自20世紀(jì)90年代開始,以波音公司為代表的國外先進(jìn)企業(yè)先后搭建DCAC/MRM(Define and Control Airplane Configuration/Manufacturing Resource Management,飛機(jī)構(gòu)型定義及控制/制造源管理系統(tǒng))和GCE(Global Collaborative Environment,全球協(xié)同設(shè)計環(huán)境)等先進(jìn)的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng),采用MBD(Model Based Definition,基于模型定義)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了百分之百的數(shù)字化產(chǎn)品定義,最終使得其產(chǎn)品波音777和787的研制周期大幅縮短。其中,波音777比波音767縮短近50%,設(shè)計更改和返工率減少一半,裝配時出現(xiàn)的問題數(shù)量減少50%~80%。
MBD技術(shù)是產(chǎn)品數(shù)字化定義的最新階段,與國內(nèi)目前主流采用的二維工程圖加三維模型不同,它是用集成的三維實(shí)體模型來完整表達(dá)產(chǎn)品定義信息的方法,通過三維實(shí)體模型、屬性參數(shù)和三維注釋等圖文信息,詳細(xì)描述產(chǎn)品形狀、尺寸公差、制造要求、檢驗要求等完整設(shè)計與制造信息。由于基于模型的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品信息單一數(shù)據(jù)源的完整定義,以二維圖樣作為主要制造依據(jù)不再必要,三維數(shù)字化模型成為生產(chǎn)制造過程的唯一依據(jù)。另一方面,由于MBD技術(shù)無可比擬的直觀性和與其他計算機(jī)輔助技術(shù)的集成,在航天、航空等復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計與制造過程中發(fā)揮出顯著的作用和效益,正逐步取代傳統(tǒng)二維模型,成為新的工程定義標(biāo)準(zhǔn),并得到廣泛應(yīng)用。產(chǎn)品數(shù)據(jù)定義方式的發(fā)展歷程如圖1所示。
國內(nèi)航空企業(yè)如成飛、沈飛、黎陽等,由于與波音、空客是業(yè)務(wù)合作伙伴的關(guān)系,這些企業(yè)在MBD技術(shù)的探索和實(shí)踐上走在了前列,取得了顯著的成效。此外,中航一飛院MBD技術(shù)的效果驚人,設(shè)計周期因此縮短40%,生產(chǎn)準(zhǔn)備周期縮短75%,制造周期縮短30%,在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)MBD技術(shù)在大飛機(jī)研制中規(guī);Ⅲw系化應(yīng)用,達(dá)到了波音B787的水平。
1 MBD標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀
為全面提高產(chǎn)品質(zhì)量,增強(qiáng)企業(yè)核心競爭能力,航天兩大集團(tuán)公司及所屬企業(yè)先后引進(jìn)并實(shí)施了MBD技術(shù)和方法,但作為傳統(tǒng)國有企業(yè),也同時面對大量的問題和矛盾。
圖1 產(chǎn)品數(shù)據(jù)定義方式的發(fā)展
1.1 標(biāo)準(zhǔn)覆蓋不夠完善
國外企業(yè)為了適應(yīng)和推動MBD技術(shù)的發(fā)展,在波音等企業(yè)的參與下制定了ASME Y14.41-2003《數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)實(shí)施規(guī)程》,隨后國際標(biāo)準(zhǔn)化組織也發(fā)布了ISO 16792-2006《技術(shù)產(chǎn)品文件數(shù)字產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則》,波音公司在實(shí)際應(yīng)用中更是頒布了基于模型定義MBD BDS-600系列標(biāo)準(zhǔn),國內(nèi)雖然也先后頒布了GB/T 24734.1~.10-2009《技術(shù)產(chǎn)品文件數(shù)字化產(chǎn)品定義》、GB/T 26099.1~.4-2010《機(jī)械產(chǎn)品三維建模通用規(guī)則》、GB/T 26100-2010《機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)通用要求》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)族,但這些標(biāo)準(zhǔn)由于各種主客觀原因存在一定的交叉和沖突,使企業(yè)的工程實(shí)踐面臨困惑。
1.2 標(biāo)準(zhǔn)宣貫實(shí)施存在差異
由于設(shè)計軟件系統(tǒng)(Pro/Engineer、CATIA、NX等)不一致,對標(biāo)準(zhǔn)的理解程度存在差異等諸多主客觀原因,對現(xiàn)有國際、國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的宣貫在企業(yè)中并不完全一致,雖然在一般的廠所不會引起太大的沖突,但對于航天型號這種存在廣泛協(xié)同的復(fù)雜產(chǎn)品,在制造信息交換、設(shè)計信息傳遞等方面就暴露出了各種各樣的問題。
1.3 人員水平參差不齊
MBD技術(shù)相對傳統(tǒng)的工程制圖還是比較新的技術(shù)和方法。而航天的工程技術(shù)人員,特別是標(biāo)準(zhǔn)化人員的水平參差不齊,在實(shí)際工作中,無法適應(yīng)新技術(shù)的應(yīng)用推廣,從而造成模型設(shè)計和圖樣繪制水平參差不齊,影響了產(chǎn)品意圖的傳遞和正確表達(dá)。
面對國防裝備迫切的科研生產(chǎn)形勢,以及依靠簡單的培訓(xùn)無法滿足有效提高結(jié)構(gòu)類產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)質(zhì)量的工作要求,開展和實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)工具化,通過開發(fā)可配置的模型標(biāo)準(zhǔn)化檢查軟件工具,實(shí)現(xiàn)基于標(biāo)準(zhǔn)的自動化檢查、修改或輔助修改過程,成為從根本上解決產(chǎn)品(三維模型)數(shù)據(jù)質(zhì)量問題的必然通路。
2 MBD三維模型標(biāo)準(zhǔn)化檢查的思路與方法
2.1 從標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范提煉檢查規(guī)則
許多企業(yè)經(jīng)過多年的學(xué)習(xí)、探索和實(shí)踐,紛紛制定了符合自身實(shí)際的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。如,航天科技集團(tuán)公司所屬的一院,航天科工集團(tuán)公司所屬的二院、三院和四院先后頒布了有關(guān)“基于三維模型的設(shè)計制造規(guī)范”的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),對產(chǎn)品(三維模型)數(shù)據(jù)的創(chuàng)建、管理提供了規(guī)范,也為實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)工具化創(chuàng)造了條件。
檢查規(guī)則實(shí)質(zhì)上就是對國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、工作經(jīng)驗的整理和提煉,形成對模型數(shù)據(jù)質(zhì)量要求的具體描述和數(shù)據(jù)指標(biāo),也就是一般意義所描述的“標(biāo)準(zhǔn)建模”;但不同干一般規(guī)范性文件側(cè)重概括全面、用詞嚴(yán)謹(jǐn),以便于發(fā)布指導(dǎo)性文檔,檢查規(guī)則強(qiáng)調(diào)指向具體、指標(biāo)可量化、信息結(jié)構(gòu)化,以便于執(zhí)行。檢查規(guī)則通常表述為“模型應(yīng)包含/不包含某內(nèi)容”,或者“模型的某項指標(biāo)屬于某值域范圍”。
通過檢查規(guī)則使原本文字化的、描述性的文字和內(nèi)容,可以直接用于軟件產(chǎn)品的開發(fā),實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化檢查的工具化、自動化。
2.2 基于規(guī)則實(shí)現(xiàn)檢查自動化
有了檢查規(guī)則,就具備了標(biāo)準(zhǔn)工具化的基礎(chǔ),因為檢查規(guī)則不僅包含了對正確情況的描述,同時也為修復(fù)錯誤指明了方向。以模型參數(shù)為例,若檢查規(guī)則為“模型必須包含參數(shù)CPARA,且參數(shù)值為空”,縱觀模型所有參數(shù),無非出現(xiàn)如下兩種情況:一是模型包含CPARA參數(shù);二是模型不包含CPARA參數(shù)。對于前者,需要進(jìn)一步對CPARA的參數(shù)值執(zhí)行清空處理(無論其原來是否已經(jīng)賦予參數(shù)值);對于后者則需要添加參數(shù)CPARA并將參數(shù)值置空。顯然,一旦規(guī)則確定,上述檢查和修復(fù)過程完全可通過軟件實(shí)現(xiàn)自動處理。模型參數(shù)檢查邏輯如圖2所示。
圖2 模型參數(shù)檢查邏輯圖
但是,并非所有的規(guī)則都可以實(shí)現(xiàn)檢查后的自動處理。例如,直徑小而深度大的孔(簡稱“深孔”)對鉆頭的強(qiáng)度剛度要求高、且不利于排屑,加工性能差,可設(shè)置檢查規(guī)則“深孔的深度/直徑比不得大于4”的規(guī)則對此類情況進(jìn)行檢查,深孔檢查邏輯圖如圖3所示。通過對特征樹的分析,提取到孔特征的深度和直徑,并進(jìn)行相應(yīng)的計算和判斷,即可實(shí)現(xiàn)自動檢查過程。但是,縱然發(fā)現(xiàn)孔的深度/直徑比大于4,也無法確定如何修復(fù),因為既可能通過增大孔的直徑,也可能通過減小孔的深度來滿足規(guī)則要求。而具體采取何種方式,需要設(shè)計人員綜合考慮決定。實(shí)際上,與模型幾何相關(guān)的規(guī)則,都只能依靠軟件進(jìn)行檢查,而不能依靠軟件自行修改,而應(yīng)由設(shè)計人員進(jìn)行慎重的處理。
圖3 深孔檢查邏輯圖
需要注意的是,一些非常規(guī)的特征設(shè)計,可能是設(shè)計人員為滿足某種需求而有意為之,盡管加工難度較大,但卻不能避免。因此,如果說對于參數(shù)類的規(guī)則,檢查結(jié)果只有“正確”和“錯誤”之分的話,那么對于幾何類的規(guī)則,檢查結(jié)果應(yīng)當(dāng)增加“警告”類的情況,而設(shè)計人員可對“警告”采取“忽略”的處理。
2.3 檢查規(guī)則的分類與選用配置
為便于對檢查規(guī)則進(jìn)行管理,以及將選用控制等質(zhì)量管理行為直接作用于產(chǎn)品設(shè)計階段,檢查規(guī)則的內(nèi)容性質(zhì)大致分為4大類:模型屬性信息檢查規(guī)則、建模規(guī)范性檢查規(guī)則、可制造性檢查規(guī)則和三維標(biāo)注檢查規(guī)則。
其中,模型屬性信息一般包括文件名稱、密級、圖號、單位制、模型公差和參數(shù)等內(nèi)容;建模規(guī)范性檢查主要包括基準(zhǔn)、參考,以及建模命令的選擇等是否恰當(dāng);可制造性檢查主要關(guān)注模型的工藝性能,包括材料、模型尺寸等內(nèi)容。同時包括各加工方式對模型特征的要求,如鉆孔對孔深、孔徑、孔距以及和材料邊沿的距離等內(nèi)容;三維標(biāo)注主要針對標(biāo)注樣式以及假尺寸等內(nèi)容。
實(shí)際應(yīng)用時,根據(jù)需要選取不同類別下的若干規(guī)則條目組成一個規(guī)則庫(標(biāo)準(zhǔn)模型庫),通過適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行存儲和發(fā)布,以實(shí)現(xiàn)不同需要的自檢和檢查。其中,由于企業(yè)、產(chǎn)品的不同,批次的檢查要求也往往不同,例如單位制不同、公差等級不同、模型參數(shù)不同等。因此,具體的規(guī)則條目可以根據(jù)具體要求進(jìn)行配置,如單位制選擇“毫米 /克 /”或者“英寸/磅/秒”,“深孔”的定義深度/直徑比不得大于多少,等等,并通過本單位的信息化設(shè)計環(huán)境進(jìn)行加載和實(shí)施。
2.4 基于規(guī)則的檢查流程
由于基于檢查規(guī)則可實(shí)現(xiàn)軟件自動執(zhí)行檢查過程并報告結(jié)果,相對傳統(tǒng)人工檢查方式更簡單而高效。基于規(guī)則的檢查流程如圖4所示。
圖4 基于規(guī)則的檢查流程示意圖
首先,確定待檢模型及其對應(yīng)的檢查規(guī)則;然后軟件根據(jù)規(guī)則的要求,自動對模型數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和判斷,快速執(zhí)行檢查過程;檢查結(jié)果以三種方式:“正確”、“錯誤”和“警告”進(jìn)行報告。如果全部規(guī)則都檢查通過,則直接輸出無問題的檢查報告。如果存在問題,則利用軟件根據(jù)規(guī)則自動修復(fù)“錯誤”信息,利用軟件的高亮顯示、提示建議等手動處理“警告”信息,直至模型問題修復(fù)完畢。
如果執(zhí)行檢查的人不具有對模型進(jìn)行修改的權(quán)限或資質(zhì),也可以直接輸出相應(yīng)的檢查報告,作為模型附件,一同反饋給具有修改權(quán)限的人員。
2.5 應(yīng)用模式的創(chuàng)新
檢查規(guī)則不僅讓軟件自動檢查成為可能,更重要的是可以改變傳統(tǒng)的文件簽審工作方式。根據(jù)QJ 1714.9A-1998《航天產(chǎn)品設(shè)計文件管理制度設(shè)計文件簽署規(guī)定》的相關(guān)要求,航天產(chǎn)品設(shè)計文件簽署須遵循“設(shè)計一校對一審核一工藝一會簽一標(biāo)審一批準(zhǔn)”的串行工作模式,主要依靠人工檢查,不僅效率低下,而且退回及修改都是全過程重復(fù),這對工程技術(shù)人員及企業(yè)都是一種浪費(fèi)。
而采用基于規(guī)則的三維模型標(biāo)準(zhǔn)化檢查,設(shè)計師在設(shè)計過程中即可通過自檢發(fā)現(xiàn)并解決數(shù)據(jù)質(zhì)量問題,負(fù)責(zé)校對、審核、標(biāo)審、工藝等環(huán)節(jié)的人員,則可將工作重心投入到國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及最佳工作經(jīng)驗等規(guī)則的提煉,編制和優(yōu)化模型數(shù)據(jù)的檢查要求并形成檢查規(guī)則;谝(guī)則的應(yīng)用模式創(chuàng)新如圖5所示。
基于規(guī)則的軟件檢查工具可以在兩個維度上實(shí)現(xiàn)批量操作:一是可一次執(zhí)行M條規(guī)則條目的檢查;二是一次檢查可應(yīng)用于N個模型對象。執(zhí)行效率相對人工方式大幅提高,同時還可避免漏檢、錯檢。
3 三維模型標(biāo)準(zhǔn)化檢查系統(tǒng)的設(shè)計實(shí)現(xiàn)與部署
基于規(guī)則的三維模型標(biāo)準(zhǔn)化檢查系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)三大功能:①實(shí)現(xiàn)檢查規(guī)則的配置、存儲;②實(shí)現(xiàn)基于規(guī)則的模型數(shù)據(jù)提取判斷,按“正確”、“錯誤”和“警告”等方式報告檢查結(jié)果;③實(shí)現(xiàn)基于規(guī)則的自動修改、高亮提示或處理建議。
圖5 基于規(guī)則的應(yīng)用模式對現(xiàn)實(shí)工作改進(jìn)的示意圖
系統(tǒng)主要由三大功能模塊構(gòu)成:規(guī)則庫、檢查規(guī)則配置和模型綜合檢查。其中,規(guī)則庫由實(shí)施單位的工程技術(shù)人員及標(biāo)準(zhǔn)化等專業(yè)人員根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)經(jīng)驗進(jìn)行提煉和優(yōu)化。規(guī)則編輯器是根據(jù)具體的產(chǎn)品、型號,對規(guī)則的詳細(xì)內(nèi)容進(jìn)行配置的工具,生成只針對該批次(類型)產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)的規(guī)則文件。模型綜合檢查是基于設(shè)計軟件(如Pro/Engineer、CATIA、NX等)進(jìn)行二次開發(fā)的插件工具,可根據(jù)規(guī)則文件對模型進(jìn)行檢查和修改,確保通過檢查的模型滿足規(guī)則的所有要求;谝(guī)則的三維模型標(biāo)檢系統(tǒng)如圖6所示。
圖6 基于規(guī)則的三維模型標(biāo)檢系統(tǒng)示意圖
3.1 規(guī)則庫模塊與檢查規(guī)則配置模塊
檢查規(guī)則配置模塊提供可視化的界面,以便對檢查規(guī)則的詳細(xì)內(nèi)容進(jìn)行配置。規(guī)則配置模塊的規(guī)則條目取自規(guī)則庫,二者聯(lián)系十分緊密,合稱“規(guī)則編輯器”。規(guī)則編輯器的人機(jī)交互界面主要由四部分組成(如圖7所示):A為規(guī)則條目列表區(qū),其中顯示了所有添加到當(dāng)前規(guī)則文件的所有規(guī)則條目;B為功能區(qū),主要為對規(guī)則列表進(jìn)行添加、刪除、清空等操作按鈕,其中“添加”按鈕可以呼出規(guī)則庫,實(shí)現(xiàn)新檢查規(guī)則條目的添加;C區(qū)為模型過濾區(qū),用于指定該規(guī)則條目的適用范圍;D區(qū)為規(guī)則的詳細(xì)配置區(qū)。
圖7 規(guī)則編輯器模塊
根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)完成規(guī)則文件的配置后,可以利用“導(dǎo)出”功能將檢查規(guī)則轉(zhuǎn)化生成XML文件。通過XML規(guī)則文件的共享,即可實(shí)現(xiàn)檢查標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一。
3.2 模型綜合檢查模塊
模型綜合檢查模塊能夠自動識別規(guī)則編輯器模塊生成的規(guī)則文件,并根據(jù)指令自動執(zhí)行檢查動作,其人際交互界面主要由三部分組成(如圖8所示):A為待檢模型選擇區(qū),用于指定檢查對象;B為檢查動作區(qū),包含“開始檢查”和檢出錯誤的“一鍵處理”等功能;C為檢查結(jié)果的報告和處理區(qū),將檢查結(jié)果以“正確”、“錯誤”和“警告”進(jìn)行報告.并提供了過濾功能。在檢查結(jié)果列表中點(diǎn)擊“警告”條目,可令對應(yīng)的模型幾何區(qū)域高亮顯示,單擊“處理建議”按鈕,可以獲取內(nèi)嵌的針對性幫助信息。
圖8 模型綜合檢查模塊
3.3 系統(tǒng)部署
系統(tǒng)采用的規(guī)則編輯器模塊與模型綜合檢查模塊相對獨(dú)立,十分便于分布式應(yīng)用,其典型的部署方式如圖9所示。企業(yè)設(shè)計模型與外來數(shù)據(jù)需要滿足一定的要求才可進(jìn)入PDM(產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理)系統(tǒng),因此必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查和修復(fù)。每個設(shè)計工位及負(fù)責(zé)處理外來數(shù)據(jù)的工位均安裝模型綜合檢查模塊,而負(fù)責(zé)制定檢查規(guī)則的標(biāo)準(zhǔn)化工位則安裝規(guī)則編輯器模塊。標(biāo)檢人員向各個工位發(fā)布與其工作任務(wù)對應(yīng)的規(guī)則文件,并確保規(guī)則的完整性和準(zhǔn)確性;設(shè)計人員和負(fù)責(zé)處理外來數(shù)據(jù)的工作人員利用收到的規(guī)則文件,啟動模型綜合檢查模塊,實(shí)現(xiàn)對模型的批量檢查和處理。模型處理完畢后,即可順利檢入PDM系統(tǒng)。
4 實(shí)施效果與展望
航天科工集團(tuán)公司所屬二院多個單位通過實(shí)施三維模型標(biāo)準(zhǔn)化檢查系統(tǒng),顯著提高了應(yīng)對三維模型質(zhì)量問題的能力。不僅設(shè)計數(shù)據(jù)的規(guī)范性大大提高,而且外協(xié)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)也利用標(biāo)檢工具實(shí)現(xiàn)了快速的檢查修復(fù)、新產(chǎn)品生成,并顯著提高了工程技術(shù)人員的工作水平和生產(chǎn)效率,如使原本需要耗費(fèi)設(shè)計師兩周時間進(jìn)行處理的外協(xié)模型數(shù)據(jù)規(guī)范化,現(xiàn)只需20min即可完成。
圖9 標(biāo)檢系統(tǒng)部署示意圖
目前,這套結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)工具系統(tǒng)在工藝性檢查方面的能力還相對薄弱,對可制造性檢查的規(guī)則庫尚沒有完全建立起來,未來需要加強(qiáng)對零件可制造性和三維標(biāo)注規(guī)范性等內(nèi)容開展深入研究,不斷增強(qiáng)檢查范圍、能力,從而更好地確保產(chǎn)品數(shù)據(jù)質(zhì)量,提高產(chǎn)品研制水平。
標(biāo)準(zhǔn)提升質(zhì)量效益,標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)造美好生活,標(biāo)準(zhǔn)的工具化更為新時期標(biāo)準(zhǔn)化工作以及標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施與效果評價開辟了一條新的道路。這其中更加需要廣大的工程技術(shù)人員群策群力、積極參與,為企業(yè)的發(fā)展,為國防事業(yè)的進(jìn)步,為國家富強(qiáng)貢獻(xiàn)自己的力量。
核心關(guān)注:拓步ERP系統(tǒng)平臺是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用,蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想,集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念,功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理,全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域,是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。
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本文標(biāo)題:實(shí)施三維設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)工具化有效提高結(jié)構(gòu)產(chǎn)品質(zhì)量
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