吳軍

上期文章總結(jié)了三維模型定義（MBD）實(shí)施過程中，在產(chǎn)品方面的四點(diǎn)建議：選好一兩種制造文檔作為突破口；清晰的組織和呈現(xiàn)三維標(biāo)注和視圖；訂制標(biāo)準(zhǔn)化模板；驗(yàn)證模型、標(biāo)注和衍生文件質(zhì)量。三維模型定義實(shí)施當(dāng)中產(chǎn)品方面的“四要和四不要”如表1所示。本文將強(qiáng)調(diào)注意避免的常見錯(cuò)誤。

一、不要省略關(guān)鍵標(biāo)注

省略關(guān)鍵標(biāo)注是三維模型定義受到下游生產(chǎn)環(huán)節(jié)、尤其是供應(yīng)鏈抵觸的一個(gè)常見原因。甚至有的加工廠誤解三維模型定義是“不負(fù)責(zé)任的偷懶”。因?yàn)樗麄兊目蛻粢灰夤滦兄惶峁┤S模型。沒有二維工程圖、也沒有三維標(biāo)注。理由是信息在模型當(dāng)中，加工廠只需要測量模型就可以了。但現(xiàn)實(shí)當(dāng)中，車間還是需要關(guān)鍵尺寸和公差標(biāo)注來加工和檢測，所以被迫根據(jù)缺失標(biāo)注的三維PDF或模型，自己生成二維工程圖，添加標(biāo)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(jìn)，相反吃了虧：“可能我們的客戶節(jié)省了點(diǎn)時(shí)間，因?yàn)樗麄儾恍枰S工程圖，也不需要標(biāo)注了。但是工作量被轉(zhuǎn)嫁到我們頭上?！备猩跽?，一旦加工廠自行生成的二維圖樣違背了客戶設(shè)計(jì)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(xiàn)質(zhì)量問題，互相指責(zé)很難避免：“你們沒有測量模型！”“你們沒有標(biāo)明加工尺寸和公差！”由此對簿公堂也不罕見。

如下六點(diǎn)總結(jié)了在三維設(shè)計(jì)模型中，明確標(biāo)注關(guān)鍵特征可以帶來的好處和避免的問題。

（l）企業(yè)設(shè)計(jì)部門最了解產(chǎn)品用途、設(shè)計(jì)意圖、重要特征和技術(shù)要求，因此最具權(quán)威在清晰的標(biāo)注中傳達(dá)關(guān)鍵信息。如果省略這些標(biāo)注，而放手任人解讀，很容易造成誤會(huì)。而且下游制造環(huán)節(jié)本身會(huì)受利益驅(qū)使，傾向?qū)χ圃爝^程最有利的解讀，但并不一定對整個(gè)產(chǎn)品質(zhì)量最有利。

（2）設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的標(biāo)注不光是單向傳遞制造信息，而且是一個(gè)督促設(shè)計(jì)人員反思、審核乃至改進(jìn)設(shè)計(jì)和可制造性的機(jī)會(huì)。跳過這個(gè)步驟意味著失去了一個(gè)審核改進(jìn)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(guān)鍵尺寸，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，更重要的是容易遺漏設(shè)計(jì)要求甚至忽視加工錯(cuò)誤，因?yàn)殛P(guān)鍵信息隱藏在模型中不可見。由此會(huì)危及質(zhì)量、延長工期且提高成本，尤其是供應(yīng)商的報(bào)價(jià)會(huì)升高。反之，明確的標(biāo)注不僅方便每條信息的讀取，而且還作為視覺提醒，呈現(xiàn)了一個(gè)完整的檢查清單。

（4）下游環(huán)節(jié)不一定能夠準(zhǔn)確熟練的使用Adobe閱讀器或CAD軟件當(dāng)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(gè)尺寸5.076mm和5.Omm，該相信哪一個(gè)？這就體現(xiàn)了正確使用工具的重要性。表2對比了錯(cuò)誤和正確的使用。然而要得到正確的結(jié)果，還需要提前按下圖2的兩個(gè)按鈕：面捕捉和垂直尺寸。由此可見一些細(xì)節(jié)很容易導(dǎo)致誤讀以及制造失誤。而且這還只是一個(gè)簡單的螺絲，試想在復(fù)雜的裝配體成千上萬個(gè)零件當(dāng)中，如此測量失誤在所難免，所以還不如把關(guān)鍵尺寸都標(biāo)注出來，盡量避免不必要的麻煩。

（5）從轉(zhuǎn)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(biāo)注避免不必要的沖突，讓讀圖人員體會(huì)到“三維模型定義不會(huì)比二維圖樣減少信息，而只會(huì)提供更多的清晰度和功能，我的工作會(huì)更容易?！边@樣實(shí)施會(huì)更容易接受和成功。

（6）另外注意區(qū)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(dǎo)致歧義：幸運(yùn)的話，車間可能按照約定俗成的常規(guī)公差加工和檢測。即使這樣，真正設(shè)計(jì)的公差要求也無從知曉。也許某些零件常規(guī)公差即可；但也可能更嚴(yán)格的公差要求因?yàn)闆]有標(biāo)注而被忽視，導(dǎo)致廢品。不幸的話，有些模型連常規(guī)公差都沒有要求，讓生產(chǎn)人員無所適從。當(dāng)然還有一種可能性是設(shè)計(jì)人員專門在草圖或特征當(dāng)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(biāo)注，既避免了重新創(chuàng)建，又避免了多次手動(dòng)查找。

注意關(guān)鍵標(biāo)注并非要求完全定義整個(gè)模型，因?yàn)椴⒎撬刑卣鞫际顷P(guān)鍵，反而可能重要細(xì)節(jié)只在少數(shù)。所以在適當(dāng)?shù)膱龊贤耆梢院喕瘶?biāo)注。關(guān)于簡化程度，表3是美國軍標(biāo)3IOOOA的劃分和應(yīng)用場合：完全定義、部分定義和最簡定義。

當(dāng)然，明晰的關(guān)鍵標(biāo)注在未來完全集成的自動(dòng)化生產(chǎn)流程中可能不再如此重要，因?yàn)闄C(jī)器和軟件可以直接利用模型隱含數(shù)據(jù)進(jìn)行公差分析、工藝規(guī)劃、加工、報(bào)價(jià)、檢測和采購等步驟（詳見下節(jié)），但是當(dāng)今絕大多數(shù)企業(yè)還沒有達(dá)到完全無縫數(shù)字化集成。只要有一個(gè)環(huán)節(jié)需要人工讀取制造信息，那么明晰的標(biāo)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(biāo)注

上節(jié)主要從人員讀圖的角度解釋了三維標(biāo)注的重要性，下面介紹比視覺圖像更深的一個(gè)層次，即具備智能含義和關(guān)聯(lián)性的標(biāo)注。二者的區(qū)別可以由圖3的示例說明：上圖為圖像層次的標(biāo)注，供視覺讀取。但實(shí)際上標(biāo)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(biāo)注中所有數(shù)字、字母或幾何公差只是由形似的圖像曲線構(gòu)成，而非真正的數(shù)字、字母或幾何公差。內(nèi)含的缺失導(dǎo)致無法被其他軟件程序讀取，所以稱為“人工可讀標(biāo)注”；下圖是具備智能含義的關(guān)聯(lián)標(biāo)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(dòng)高亮16個(gè)孔，而且可以被其他軟件如計(jì)算機(jī)輔助制造和坐標(biāo)測量機(jī)直接利用，所以又稱為“機(jī)器可讀標(biāo)注”。

盡管圖像層次標(biāo)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(guān)聯(lián)、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(shí)是一個(gè)值得警覺的信息流斷檔。因?yàn)槿S模型定義的功效遠(yuǎn)不止于設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。實(shí)際上設(shè)計(jì)只是一個(gè)前奏，更加宏偉的樂章奏響于計(jì)算機(jī)輔助制造、檢測、增材制造（3D打?。?、工藝乃至大數(shù)據(jù)分析等一系列應(yīng)用。

數(shù)控機(jī)床程序可以讀取三維表面處理標(biāo)注及其關(guān)聯(lián)特征，自動(dòng)選擇刀具，編排軌跡和步進(jìn)速度。

三維坐標(biāo)測量機(jī)可以根據(jù)模型和標(biāo)注自動(dòng)定義采樣軌跡，而且比對實(shí)物采樣點(diǎn)的坐標(biāo)和模型理想坐標(biāo)，自動(dòng)判斷產(chǎn)品是否滿足標(biāo)注公差要求，即合格與否。據(jù)有些廠商反映，僅采樣軌跡編排一個(gè)步驟，智能關(guān)聯(lián)標(biāo)注可以極大的提高自動(dòng)化程度，可以把原本4-8小時(shí)的手動(dòng)編排任務(wù)降低到5-15分鐘。endprint

三維數(shù)字掃描檢測的原理類似，只不過采樣點(diǎn)擴(kuò)大為整個(gè)實(shí)物掃描影像，與模型比對，根據(jù)公差自動(dòng)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?。┑牧鞒桃哺铀角桑褐苯訌哪Ｐ痛蛴『蜋z測，而無需二維工程圖。例如通用電氣測量和控制部門計(jì)劃擴(kuò)展三維打印，因而需要三維定義和檢測來理順流程。

再如計(jì)算機(jī)工藝計(jì)劃可以根據(jù)三維標(biāo)注要求自動(dòng)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(yīng)用，使大數(shù)據(jù)分析有了用武之地。例如RollsRoyce分析大批量的三維檢測數(shù)據(jù)，反饋給設(shè)計(jì)和制造部門，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高成品率。一個(gè)常見的大數(shù)據(jù)案例就是挖掘合格率與公差要求、人員、機(jī)床、溫度、時(shí)間等因素的相關(guān)性。

總結(jié)一下，關(guān)于標(biāo)注，RollsRovce的心得是：正確創(chuàng)建三維標(biāo)注是實(shí)現(xiàn)真正的三維模型企業(yè)的關(guān)鍵。標(biāo)注應(yīng)該盡量保證“機(jī)器可讀”（數(shù)據(jù)來源：Technical DataPackage for the Digital Enterprise， Kong Ma， RollsRoyce Corp，2014年）。值得注意的是，2014年底發(fā)布的STEP 242第一版不僅包含三維標(biāo)注，而且特意要求超越圖像層次，實(shí)現(xiàn)“機(jī)器可讀”（數(shù)據(jù)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(shí)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(yīng)用如魚得水。

三、不要排除打印紙質(zhì)文檔

除了上述數(shù)字化應(yīng)用，很多生產(chǎn)環(huán)境往往還需要紙質(zhì)文檔，比如在野外嚴(yán)寒環(huán)境中帶著手套施工，在狹小的汽輪機(jī)內(nèi)部裝配，或在車間雙手沾滿潤滑油操作機(jī)器，數(shù)字終端往往不適合使用。三維模型定義強(qiáng)調(diào)升級換代二維工程圖，并不強(qiáng)求無紙化辦公。事實(shí)上，美國Hill空軍基地在AlO攻擊機(jī)機(jī)翼維護(hù)項(xiàng)目的標(biāo)書中明確規(guī)定：零件報(bào)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(shù)據(jù)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(jié)了三維模型定義打印的若干注意事項(xiàng)。

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(dòng)態(tài)顯示三維模型，受到廣泛青睞。在過去的十多年里，這項(xiàng)技術(shù)突飛猛進(jìn)，由最初的U3D格式，到PRC格式，再到2014年底PRC格式被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）認(rèn)證為IS0 147392014標(biāo)準(zhǔn)（數(shù)據(jù)來源：IS0 147391：2014， Document management——3D use of Product Representation Compact （PRC）format——Part l：PRC10001）。最新技術(shù)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、豐富性和關(guān)聯(lián)性都有了很大的進(jìn)步，因而推薦我國企業(yè)在良莠不齊的三維PDF當(dāng)中注意甄別。尤其是U3D格式已經(jīng)停止了更新，其最后一次發(fā)布還是2007年，所以盡量避免大規(guī)模使用。圖5和圖6對比了兩種三維PDF差別。

最根本的是數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。如上節(jié)驗(yàn)證文件質(zhì)量所述，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換一定要注意保真度，否則后患無窮。IS0 147392014標(biāo)準(zhǔn)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(shù)加工和檢測要求。而其他形式的三維PDF保真度可能遠(yuǎn)達(dá)不到l微米。簡單的視覺瀏覽或許差強(qiáng)人意，但是如果用于指導(dǎo)制造，就漏洞百出了。在保證準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，PRC的格式還盡量壓縮數(shù)據(jù)，方便交流傳播。

其次是數(shù)據(jù)的豐富性。實(shí)際生產(chǎn)級別的三維PDF除了常見的一個(gè)三維視圖，還應(yīng)該嚴(yán)格遵循CAD模型當(dāng)中的重要制造信息，如三維標(biāo)注、技術(shù)要求、模型屬性（零件號和版本等）、材質(zhì)和材料明細(xì)表等。另外應(yīng)該盡量匹配支持CAD模型當(dāng)中的設(shè)計(jì)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(wù)于不同類型的制造文檔。

最后值得注意的是數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性。如圖3所示，具備智能含義的關(guān)聯(lián)標(biāo)注顯然比圖像層次更具優(yōu)勢，可以為下游智能制造鋪路，應(yīng)該是努力的目標(biāo)。而且生產(chǎn)使用的三維PDF應(yīng)該保持材料明細(xì)表與裝配模型的雙向關(guān)聯(lián)性：選擇一個(gè)零部件，相應(yīng)的表格單元應(yīng)該高亮顯示；反向亦然。

五、結(jié)語

綜上所述，三維模型定義的實(shí)施在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造方面需要考慮大量細(xì)節(jié)，本文和上文解釋了“四要和四不要”。至此，根據(jù)國內(nèi)外幾十家企業(yè)的反饋，從“人員，流程和產(chǎn)品”三方面總結(jié)的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)系列文章暫時(shí)告一段落。本系列的“十要和十不要”（表5）只是蜻蜒點(diǎn)水，遠(yuǎn)非完整的實(shí)施手冊。真正的實(shí)踐涵蓋的內(nèi)容非常廣泛，而且與企業(yè)自身習(xí)慣息息相關(guān)。如果您想了解更多，歡迎關(guān)注后續(xù)文章，比如實(shí)施案例、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、最新技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)等，也歡迎與Oboe.MBD@gmail.com聯(lián)系討論。來信提出建議、想法、問題的同仁，都會(huì)免費(fèi)得到一份精美的三維PDF。endprint