产品三维数字化设计规范&效率提升之路

产品三维数字化设计规范&效率提升之路

一、前言
       “一位美资企业结构部主管遇到件麻烦的事，他收到马来西亚制造工厂来邮件，产品试制组装遇到重大干涉，这是一个低级错误，却造成了60多万美元的经济损失，更导致错过思科对产品认证时间窗口，失去思科的第一供应商资质,公司上下震怒无比。究其原因是他手下一位年轻工程师忘了做三维干涉检查。”这是一件真事，据这位主管跟我讲，他们三维用得还不错，设计质量被工程师的水平决定了，而工程师之间水平差异较大，他希望找到一种可以系统性规避低级错误以及全面提升设计规范&效率的方法，并能够真正落地。”

二、现状分析
       的确虽然当今三维CAD已经进入普及时代，但事实上，很多企业三维CAD的应用还停留在原生态CAD软件的简单功能应用，三维CAD的应用并没有达到企业预期的效果，没有实现全三维数字化设计，三维仅是用于建模验证，二维工程图还与三维模型没有相关性，产品设计效率不但没有提升，反而有所下降。如何实现真正的全三维数字化设计，如何实现搭建合适的三维数字化标准设计平台，如何实现更好的三维模型知识库重用，从而走上三维数字化设计规范&设计效率提升之路，是大多数制造企业普遍面临的最迫切需要解决的问题。

三、解决方案
       企业三维研发应用成熟度国际上有5个阶段，第一阶段是2D阶段，第二阶段是2D/3D并存阶段，第三阶段是以3D为主的阶段，第四阶段是MBD全3D开发阶段，第五阶段是MBD全3D智能开发阶段。

       当下大多数企业仅处于第二阶段（2D/3D并存阶段），即企业购买主流的三维工具软件后，在软件原生态的配置环境下开展基础常规应用。而企业这样对软件的常规用法，并不能发挥三维工具软件最大的功效，也不能最大限度地提高设计效率，更谈不上设计规范，故三维软件使用过程中会碰到很多低级混乱的问题，如前序的低级干涉问题或低级的可制造性问题等；
如此要系统解决上述问题，企业需要基于自身业务特点，在三维工具软件基础上，定制开发三维数字化产品标准研发平台及模型重用知识库。从人员技能、设计环境、设计规范、数据自检、高效工具、最佳实践、重用知识库、智能设计等角度出发加强研发平台及知识库建设（详见下段），达到系统性规避低级错误，确保全面提升三维数字化设计规范&效率的目标真正落地，并向先进的MBD全3D智能开发模式迈进。
企业数字化产品标准研发平台建设包括如下7部分：
1. 规范统一：建立统一的结合CAD软件使用规范
2. 数据合规：建立产品数据标准与自动检查工具
3. 环境统一：建立统一&专用的产品开发环境
4. 效率工具：建立统一&高效的二维标注工具
5. 效率工具：建立统一&高效的三维标注工具
6. 最佳实践：提炼统一&标准的产品开发流程
7. 学习平台：建立网络学习平台精确学习
企业数字化模型重用知识库建设包括如下4部分：
1. 特征重用：建立常用特征库
2. 模型重用：建立通用模型库
3. 模块重用：建立产品模块设计模板库
4. 智能设计：建立产品模块的参数化快速设计库。

1. 企业数字化产品标准研发平台
1.1 建立统一的结合CAD软件使用规范
      根据企业的产品特点、设计要求以及根据三维CAD软件的特点，建立统一的软件使用规范。所有工程师在设计过程中必须遵守这些规范，从而使产生的庞大数据易于管理，同时保证数据的有条理性，方便技术人员之间的交流及协同设计，提升设计的标准化，提高设计效率。
软件使用规范建立前首先做基础研究，充分了解国家标准、行业标准、企业标准、业务流程、产品特点，了解相关标准&特点的基础上，开展规范编写。
标准规范一般包括：
 软件设计环境类，如：软件&标准环境安装、环境配置维护指南等
 软件基础应用类，如：通用建模规范、二维出图规范、标准件建立及维护指南、外购件模型要求等
 软件高级应用类，如：线缆设计规范、管路设计规范、运动分析规范
 产品设计应用类，如：产品总体装配结构规范、产品总布置骨架规范、部件衍生处理方法、部件设计骨架规范等
 数据管理应用类，如：数据整理检入PLM规范、工作区维护清理规范等

1.2 建立产品数据标准与自动检查工具
       如何确保设计低级错误归零？能快速自动检查所有工程师的产出数据是否符合企业数据标准规范要求及可制造性要求的定制开发工具非常有必要，数据自动检查工具确保了企业数据规范及可制造性要求得到彻底的贯彻落实；并可以把自动检查结果与检入PLM系统要求结合起来，使不符合规范的模型无法进入发放环节，从而确保设计低级错误归零。
自动检查内容包括：
 属性类，如：参数名、参数值、物料号、单位等
 建模规范类，如：特征循环参照，不完全装配等
 二维图规范类，如：图框、假尺寸、字体等
 可制造性类，如：有效干涉、孔到边距离（钣金）、槽底圆角（机加）、标准孔径等
主流三维工具软件一般不具备适合企业标准的检查工具，需要定制二次开发来实现这些功能，检查结果可以按企业要求格式报表输出。

1.3 建立统一&专用的产品开发环境
       根据国标、行标、企标以及企业的产品设计要求，配置开发CAD软件，建立符合企业要求的、统一的、专用的产品开发环境，并部署到所有工程师客户端，使所有工程师在统一的开发环境中进行产品设计，规范的开发环境提供经确认的标准各类库（如：材料库、图框库、符号库等），工程师在设计过程中实现高效的调用，从而提高设计质量和设计效率。
产品开发环境包括：
 软件功能配置、界面配置、快捷方式
 三维模板、整套二维图框、整套二维符号库
 材料库、注释库、打印配置库
 批量转化PDF、DXF功能
 自动保存机制、快速清除历史版本
 批量删除、增加、修改属性功能

1.4 建立统一&高效的二维标注工具
       当前主流三维工具软件原生态二维标注功能，在符合国标要求及标注效率方面都不理想，需要在工具软件标准功能基础上，二次开发出既符合我国标准又高效的二维标注工具，从而全面提升三维转二维出图的效率及规范性，真正实现二维工程图与三维模型一致并相关性。
二维快速标注工具功能包括：
 三维模型转二维快速投影视图、标注各类尺寸、各类修饰、各类公差、各类粗糙度、各类基准、各类行位公差、各类焊接、技术要求、明细栏、球标等。
 一键智能快速出图，自动去二维图名称、自动选图框、自动投影视图，快速公差等级选取，加强草绘功能，快速球标排序等。

1.5 建立统一&高效的三维标注工具
      当前在航空、航天、高科技行业的领头羊企业，已经逐渐不采用二维工程图来指导工艺生产，而是直接在三维模型上表达工艺制造信息，让带三维标注的模型直接下厂指导工艺生产。这种研发数据源唯一，模型及工艺制造信息集中于三维数字化模型一体的表达方式，确保工艺制造信息与模型的真正一致性，减少试制问题数量，减少二维工程图环节，减少了工艺师理解图纸的时间，大大缩短了产品开发周期。
      要把众多工艺制造信息表达在一个三维模型上，对标注信息的管理提出新的要求，否则模型会成为刺猬模型，不利于读取，所以在三维工具软件基础上二次开发出规范&高效的三维标注工具很有必要。

三维快速标注工具功能包括：
 全面高效的基于三维模型的标注工艺制造信息方式，包括标注各类尺寸、修饰、公差、粗糙度、基准、行位公差、焊接、技术要求等
 特有三维工程图管理模式，确保复杂零件三维标注快速明确查看
1.6 提炼统一&标准的产品开发最佳实践流程
       每个人的建模造型设计方法就好比人的个性一样千变万化，这种多样性造成模型质量不稳定；同样的零部件模型，由资深工程师与资浅工程师设计出来的质量差别很大，这种质量不稳定将影响衍生零部件模型变更的难度和效率，甚至影响产品本身质量的不稳定。我们需要对产品中关键的或复杂的典型零部件开展研究，提炼出它们的最佳实践开发流程，这样既可以大幅提升产品设计质量稳定性，还可提高设计效率及变更效率。
最佳实践流程的建立过程如下：

建立典型零件的最佳实践建模流程并编写成设计规范，更易于积累。

1.7 建立在线学习平台，基于角色推送精确的培训课程
       良好有效的培训是新技术推广的必要条件，但设计师们大多很难集中起来开展脱产的面授培训；建立企业内部在线学习平台，设计师可以利用碎片化时间及时有效学习，不需要脱产培训不会影响手头工作，就能学到新技术。在培训的同时可形成企业一整套的技术学习传递方法，逐步融合到企业人才培训体系中。
学习平台需包括如下功能：
 具备7X24可登陆学习
 基于角色（工作岗位）的课件及学习包可以推送给相应的用户
 课程内容按主题划分，确保精确学习
 可以把定制的培训课件导入学习平台
 具备必要的考试功能

2. 企业数字化模型重用知识库
2.1 建立常用特征库
       对产品中经常用到的重复特征分类整理，定义适合企业的常用特征库，如：凸包组合特征，凸包本身由3个普通特征组成，建成凸包组合特征后，从原来需要10几次鼠标的操作，减少为3次鼠标操作，大大提高了建模效率，同时提高了这类特征建模的规范化，这类规范特征变更很方便。

常用特征库包括功能：
 包含企业常用的特征库
 特征库按功能分类，可实施名称快速搜索，可预览组合特征形状
 组合特征使用过程有简图示意放置规则和方法
 组合特征方便创建、修改、删除&后期的维护
2.2 建立通用模型库
       设计师设计过程中经常用到紧固件模型、行标模型、企标模型、外购模型，如果没有模型库，只能自己建模，这种临时创建的通用件模型，既不规范也会导致重复工作，这种设计模式降低了设计效率，及设计质量。这些通用件模型应由标准化牵头统一建成规范的模型库，并开发出便于应用的相应功能，如：搜索、预览等；从而实现通用模型库应用效率及可维护性的大大提高。

通用件模型库功能包括：
 常用的国标紧固件、行标模型、企标模型、外购模型在整理后都放在模型库中管理及应用。
 通用模型库中先按标准分类，如国标紧固件、行标模型等，在某标准模型库中按模型类型分类，如：螺栓、螺钉、螺母等，在模型类型中按国标号分类，如GB72、GB10等。
 支持名称搜索、属性搜索、关键字搜索、图片预览、参数预览、快速装配。
 支持经固件组合智能装配、自动打孔。
 支持与集成PLM系统，确保与PLM系统中模型统一。
2.3 建立产品设计模板库
       针对产品模块结构的相似性，为了避免重复工作，将产品按照模块化划分&分类，并将每一类的模块典型实例共性抽取设计为模板，模板包含可参数化驱动的模型和关联的二维工程图；未来在进行某种产品的定单设计时，在模板库中找到相应的模板，参数化驱动调整模板主体参数，快速生成该模块大部分特征，再增加细节特征，即可快速生成需要的新产品模块和对应的工程图，大大提高设计效率。

2.4 建立产品模块的参数化快速设计库
       对产品各模块中共性的结构，在三维工具软件基础上二次开发，实现在CAD工具专有的界面中选择类型及输入参数的方式，快速得到产品模块三维模型、二维工程图模板以及BOM清单，整体提高三维模型设计效率80%以上，提高二维出图效率60%以上，提高出BOM清单效率90%以上。

对不同企业不同产品的模块参数化快速设计功能都不一样，总体来说业务价值如下：
 较大提高三维模型、二维工程图、物料清单设计效率
 确保标准化工作落地，实现标准化准确的融入三维模型设计之中
 实现新进工程师高质量设计，设计质量稳定
 实现产品设计知识库、模板库的积累

四、总结
       通过构筑企业三维数字化产品标准研发平台和模型重用知识库能够带来的潜在收益：提高产品设计效率、提升产品设计质量及质量稳定性，缩短产品研制周期并整体降低产品研制成本。