实施三维设计标准工具化有效提高结构产品质量

曹啟国 李春雪

（1 北京航天航空大学 机械工程及自动化学院，北京，100191 2 中国航天科工集团第二研究院产品保证部，北京，100854 ）

自20世纪90年代开始，以波音公司为代表的国外先进企业先后搭建DCAC/MRM（Define and Control Airplane Configuration/Manufacturing Resource Management，飞机构型定义及控制/制造源管理系统）和GCE（Global Collaborative Environment，全球协同设计环境）等先进的数字化网络信息系统，采用MBD（Model Based Definition，基于模型定义）技术，实现了百分之百的数字化产品定义，最终使得其产品波音777和787 的研制周期大幅缩短。其中，波音777 比波音767 缩短近50%，设计更改和返工率减少一半，装配时出现的问题数量减少50%～80%[1]。

MBD 技术是产品数字化定义的最新阶段，与国内目前主流采用的二维工程图加三维模型不同，它是用集成的三维实体模型来完整表达产品定义信息的方法，通过三维实体模型、属性参数和三维注释等图文信息，详细描述产品形状、尺寸公差、制造要求、检验要求等完整设计与制造信息。由于基于模型的数字化实现了产品信息单一数据源的完整定义，以二维图样作为主要制造依据不再必要，三维数字化模型成为生产制造过程的唯一依据。另一方面，由于MBD 技术无可比拟的直观性和与其他计算机辅助技术的集成，在航天、航空等复杂产品设计与制造过程中发挥出显著的作用和效益，正逐步取代传统二维模型，成为新的工程定义标准，并得到广泛应用。产品数据定义方式的发展历程如图1所示。

1 MBD 标准现状

为全面提高产品质量，增强企业核心竞争能力，航天两大集团公司及所属企业先后引进并实施了MBD 技术和方法，但作为传统国有企业，也同时面对大量的问题和矛盾。

图 1 产品数据定义方式的发展

1.1 标准覆盖不够完善

国外企业为了适应和推动MBD 技术的发展，在波音等企业的参与下制定了ASME Y14.41-2003《数字化产品定义数据实施规程》，随后国际标准化组织也发布了ISO 16792-2006《技术产品文件 数字产品定义数据通则》，波音公司在实际应用中更是颁布了基于模型定义MBD BDS-600 系列标准。国内虽然也先后颁布了GB/T 24734.1～.10-2009《技术产品文件数字化产品定义》、GB/T 26099.1～.4-2010《机械产品三维建模通用规则》、GB/T 26100-2010《机械产品数字样机通用要求》等相关标准族，但这些标准由于各种主客观原因存在一定的交叉和冲突，使企业的工程实践面临困惑。

1.2 标准宣贯实施存在差异

由于设计软件系统（Pro/Engineer、CATIA、UG 等）不一致，对标准的理解程度存在差异等诸多主客观原因，对现有国际、国内标准的宣贯在企业中并不完全一致，虽然在一般的厂所不会引起太大的冲突，但对于航天型号这种存在广泛协同的复杂产品，在制造信息交换、设计信息传递等方面就暴露出了各种各样的问题。

1.3 人员水平参差不齐

MBD 技术相对传统的工程制图还是比较新的技术和方法。而航天的工程技术人员，特别是标准化人员的水平参差不齐，在实际工作中，无法适应新技术的应用推广，从而造成模型设计和图样绘制水平参差不齐，影响了产品意图的传递和正确表达。

面对国防装备迫切的科研生产形势，以及依靠简单的培训无法满足有效提高结构类产品设计数据质量的工作要求，开展和实施标准工具化，通过开发可配置的模型标准化检查软件工具，实现基于标准的自动化检查、修改或辅助修改过程，成为从根本上解决产品（三维模型）数据质量问题的必然通路。

2 MBD 三维模型标准化检查的思路与方法

2.1 从标准规范提炼检查规则

许多企业经过多年的学习、探索和实践，纷纷制定了符合自身实际的企业标准。如，航天科技集团公司所属的一院，航天科工集团公司所属的二院、三院和四院先后颁布了有关“基于三维模型的设计制造规范”的企业标准，对产品（三维模型）数据的创建、管理提供了规范，也为实施标准工具化创造了条件。

2.2对老年痴呆预防及早期干预认知情况 社区护士对老年痴呆预防及早期干预认知的正确率仅为4.1-47.4%,对每位调查者的正确率进行统计,发现正确率在80% 以上的护士仅3名。

检查规则实质上就是对国家标准、行业标准、企业标准、工作经验的整理和提炼，形成对模型数据质量要求的具体描述和数据指标，也就是一般意义所描述的“标准建模”；但不同于一般规范性文件侧重概括全面、用词严谨，以便于发布指导性文档，检查规则强调指向具体、指标可量化、信息结构化，以便于执行。检查规则通常表述为“模型应包含/不包含某内容”，或者“模型的某项指标属于某值域范围”。

通过检查规则使原本文字化的、描述性的文字和内容，可以直接用于软件产品的开发，实现标准化检查的工具化、自动化。

2.2 基于规则实现检查自动化

有了检查规则，就具备了标准工具化的基础，因为检查规则不仅包含了对正确情况的描述，同时也为修复错误指明了方向。以模型参数为例，若检查规则为“模型必须包含参数CPARA，且参数值为空”，纵观模型所有参数，无非出现如下两种情况：一是模型包含CPARA参数；二是模型不包含CPARA 参数。对于前者，需要进一步对CPARA 的参数值执行清空处理（无论其原来是否已经赋予参数值）；对于后者则需要添加参数CPARA 并将参数值置空。显然，一旦规则确定，上述检查和修复过程完全可通过软件实现自动处理。模型参数检查逻辑如图2所示。

图2 模型参数检查逻辑图

但是，并非所有的规则都可以实现检查后的自动处理。例如，直径小而深度大的孔（简称“深孔”）对钻头的强度刚度要求高、且不利于排屑，加工性能差，可设置检查规则“深孔的深度/直径比不得大于4”的规则对此类情况进行检查，深孔检查逻辑图如图3所示。通过对特征树的分析，提取到孔特征的深度和直径，并进行相应的计算和判断，即可实现自动检查过程。但是，纵然发现孔的深度/直径比大于4，也无法确定如何修复，因为既可能通过增大孔的直径，也可能通过减小孔的深度来满足规则要求。而具体采取何种方式，需要设计人员综合考虑决定。实际上，与模型几何相关的规则，都只能依靠软件进行检查，而不能依靠软件自行修改，而应由设计人员进行慎重的处理。

需要注意的是，一些非常规的特征设计，可能是设计人员为满足某种需求而有意为之，尽管加工难度较大，但却不能避免。因此，如果说对于参数类的规则，检查结果只有“正确”和“错误”之分的话，那么对于几何类的规则，检查结果应当增加“警告”类的情况，而设计人员可对“警告”采取“忽略”的处理。

2.3 检查规则的分类与选用配置

为便于对检查规则进行管理，以及将选用控制等质量管理行为直接作用于产品设计阶段，检查规则的内容性质大致分为4 大类：模型属性信息检查规则、建模规范性检查规则、可制造性检查规则和三维标注检查规则。

图3 深孔检查逻辑图

其中，模型属性信息一般包括文件名称、密级、图号、单位制、模型公差和参数等内容；建模规范性检查主要包括基准、参考，以及建模命令的选择等是否恰当；可制造性检查主要关注模型的工艺性能，包括材料、模型尺寸等内容。同时包括各加工方式对模型特征的要求，如钻孔对孔深、孔径、孔距以及和材料边沿的距离等内容；三维标注主要针对标注样式以及假尺寸等内容。

实际应用时，根据需要选取不同类别下的若干规则条目组成一个规则库（标准模型库），通过适当的方式进行存储和发布，以实现不同需要的自检和检查。其中，由于企业、产品的不同，批次的检查要求也往往不同，例如单位制不同、公差等级不同、模型参数不同等。因此，具体的规则条目可以根据具体要求进行配置，如单位制选择“毫米/千克/秒”或者“英寸/磅/秒”，“深孔”的定义深度/直径比不得大于多少，等等，并通过本单位的信息化设计环境进行加载和实施。

2.4 基于规则的检查流程

由于基于检查规则可实现软件自动执行检查过程并报告结果，相对传统人工检查方式更简单而高效。基于规则的检查流程如图4所示。

首先，确定待检模型及其对应的检查规则；然后软件根据规则的要求，自动对模型数据进行提取和判断，快速执行检查过程；检查结果以三种方式：“正确”、“错误”和“警告”进行报告。如果全部规则都检查通过，则直接输出无问题的检查报告。如果存在问题，则利用软件根据规则自动修复“错误”信息，利用软件的高亮显示、提示建议等手动处理“警告”信息，直至模型问题修复完毕。

如果执行检查的人不具有对模型进行修改的权限或资质，也可以直接输出相应的检查报告，作为模型附件，一同反馈给具有修改权限的人员。

2.5 应用模式的创新

检查规则不仅让软件自动检查成为可能，更重要的是可以改变传统的文件签审工作方式。根据QJ 1714.9A-1998《航天产品设计文件管理制度 设计文件签署规定》的相关要求，航天产品设计文件签署须遵循“设计-校对-审核-工艺-会签-标审-批准”的串行工作模式，主要依靠人工检查，不仅效率低下，而且退回及修改都是全过程重复，这对工程技术人员及企业都是一种浪费。

图4 基于规则的检查流程示意图

而采用基于规则的三维模型标准化检查，设计师在设计过程中即可通过自检发现并解决数据质量问题，负责校对、审核、标审、工艺等环节的人员，则可将工作重心投入到国家标准、行业标准以及最佳工作经验等规则的提炼，编制和优化模型数据的检查要求并形成检查规则。基于规则的应用模式创新如图5所示。

基于规则的软件检查工具可以在两个维度上实现批量操作：一是可一次执行M 条规则条目的检查；二是一次检查可应用于N 个模型对象。执行效率相对人工方式大幅提高，同时还可避免漏检、错检。

3 三维模型标准化检查系统的设计实现与部署

基于规则的三维模型标准化检查系统主要实现三大功能：①实现检查规则的配置、存储；②实现基于规则的模型数据提取判断，按“正确”、“错误”和“警告”等方式报告检查结果；③实现基于规则的自动修改、高亮提示或处理建议。

图5 基于规则的应用模式对现实工作改进的示意图

系统主要由三大功能模块构成：规则库、检查规则配置和模型综合检查。其中，规则库由实施单位的工程技术人员及标准化等专业人员根据标准和企业经验进行提炼和优化。规则编辑器是根据具体的产品、型号，对规则的详细内容进行配置的工具，生成只针对该批次（类型）产品模型数据的规则文件。模型综合检查是基于设计软件（如Pro/Engineer、CATIA、UG 等）进 行 二 次 开发的插件工具，可根据规则文件对模型进行检查和修改，确保通过检查的模型满足规则的所有要求。基于规则的三维模型标检系统如图6所示。

图6 基于规则的三维模型标检系统示意图

3.1 规则库模块与检查规则配置模块

检查规则配置模块提供可视化的界面，以便对检查规则的详细内容进行配置。规则配置模块的规则条目取自规则库，二者联系十分紧密，合称“规则编辑器”。规则编辑器的人机交互界面主要由四部分组成（如图7所示）：A 为规则条目列表区，其中显示了所有添加到当前规则文件的所有规则条目；B 为功能区，主要为对规则列表进行添加、删除、清空等操作按钮，其中“添加”按钮可以呼出规则库，实现新检查规则条目的添加；C 区为模型过滤区，用于指定该规则条目的适用范围；D 区为规则的详细配置区。

图7 规则编辑器模块

根据相关标准完成规则文件的配置后，可以利用“导出”功能将检查规则转化生成XML 文件。通过XML 规则文件的共享，即可实现检查标准的统一。

3.2 模型综合检查模块

模型综合检查模块能够自动识别规则编辑器模块生成的规则文件，并根据指令自动执行检查动作，其人际交互界面主要由三部分组成（如图8所示）：A 为待检模型选择区，用于指定检查对象；B 为检查动作区，包含“开始检查”和检出错误的“一键处理”等功能；C 为检查结果的报告和处理区，将检查结果以“正确”、“错误”和“警告”进行报告，并提供了过滤功能。在检查结果列表中点击“警告”条目，可令对应的模型几何区域高亮显示，单击“处理建议”按钮，可以获取内嵌的针对性帮助信息。

图8 模型综合检查模块

3.3 系统部署

系统采用的规则编辑器模块与模型综合检查模块相对独立，十分便于分布式应用，其典型的部署方式如图9所示。企业设计模型与外来数据需要满足一定的要求才可进入PDM（产品数据管理）系统，因此必须对数据进行检查和修复。每个设计工位及负责处理外来数据的工位均安装模型综合检查模块，而负责制定检查规则的标准化工位则安装规则编辑器模块。标检人员向各个工位发布与其工作任务对应的规则文件，并确保规则的完整性和准确性；设计人员和负责处理外来数据的工作人员利用收到的规则文件，启动模型综合检查模块，实现对模型的批量检查和处理。模型处理完毕后，即可顺利检入PDM 系统。

4 实施效果与展望

图9 标检系统部署示意图

航天科工集团公司所属二院多个单位通过实施三维模型标准化检查系统，显著提高了应对三维模型质量问题的能力。不仅设计数据的规范性大大提高，而且外协数据和历史数据也利用标检工具实现了快速的检查修复、新产品生成，并显著提高了工程技术人员的工作水平和生产效率，如使原本需要耗费设计师两周时间进行处理的外协模型数据规范化，现只需20min 即可完成。

目前，这套结构设计标准工具系统在工艺性检查方面的能力还相对薄弱，对可制造性检查的规则库尚没有完全建立起来，未来需要加强对零件可制造性和三维标注规范性等内容开展深入研究，不断增强检查范围、能力，从而更好地确保产品数据质量，提高产品研制水平。

标准提升质量效益，标准创造美好生活，标准的工具化更为新时期标准化工作以及标准实施与效果评价开辟了一条新的道路。这其中更加需要广大的工程技术人员群策群力、积极参与，为企业的发展，为国防事业的进步，为国家富强贡献自己的力量。

[1]范玉青，梅中义，陶剑．大型飞机数字化制造工程[M]．航空工业出版社，2011．

[2]郑宇钧．一飞院首次实现MBD 技术应用达到波音787 水平[N]．中国青年报，2013-08-09．