吴军

本期作者将深入讨论实施三维模型定义的具体实施案例：重点介绍美国海军航空作战中心 Lakehurst飞机分部。包括背景、现有流程、急需解决的问题、改进后的流程、试点项目、项目经费、财务和非财务方面的收效、经验教训和下一步计划等。希望对我国制造企业有所借鉴。值得关注的是，三维模型定义如果开展得当，经费和时间的投入，以及风险完全可以控制在企业能力之内，而带来的效益都是非常显著的。后续文章将深入分析更多实施案例、行业标准、最新技术、实际应用和注意事项等。

三维模型定义的概念已经提出了很多年，但是在我国的实际应用并不普遍。然而近年来在美国取得了重要的突破。先进技术和方法层出不穷，不但很多组织和企业通过实践取得了明显收效，而且总结了大量经验。三维模型定义甚至在 2013年被列为美国国防工业重点战略之一。（数据来源：Department ofDefense，Annual Industrial Capabilities Report to Congress，2013年）。本文将从政府项目的角度详细介绍美国海军的实施历程。

一、背景介绍

美国海军航空作战中心飞机分部（Naval Air Warfare Center AircraftDivision，NAWCAD）是专门提供飞机发射和回收设备，以及海军航空保障设备的部门。

（1）发射和回收设备包括飞机弹射器（图 1）、拦阻发动机和路障，以及航空母舰和其他具备航空能力舰艇上面的飞机目视着陆辅助装置。

（2）保障设备指测试、修理和维护飞机所需要的设备。（数据来源：DEPARTMENT OF THE NAVY，Summary and results of the Commercial Technologies for Maintenance Activities （CTMA）， Model Based Definition （MBD） for AircraftLaunch， Recovery， and Support Equipment Project，2013年）。

二、现有生产流程

新机型引进、服役机型老化保养、工程故障排查等任务经常需要变更舰载设备。新泽西州 Lakehurst飞机分部负责这些设备的设计、开发和维护。目前，尽管工程部门已经使用了三维软件，其他环节如样品制造以及大批量零部件的生产和检测仍然使用二维工程文档来完成。流程如下。

（1）设计部门采用三维 CAD软件创建计算机模型。

（2）模型生成二维工程图，定义全部尺寸，发布完整的工程图纸。

（3）二维工程图转化为 PDF文件，发送到样品制造部门。

（4）样品制造部门使用多种 CAD/CAM软件，根据二维工程图重新建模。然后把新模型输入到数控机床，按照特定的加工操作生成刀具路径，制作样品。

（5）样品制造完成后，发送到质量部门进行检测。质量人员比对样品和二维工程图，验证是否满足图样的尺寸和工差要求。

（6）样品功能测试，保证符合设计要求。

（7）测试通过后，二维工程图被批准并发布到合同部门。

（8）合同部门选定外包加工厂商，发送订单和二维工程图。

（9）加工厂商根据二维工程图重新建模，完成数控批量生产；如果无法进行数控生产，那么就按照传统二维图样流程批量生产。

简而言之，三维模型在设计部门被投影生成二维工程图，然后样品制造部门和加工厂商两个环节手动根据二维工程图重建三维模型。显而易见，这样的流程效率低下，因为宝贵的时间和精力被浪费在二维和三维数据之间来回转换。而且手工重复输入数据容易引入各种错误。

另外上述流程还只是一路绿灯、顺利通过的情况。实际生产当中，即使二维工程图发布给下游生产环节之后，由于样品测试不通过、批量加工不可行或者成本太高等原因，还是经常需要设计变更。这就很可能意味着上游三维设计要改，二维图样要改，下游样品部门和多个加工厂商重建的大量三维模型也要改。本来就费时费力的设计变更，复杂度被上述的二维三维转换成倍放大。

三、改进后的生产流程

针对上述问题，Lakehurst飞机分部尝试了三维模型定义，在各个生产环节统一使用三维技术数据包（TechnicalData Packages，TDP，包括三维PDF和内嵌的STEP文件），还创建了以下三组关键的指导文件，从而完全避免了传统的二维图样。

（1）三维模型定义的规范和标准。

（2）三维PDF的模板和格式。

（3）数字模型验证证书。

确立了上述指导文件之后，如图 2两个产品（机翼挂架整流罩拆卸安装支架和直升机拖车的连接装置）被立项作为试点，采用下列改进的新流程。

（1）设计：使用三维 CAD软件按照需求设计新的或修改已有产品。

（2）输出文档：按照美国 ASME Y14.41标准，在三维模型上面定义完整的三维标注，并且输出三维模型定义数据包（三维 PDF以及内嵌 STEP文件）。

（3）评估可生产性：可生产性工程师审查设计，并与设计工程师一起根据生产过程进行优化设计，从而避免可生产性缺陷。常见缺陷如图3所示，比如堵塞的孔、裂缝、空缺和薄壁。几何模型和三维注释都要经过三维评估软件的验证。根据审查评估结果，工程师更新模型设计。可生产性分析是至关重要的一个步骤，越早评估和纠正错误，损失越小。细节如表 1所示。

（4）检入产品生命周期管理系统：把模型保存检入到海军航空系统司令部批准的产品生命周期管理系统。

（5）发布三维模型定义：根据批准的 PDF模板，把模型发布到三维 PDF文件，并确立三维 PDF为三维数据交流通用格式。endprint

（6）检查：三维 PDF将由工程师和可加工性专家再次检查。审核完成后，工程师将根据评估建议修改模型并更新三维 PDF和 STEP文件。

（7）比较模型：工程师利用软件工具，分析比较三维PDF、STEP和原始 CAD文件，确认模型一致。

（8）发布：工程师将发布模型，并且使用软件工具签署数字验证证书。然后把 STEP文件和验证证书嵌入到三维 PDF文件中。

（9）安全加密：PDF文件将会被加密，被送往样品制造部门。

（10）制造样品：样品部门将生产设备原型样品。这个步骤使用 STEP文件驱动数控机床自动加工。

（11）质检：质量部门将利用坐标测量机（CoordinateMeasuring Machine，CMM）抽取数字采样点的坐标，并与 STEP文件比对来检查零件质量。偏差值在三维标注公差范围之内判定为合格；否则不合格。之后进行功能测试。

（12）批量生产：原型样品通过尺寸和功能测试之后，三维模型定义数据包将被发送到合同部门和供应链进行大规模生产。

四、项目经费

上述两个试点项目按照改进后的流程，总共花销共约178万人民币，以下是详细清单。

（1）部门批准项目经费 66万人民币。

（2）人力成本共 1220小时，团队一共 12人。工时约合 70万人民币，如表 2所示。

（3）软件厂商赞助的价值 42万人民币的软件。另外，整个 Lakehurst中心的基础设施改善项目得到了约 200万人民币的批准经费。因为这笔经费不止用于三维模型定义的试点项目，而且是分批落实，直到项目结束之后才完全到位，所以并未计入上述项目经费。但是改善的基础设备会直接影响到项目的成果。

从投资的角度讲，非常令人欣慰的是这两个试点在经费和时间上的投入并非遥不可及，完全是在很多中国企业可以接受的范围之内。举例来说。

（1）2009年，中国工业企业数量约为 43万（数据来源：国家统计局，中国工业统计数据库，2009年）。由于没有 2014年的最新数据，这里按照年平均 GDP增长 7.5%来估算，2014年工业企业数量增长到 62万。2014年工业（第二产业）固定投资 204515亿元（数据来源：国家统计局，2014年全国固定资产投资（不含农户）增长 15.7%，2015年）。那么平均每家企业固定资产投资约为3300万元。而上述两个试点项目总经费 178万元，只占平均每家企业固定资产投资的 5.4%。所以说只要我国的企业有决心，三维模型定义的投资应该是力所能及的。

（2）上述试点的人力成本共1220小时，团队一共12人。那么人均投入约100小时，不到三周。所以从工时角度讲，三维模型定义的投资小，见效快。当然，整个试点周期要长于三周，原因是有些环节必须按照先后顺序进行，无法并行。另外2013年夏天美国政府被迫关闭，职员强制休假，项目进度也受到影响。

（3）美国的人力成本非常昂贵。美国海军 1220个工时的成本是 70万人民币，约合每小时 570元。而我国制造企业的工时成本大概只有 1/5到 1/10，要低很多。

（4）从试点项目的选择来讲，我国的企业可以根据自身情况循序渐进。不一定要像美国海军那样从规模较大的两个产品开始。建议从一个小规模试点开始摸索。积累经验，锻炼团队，为未来项目做铺垫。这样投资风险也会降低很多。逐渐熟练之后，可以向深度和广度拓展。关于试点和实施建议，欢迎关注后续文章。

五、三维模型定义带来的收益

Lakehurst分部的收效非常令人鼓舞。最明显的，也是最容易追踪记录的收益是直接减少了当前流程中的重复劳动。根据两个项目的初步估计，通过实施三维模型定义每年将节省超过 2000万人民币，如表 3所示。

（数据来源：DEPARTMENT OF THENAVY，DEPARTMENT OF THENAVY，Summary and results of the Commercial Technologies for Maintenance Activities （CTMA）， Model Based Definition （MBD） for Aircraft Launch， Recovery， and SupportEquipment Project，2013年）

新项目的开发周期预计可以减少 33%，还可以显著降低制造误差，从而压低返工量，降低成本。此外，高保真的三维模型定义帮助增强工程、制造和其他项目关键人员之间的沟通与协作。清晰无歧义的领会设计意图避免了生产部门反复向设计部门询问关键特征。比如质量部门表示，检测新产品所需的时间可以减少。

工程与制造（可生产性分析）步骤之间的协同，不仅有利于降低新设计的成本，还有助于针对制造偏差和检验结果向工程师提供设计反馈。更进一步，三维模型定义还可以促进海军航空分部与外围供应链之间实现更好的协调。

六、技术转型实施建议

试点很重要的意义是总结经验。Lakehurst分部分享了下列实施建议。

（1）针对变化，向团队充分沟通并提供必要的培训。

与任何新技术的实施一样，一个团队认可和采用三维模型定义流程，需要显著的文化和思路改变。就好象从二维设计到三维设计的转变，或者从手工纸质图样到计算机辅助设计（CAD）的转变。因此，充分及时的沟通和必要培训至关重要。

（2）升级基础设施。为了使得技术人员在车间环境能够查看数字化三维数据，从而顺利的执行加工和制造任务，基础设施的升级提供了有力的保障，比如车间中的数字显示屏、局域网以及相应的软件工具。

（3）与产品生命周期管理集成。endprint

通过试验，一系列的软件工具通过了日常办公室环境的评估，比如创建三维 PDF文件和验证三维模型等。虽然这些软件在小规模实施中效果很好，要想真正实现三维模型定义对整个海军的巨大节约潜力，这些软件必需能够集成到现有产品生命周期管理系统，而且海军还可能需要它们的高级企业级版本。这将帮助进一步实现自动化和集成化，比如自动发布和存储三维数据包（包括三维 PDF、STEP文件和其他需要的文件）。另外与三维数据包关联的隐性数据，比如零件号、材料、设计师等等，也应该与产品生命周期管理系统集成，而且可以作为搜索参数。

（4）实现自动化的工作流程。

产品生命周期管理的自动化工作流程提供了几个优势：为工程师简化流程，而且确保所有批准程序和规定得到统一的遵守。自动化可以通过创建产品生命周期管理系统中的工作流程来实现。

（5）验证三维模型。

新的流程牵扯原始 CAD模型、中间格式（STEP文件或其他格式）和三维 PDF。在生产数据交流当中，一定要注意验证输出的三维模型跟原始设计是否一致。而且不只过政府财政预算，政府被迫关闭并强制工作人员休假。Lakehurst中心三维模型定义项目也受到了延误，而且收集到的跟踪数据不够全面。所以接下来一个重要任务是进一步收集比较数据。接着按照新流程继续试点若干新项目，来更详细地量化三维模型定义的收益潜力。迄今最大的一个三维模型定义实施项目已经被确立：E-2D旋转天线罩维修支架（图 4和图 5）。除此之外，其他几个规模稍小的项目也即将上马。

需要验证模型本身，还需要验证三维标注和隐含属性。曾经有一家供应商按照客户提供的三维数据进行了下一步的设计和生产。结果半年之后才发现客户提供的三维数据与原始 CAD设计相差甚远，浪费了大量的时间和人力，甚至导致法律纠纷。

Lakehurst中心的流程是通过比较 STEP文件和 CAD模型来验证工程师的意图。更进一步，验证三维 PDF将保证外围供应链和制造商能够放心准确的使用甚至测量三维PDF的模型。

（6）向深度和广度扩展应用。

三维 PDF可以拓展到多种生产应用，比如检测文档。另外三维 PDF的动画功能可以帮助创建工艺手册、装配指导书、焊接说明书和产品手册等。这使得三维模型定义数据能够直接提升多个下游生产环节的效率，带来显著效益。

七、下一步计划

2013年，试点项目进行期间，由于美国国会拒绝通过政府财政预算，政府被迫关闭并强制工作人员休假。Lakehurst 中心三维模型定义项目也受到了延误，而且收集到的跟踪数据不够全面。所以接下来一个重要任务是进一步收集比较数据。接着按照新流程继续试点若干新项目，来更详细地量化三维模型定义的收益潜力。迄今最大的一个三维模型定义实施项目已经被确立：E-2D 旋转天线罩维修支架（图4 和图5）。除此之外，其他几个规模稍小的项目也即将上马。

上述从政府项目的角度，介绍了美国海军航空作战中心 Lakehurst飞机分部的实践经验。数据证明，三维模型定义并非遥不可及。如果开展得当，经费和时间的投入完全可以控制在我国企业的能力之内，而且可以带来巨大的经济效益。关键是更新观念、勇于尝试、关注最新的技术发展、总结经验、循序渐进。希望我国也能尽快实现类似的收效。如果您想了解更多，欢迎关注后续文章，也欢迎加入微信MBD-MBE讨论，或与 oboe.Wu@3DS.com联系。 IMendprint