車工業是汽車發達國家智能制造重要的應用實施領域和突破口。

GD&T圖紙屬于汽車行業的機械工程行業的重要技術文件，包含大量的技術工程語言和參數，智能化設計圖紙是汽車智能化制造重要體現之一。但是，在現代傳統制造仍占重大比率的制造環境中，GD&T設計仍然完全依靠人工完成，以某主機廠某一車型的門檻板零部件為例，此零部件為普通中型大小零件，結構相較簡單，通過人工從制圖準備到制圖過程再到制圖確認完成（審核校對發布等）大概需要2個工作日；而普通整車的零部件個數，及需要產出產品工程圖或GD&T圖紙技術文件的零部件個數達到千以上，而這些完全通過人工累積大量的工作日才能得以完成。從資源利用、人力控制、時間管理各方面講都是一種浪費，不符合智能化設計制造的宗旨，且此項工作屬于前期設計工作，因為其在周期控制要求中占比較大，大量的前期人工設計時間會對整車設計制造周期產生較大的影響，特別是在當前客戶消費代謝加速，對新車型渴望加深的激烈市場競爭環境中，整車設計制造投產周期的優化將為其獲得市場主動權起到至關重要的作用。

1 GD&T概念及GD&T圖紙的應用

GD&T，英文全名為Geometric Dimension and Tolerance的簡稱，指幾何尺寸公差，是通過形位公差限制實際被測形體（或要素）變動的區域，是零件的實際形狀、位置對其理想形狀、位置的變動量的描述，包含公差值描述大小；包含象征符號描述其控制要素，如點（平面、空間）、線（素線、軸線、曲線）、面（平面、曲面）、圓（平面、空間、整體圓柱）等區域。所以它不僅有大小，還具有形狀、方向、位置等4個要素，而且其控制要素又可以分為形狀公差、定向公差、定位公差、輪廓度公差、跳動公差五大類（十四種）。其大小是由指定的形位公差值來確定的。只要被測實際形體（或要素）被包含在這個公差帶內，那么這個被測形體（或要素）就是合格的。形位公差帶控制的是點（平面、空間）、線（素線、軸線、曲線）、面（平面、曲面）、圓（平面、空間、整體圓柱）等區域，所以它包含大小、形狀、方向、位置4個要素，其中形狀公差用于控制形體的形狀；定向公差用于控制形體的方向；定位公差用于控制形體的方向和位置；輪廓度公差既可控制形體的大小和形狀，又可控制其方向和位置；跳動公差是對形體方向和位置的綜合控制。定位、定向和跳動公差，統稱為位置公差。

GD&T圖紙，即描述零部件、焊接過程件、白車身的形位公差、尺寸公差、配合公差等關系要求的圖樣，是幾何尺寸公差的文字體現，是指導零件及整車設計制造的重要技術文件。無論是傳統制造，還是汽車整車及零部件研發制造，都離不開GD&T圖紙（產品工程圖紙）的輸入。

2 GD&T智能化設計步驟

智能化設計制造不僅要成為寬泛的指導方針，更需要落實到具體行動和步驟當中，以指導無論是初學者還是經驗充足的各級工程師進行細致的實際操作。本文通過探索專業人員在尺寸工程行業內的經驗積累及對GD&T設計的專業性理解和領悟，參考國內外多個主機廠圖紙設計者在設計GD&T圖紙時所使用的繪制步驟，總結GD&T繪圖過程中的核心思想和宗旨，并通過繪圖設計軟件UG的功能模塊進行二次開發將其智能化設計的技術思路通過以下5個步驟實現。

2.1 加載數模時自動識別匹配面

GD&T設計的首要條件是識別零件的匹配功能面，并對其進行尺寸公差等信息的標注，人工設計過程中，是通過人工搜索零件對應的匹配對手件并按照統一坐標系加載裝配后對匹配重合區域進行識別并標注。以下步驟將通過繪圖軟件的對應功能模塊將這一過程智能化。

智能設計模塊中，數模加載裝配至匹配位置，是通過在同一坐標系中進行坐標定位來實現結合。零部件數模與其對手件的匹配位置，就是GD&T需要涵蓋的區域，即需要附加幾何形狀公差要求的區域，通過自動識別和標注來實現。在繪圖軟件環境中可以通過編程自動識別搭接部位大小形狀，借用同一坐標系中軟件能通過識別互相匹配的零部件坐標位置功能來識別匹配位置的具體區域，并生成需要標注GD&T要求的指定型面。指定型面識別后的突出顯示功能，將由提前設定的參數化實現，如目標型面的加亮處理或者填充化處理，以清晰地表現此型面的用處。參數化的輸入可由設計者自定義設置，最大程度地保留圖紙信息的識別度。此步驟默認在三維情形下完成。

2.2 自動調用模板

GD&T圖紙作為技術文件，需要標準化的模板來承載其包含的各種信息。模板需要包含封面，描述完整圖紙的基本信息，如圖號、車型、視圖及公司屬性等；版本信息頁，描述圖紙的當前版本及歷史版本，及版本更改的過程信息；通用技術規范頁，描述零件在此圖紙中無匹配要求的要素要求等；基準頁，描述零件的基準信息；孔信息頁，描述零件孔特征的信息；面信息頁，描述零件面特征的信息；特殊特征頁，描述異型孔、特殊面等信息；左右件區分頁，描述左右件不對稱的特征信息。

當零件加載之后，軟件系統識別步驟一中突出顯示的匹配面之后，自動調用對應的標準模板，并開始逐步填充模板內每頁的內容。這之前，需要設定基準，基準特征的選擇根據設計要求實施，將設計好的基準信息輸入特定的模板，在繪圖程序自動調用模板時，將儲存在系統中的模板與步驟一中的匹配面自動識別進行邏輯化的超鏈接，并同時調用提前設定好的基準信息。這樣在調用模板的過程中，繪圖功能模塊會自動過濾設計為基準的區域識別并填充對應的圖紙內容，并同時在模板的基準頁內填充基準信息。

2.3 設定圖紙內容順序

圖紙所包含的內容除了技術性的信息，還需要遵循一定的設計順序。如果沒有特定的順序設計原則，在GD&T圖紙的智能化設計過程中會產生沖突，不能清楚地表達這一重要技術資料的邏輯性，圖紙所承載的信息將造成制造部門或閱讀人員的誤解，有導致制造結果偏離設計的風險，嚴重情況可能導致汽車公司大量返工而產生的時間成本上的巨額浪費。

一輛整車存在成千上萬個零件，且不同零件的構造、材料以及各種要求都不同，例如車身鈑金零件中，門外板之類的外觀覆蓋件以型面定位的對型面的要求為第一順序，側圍內板之類的內部結構件以孔加型面為定位的對孔特征的要求為第一順序。所以在智能化設計程序技術開發過程中，根據車身類型的不同，可以按零件結構差異規定所需內容的順序，分類設定并賦予可選擇項。如此，在GD&T圖紙設計時，可參考上一章段內容中圖紙模板設計方式，設計者可勾選以需求為導向的設計順序，確定后由系統自動參照并輸出。

2.4 設定視圖及排版

視圖的選擇，視角的應用可以清楚直接地識別圖紙的信息內容。圖紙的設計應該秉承用最少的視圖描述最大的信息的原則。不僅有利于圖紙的排版美觀，也方便信息的快速識別和傳達。

智能化視圖設定，借鑒原人工操作圖紙設計格式中存在的通用視角及自由角度視角。一般情況下通用視角可以滿足很多規則化的零件繪圖要求。但是復雜型面的零件，需要手動添加視角，尤其是在自由視角情況時，手動添加的視角不能完全展示零件要素的幾何公差要求和搭接面，需要人員耗費精力和視角進行修正，且同一個零件的自由視角會因為不同的設計人員的感性判斷而呈現不同的排版，不利于圖紙的規范及美化。自由視角以展現零件最大可視化特征要素為主，在智能化GD&T圖紙設計中，復雜零件的自由視角也應該設置為相對少的最大匹配面，此匹配面為數模加載模塊中的智能化識別匹配面。

2.5 公差引用

公差賦予是圖紙設計中最重要的環節，GD&T圖紙即為零件特征要素的幾何尺寸公差信息，公差大小位置等信息根據零件的不同要求而進行變化。在圖紙設計的智能化環境中，可以設計并導入提前設計好的一般公差標準，涵蓋一般孔面圓角等特征的公差要求，在完成圖紙的智能化排版后這些特征區域自動引出對應的公差信息。對于常規的下級零部件基本滿足要求。對于高層級復雜零件，例如汽車內外飾零件——座艙總成，有多個單件集合而成，可引出智能高級指令，添加公差計算的常用算法——平方差算法，在復雜零件圖紙中對一般要求的特征直接進行公差計算并賦予，通過智能化出圖表現在圖紙上。通過制定詳細步驟并開發對應模塊加載至對應制圖軟件中，即可在導入對應零件后開始GD&T圖紙的智能化設計及輸出；亦可在此基礎上研究批量設計方式，以軟件系統運算能力為基礎開發批量形式的圖紙設計。

此外，因為設計者對不同零件的重要性要求，以及實際制造過程中質量對某零件特定安裝點/型面控制度要求不同，所以在圖紙的前期設計中，不同特征的公差也會不同。比如，在白車身的后車架部分中，油箱安裝點、懸掛安裝點等，以及新能源車型的電池包安裝點，相較其他的線束安裝點等有著較高的尺寸公差要求，所以在公差設計過程中，需要添加比一般公差或常規累計公差嚴格的公差并結合一定的復合公差要求。如上這些特定公差要求，都需要提前設計添加在智能化設計調用的公差設計表中。

通過上述步驟描述的智能化設計技術，最終可生成合理的具有正規效力的圖紙文件，經由專業設計人員的最終審核，可以作為下游部門/工位的制造參考標準。

3 技術總結及展望

根據2022年目前汽車行業狀態分析，競爭已經到了白熱化的地步，公司或企業能否在寒冬中生存并最終發展壯大取決于其是能否在周期和成本上具有絕對的優勢。而且隨著客戶的欣賞水平以及消費需求的提升，車型的迭代時間也不斷面臨著巨大的挑戰，這些都是各汽車公司的決策者需要認真考慮的。GD&T圖紙的智能化設計在成本節約、開發周期縮短方面效果明顯，在新車型開發周期和成本控制方面起著舉足輕重的作用，也是尺寸工程發展必經之路。除了自身周期成本大大縮減之外，對需要GD&T數據信息支持的模、檢、夾等起工裝工藝快速開發也是意義非凡；并且，GD&T智能設計中延伸的知識庫，即在圖紙設計過程中自我學習、自我完善，儲存過程數據作為知識庫，下輪設計中自動調用，對時間、成本，以及對業務管理（圖紙設計、審核修改、批準發布等流程簡化）也能起到優化作用。

現階段，GD&T智能化設計模塊需基于相應軟件的開發應用，而此類軟件和程序的開發仍然處在實驗和摸索之中，零部件特殊特征識別、特殊公差的賦予能否精細到具體的點或線上，都需要持續投入人力和物力突破瓶頸，實現最大限度的智能化。例如，在GD&T設計中，一般公差是現有技術條件下能達到的最大水平或是設計者能接受的最小水平，對于很多重要程度不同的零件特征，會采用特殊公差。現有的智能化模塊中，特殊公差賦予的具有一定的局限性，可以由智能化模塊生成一般公差圖紙后，再由設計審核人員添加，而在智能化研究中，添加特殊數據庫由圖紙設計模塊自動調用，將會幫助尺寸工程繪圖走出智能化過程中存在的困境。

4 結語

當前時代是汽車行業發展的關鍵時期，也是中國汽車技術實現彎道超車的拐點，智能化發展趨勢不可逆轉，相關硬件軟件的提升已經是刻不容緩。與之匹配的是設計者的思想，應該逐步地去人工化，全面擁抱智能化。智能化思維可以得到高效透徹的開發至關重要，需要從業人員不斷學習、思考，并勇敢地挑戰當前固有的設計狀態，破舊迎新。我們不能再局限于目前“短平快”的操作方式方法，應該勇于探索新事物，敢于開發新模塊，由技術設計者向技術管理者，由技術管理者向技術突破者轉變，從而成為新技術的領導者。作為汽車開發的重要組成因子，人與機器智能化同步發展是一個公司或者企業在行業競爭中脫穎而出的絕對優勢。