三維模型定義（MBD）實施經驗

吳軍

上期文章總結了三維模型定義（MBD）實施過程中，在產品方面的四點建議：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。三維模型定義實施當中產品方面的“四要和四不要”如表1所示。本文將強調注意避免的常見錯誤。

一、不要省略關鍵標注

省略關鍵標注是三維模型定義受到下游生產環節、尤其是供應鏈抵觸的一個常見原因。甚至有的加工廠誤解三維模型定義是“不負責任的偷懶”。因為他們的客戶一意孤行只提供三維模型。沒有二維工程圖、也沒有三維標注。理由是信息在模型當中，加工廠只需要測量模型就可以了。但現實當中，車間還是需要關鍵尺寸和公差標注來加工和檢測，所以被迫根據缺失標注的三維PDF或模型，自己生成二維工程圖，添加標注，然后打印圖樣供車間使用。加工廠不但沒有感受到任何改進，相反吃了虧：“可能我們的客戶節省了點時間，因為他們不需要二維工程圖，也不需要標注了。但是工作量被轉嫁到我們頭上。”更有甚者，一旦加工廠自行生成的二維圖樣違背了客戶設計意圖（工廠利益決定了其簡化加工的傾向），或者零部件加工出現質量問題，互相指責很難避免：“你們沒有測量模型！”“你們沒有標明加工尺寸和公差！”由此對簿公堂也不罕見。

如下六點總結了在三維設計模型中，明確標注關鍵特征可以帶來的好處和避免的問題。

（l）企業設計部門最了解產品用途、設計意圖、重要特征和技術要求，因此最具權威在清晰的標注中傳達關鍵信息。如果省略這些標注，而放手任人解讀，很容易造成誤會。而且下游制造環節本身會受利益驅使，傾向對制造過程最有利的解讀，但并不一定對整個產品質量最有利。

（2）設計環節的標注不光是單向傳遞制造信息，而且是一個督促設計人員反思、審核乃至改進設計和可制造性的機會。跳過這個步驟意味著失去了一個審核改進的過程。

（3）制造信息量很大，如果下游部門每次都要重新測量得到關鍵尺寸，不僅費時費力，更重要的是容易遺漏設計要求甚至忽視加工錯誤，因為關鍵信息隱藏在模型中不可見。由此會危及質量、延長工期且提高成本，尤其是供應商的報價會升高。反之，明確的標注不僅方便每條信息的讀取，而且還作為視覺提醒，呈現了一個完整的檢查清單。

（4）下游環節不一定能夠準確熟練的使用Adobe閱讀器或CAD軟件當中的測量工具。以圖1中的Adobe閱讀器為例：測量螺絲的長度，但是得到上下兩個尺寸5.076mm和5.Omm，該相信哪一個？這就體現了正確使用工具的重要性。表2對比了錯誤和正確的使用。然而要得到正確的結果，還需要提前按下圖2的兩個按鈕：面捕捉和垂直尺寸。由此可見一些細節很容易導致誤讀以及制造失誤。而且這還只是一個簡單的螺絲，試想在復雜的裝配體成千上萬個零件當中，如此測量失誤在所難免，所以還不如把關鍵尺寸都標注出來，盡量避免不必要的麻煩。

（5）從轉變流程的角度講，如前面“流程篇”所述，在初始階段信息交流寧多勿少。清晰的標注避免不必要的沖突，讓讀圖人員體會到“三維模型定義不會比二維圖樣減少信息，而只會提供更多的清晰度和功能，我的工作會更容易。”這樣實施會更容易接受和成功。

（6）另外注意區分對待公差和尺寸。模型幾何體本身可以提供尺寸信息，但是不一定具備公差。公差的缺失顯然容易導致歧義：幸運的話，車間可能按照約定俗成的常規公差加工和檢測。即使這樣，真正設計的公差要求也無從知曉。也許某些零件常規公差即可；但也可能更嚴格的公差要求因為沒有標注而被忽視，導致廢品。不幸的話，有些模型連常規公差都沒有要求，讓生產人員無所適從。當然還有一種可能性是設計人員專門在草圖或特征當中定義了尺寸和公差。如果這樣，還是不如把這些定義明確顯示成標注，既避免了重新創建，又避免了多次手動查找。

注意關鍵標注并非要求完全定義整個模型，因為并非所有特征都是關鍵，反而可能重要細節只在少數。所以在適當的場合完全可以簡化標注。關于簡化程度，表3是美國軍標3IOOOA的劃分和應用場合：完全定義、部分定義和最簡定義。

當然，明晰的關鍵標注在未來完全集成的自動化生產流程中可能不再如此重要，因為機器和軟件可以直接利用模型隱含數據進行公差分析、工藝規劃、加工、報價、檢測和采購等步驟（詳見下節），但是當今絕大多數企業還沒有達到完全無縫數字化集成。只要有一個環節需要人工讀取制造信息，那么明晰的標注就比隱藏的更安全和有效。

二、不要停留在圖像層次的三維標注

上節主要從人員讀圖的角度解釋了三維標注的重要性，下面介紹比視覺圖像更深的一個層次，即具備智能含義和關聯性的標注。二者的區別可以由圖3的示例說明：上圖為圖像層次的標注，供視覺讀取。但實際上標注本身并不知曉16孔陣列：16可能是手工寫入的，甚至可能標注中所有數字、字母或幾何公差只是由形似的圖像曲線構成，而非真正的數字、字母或幾何公差。內含的缺失導致無法被其他軟件程序讀取，所以稱為“人工可讀標注”；下圖是具備智能含義的關聯標注。不僅可以視覺讀取，而且真正解析了孔陣列特征，所以能夠自動高亮16個孔，而且可以被其他軟件如計算機輔助制造和坐標測量機直接利用，所以又稱為“機器可讀標注”。

盡管圖像層次標注可供視覺讀取，但是具備很多局限性，比如缺乏與特征的關聯、無法隨特征更新、更重要的是無法被下游智能制造軟件直接利用，這其實是一個值得警覺的信息流斷檔。因為三維模型定義的功效遠不止于設計環節。實際上設計只是一個前奏，更加宏偉的樂章奏響于計算機輔助制造、檢測、增材制造（3D打印）、工藝乃至大數據分析等一系列應用。

數控機床程序可以讀取三維表面處理標注及其關聯特征，自動選擇刀具，編排軌跡和步進速度。

三維坐標測量機可以根據模型和標注自動定義采樣軌跡，而且比對實物采樣點的坐標和模型理想坐標，自動判斷產品是否滿足標注公差要求，即合格與否。據有些廠商反映，僅采樣軌跡編排一個步驟，智能關聯標注可以極大的提高自動化程度，可以把原本4-8小時的手動編排任務降低到5-15分鐘。endprint

三維數字掃描檢測的原理類似，只不過采樣點擴大為整個實物掃描影像，與模型比對，根據公差自動判斷是否合格，如圖4所示。

有了三維模型檢測，增材制造（三維打印）的流程也更加水到渠成：直接從模型打印和檢測，而無需二維工程圖。例如通用電氣測量和控制部門計劃擴展三維打印，因而需要三維定義和檢測來理順流程。

再如計算機工藝計劃可以根據三維標注要求自動安排工序，如車、銑、刨、磨和冷熱處理等步驟。

最后，上述三維信息和應用，使大數據分析有了用武之地。例如RollsRoyce分析大批量的三維檢測數據，反饋給設計和制造部門，從而優化設計，提高成品率。一個常見的大數據案例就是挖掘合格率與公差要求、人員、機床、溫度、時間等因素的相關性。

總結一下，關于標注，RollsRovce的心得是：正確創建三維標注是實現真正的三維模型企業的關鍵。標注應該盡量保證“機器可讀”（數據來源：Technical DataPackage for the Digital Enterprise， Kong Ma， RollsRoyce Corp，2014年）。值得注意的是，2014年底發布的STEP 242第一版不僅包含三維標注，而且特意要求超越圖像層次，實現“機器可讀”（數據來源：Industrial automation svstems and integration——Product data representation and exchange——Part 242：Application protocol：Managed model-based 3D engineering， ISO10303-242：2014）。另外STEP還適合長時間（跨度大于70年）文件的保存和提取。新的STEP格式無疑讓上述智能制造應用如魚得水。

三、不要排除打印紙質文檔

除了上述數字化應用，很多生產環境往往還需要紙質文檔，比如在野外嚴寒環境中帶著手套施工，在狹小的汽輪機內部裝配，或在車間雙手沾滿潤滑油操作機器，數字終端往往不適合使用。三維模型定義強調升級換代二維工程圖，并不強求無紙化辦公。事實上，美國Hill空軍基地在AlO攻擊機機翼維護項目的標書中明確規定：零件報告要適于打印。電子三維PDF文檔中的可視信息在打印文檔中要一覽無余，而且無需特殊修改（數據來源：DraftPerformance Work Statement（PWS）ForAutomatic 3D Part Report Generation and Associated Engineering Services（A3DPRG），Hill Air Force Base，2014年）。表4總結了三維模型定義打印的若干注意事項。

四、不要停留在初級三維PDF

三維PDF只需要極為普及的Adobe閱讀器就可以動態顯示三維模型，受到廣泛青睞。在過去的十多年里，這項技術突飛猛進，由最初的U3D格式，到PRC格式，再到2014年底PRC格式被國際標準化組織（ISO）認證為IS0 147392014標準（數據來源：IS0 147391：2014， Document management——3D use of Product Representation Compact （PRC）format——Part l：PRC10001）。最新技術的數據準確性、豐富性和關聯性都有了很大的進步，因而推薦我國企業在良莠不齊的三維PDF當中注意甄別。尤其是U3D格式已經停止了更新，其最后一次發布還是2007年，所以盡量避免大規模使用。圖5和圖6對比了兩種三維PDF差別。

最根本的是數據的準確性。如上節驗證文件質量所述，數據轉換一定要注意保真度，否則后患無窮。IS0 147392014標準的PRC格式三維PDF可以保證與CAD模型偏差小于1微米，滿足絕大多數加工和檢測要求。而其他形式的三維PDF保真度可能遠達不到l微米。簡單的視覺瀏覽或許差強人意，但是如果用于指導制造，就漏洞百出了。在保證準確性的基礎上，PRC的格式還盡量壓縮數據，方便交流傳播。

其次是數據的豐富性。實際生產級別的三維PDF除了常見的一個三維視圖，還應該嚴格遵循CAD模型當中的重要制造信息，如三維標注、技術要求、模型屬性（零件號和版本等）、材質和材料明細表等。另外應該盡量匹配支持CAD模型當中的設計元素，如多配置、顯示模式和訂制視圖等。更理想的是通過訂制多視圖、多頁面、多表格的模板來管理輸出形式，服務于不同類型的制造文檔。

最后值得注意的是數據的關聯性。如圖3所示，具備智能含義的關聯標注顯然比圖像層次更具優勢，可以為下游智能制造鋪路，應該是努力的目標。而且生產使用的三維PDF應該保持材料明細表與裝配模型的雙向關聯性：選擇一個零部件，相應的表格單元應該高亮顯示；反向亦然。

五、結語

綜上所述，三維模型定義的實施在產品設計和制造方面需要考慮大量細節，本文和上文解釋了“四要和四不要”。至此，根據國內外幾十家企業的反饋，從“人員，流程和產品”三方面總結的實施經驗系列文章暫時告一段落。本系列的“十要和十不要”（表5）只是蜻蜒點水，遠非完整的實施手冊。真正的實踐涵蓋的內容非常廣泛，而且與企業自身習慣息息相關。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。endprint