自20世紀90年代開始，以波音公司為代表的國外先進企業先后搭建DCAC/MRM(Define and Control Airplane Configuration/Manufacturing Resource Management，飛機構型定義及控制/制造源管理系統)和GCE(Global Collaborative Environment，全球協同設計環境)等先進的數字化網絡信息系統，采用MBD(Model Based Definition，基于模型定義)技術，實現了百分之百的數字化產品定義，最終使得其產品波音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%，設計更改和返工率減少一半，裝配時出現的問題數量減少50%～80%。
MBD技術是產品數字化定義的最新階段，與國內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體模型來完整表達產品定義信息的方法，通過三維實體模型、屬性參數和三維注釋等圖文信息，詳細描述產品形狀、尺寸公差、制造要求、檢驗要求等完整設計與制造信息。由于基于模型的數字化實現了產品信息單一數據源的完整定義，以二維圖樣作為主要制造依據不再必要，三維數字化模型成為生產制造過程的唯一依據。另一方面，由于MBD技術無可比擬的直觀性和與其他計算機輔助技術的集成，在航天、航空等復雜產品設計與制造過程中發揮出顯著的作用和效益，正逐步取代傳統二維模型，成為新的工程定義標準，并得到廣泛應用。產品數據定義方式的發展歷程如圖1所示。
國內航空企業如成飛、沈飛、黎陽等，由于與波音、空客是業務合作伙伴的關系，這些企業在MBD技術的探索和實踐上走在了前列，取得了顯著的成效。此外，中航一飛院MBD技術的效果驚人，設計周期因此縮短40%，生產準備周期縮短75%，制造周期縮短30%，在國內首次實現MBD技術在大飛機研制中規模化、體系化應用，達到了波音B787的水平。
1 MBD標準現狀
為全面提高產品質量，增強企業核心競爭能力，航天兩大集團公司及所屬企業先后引進并實施了MBD技術和方法，但作為傳統國有企業，也同時面對大量的問題和矛盾。
圖1 產品數據定義方式的發展
1.1 標準覆蓋不夠完善
國外企業為了適應和推動MBD技術的發展，在波音等企業的參與下制定了ASME Y14.41-2003《數字化產品定義數據實施規程》，隨后國際標準化組織也發布了ISO 16792-2006《技術產品文件數字產品定義數據通則》，波音公司在實際應用中更是頒布了基于模型定義MBD BDS-600系列標準，國內雖然也先后頒布了GB/T 24734.1～.10-2009《技術產品文件數字化產品定義》、GB/T 26099.1～.4-2010《機械產品三維建模通用規則》、GB/T 26100-2010《機械產品數字樣機通用要求》等相關標準族，但這些標準由于各種主客觀原因存在一定的交叉和沖突，使企業的工程實踐面臨困惑。
1.2 標準宣貫實施存在差異
由于設計軟件系統(Pro/Engineer、CATIA、NX等)不一致，對標準的理解程度存在差異等諸多主客觀原因，對現有國際、國內標準的宣貫在企業中并不完全一致，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同的復雜產品，在制造信息交換、設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技術相對傳統的工程制圖還是比較新的技術和方法。而航天的工程技術人員，特別是標準化人員的水平參差不齊，在實際工作中，無法適應新技術的應用推廣，從而造成模型設計和圖樣繪制水平參差不齊，影響了產品意圖的傳遞和正確表達。
面對國防裝備迫切的科研生產形勢，以及依靠簡單的培訓無法滿足有效提高結構類產品設計數據質量的工作要求，開展和實施標準工具化，通過開發可配置的模型標準化檢查軟件工具，實現基于標準的自動化檢查、修改或輔助修改過程，成為從根本上解決產品（三維模型）數據質量問題的必然通路。
2 MBD三維模型標準化檢查的思路與方法
2.1 從標準規范提煉檢查規則
許多企業經過多年的學習、探索和實踐，紛紛制定了符合自身實際的企業標準。如，航天科技集團公司所屬的一院，航天科工集團公司所屬的二院、三院和四院先后頒布了有關“基于三維模型的設計制造規范”的企業標準，對產品（三維模型）數據的創建、管理提供了規范，也為實施標準工具化創造了條件。
檢查規則實質上就是對國家標準、行業標準、企業標準、工作經驗的整理和提煉，形成對模型數據質量要求的具體描述和數據指標，也就是一般意義所描述的“標準建模”；但不同干一般規范性文件側重概括全面、用詞嚴謹，以便于發布指導性文檔，檢查規則強調指向具體、指標可量化、信息結構化，以便于執行。檢查規則通常表述為“模型應包含/不包含某內容”，或者“模型的某項指標屬于某值域范圍”。
通過檢查規則使原本文字化的、描述性的文字和內容，可以直接用于軟件產品的開發，實現標準化檢查的工具化、自動化。
2.2 基于規則實現檢查自動化
有了檢查規則，就具備了標準工具化的基礎，因為檢查規則不僅包含了對正確情況的描述，同時也為修復錯誤指明了方向。以模型參數為例，若檢查規則為“模型必須包含參數CPARA，且參數值為空”，縱觀模型所有參數，無非出現如下兩種情況：一是模型包含CPARA參數；二是模型不包含CPARA參數。對于前者，需要進一步對CPARA的參數值執行清空處理（無論其原來是否已經賦予參數值）；對于后者則需要添加參數CPARA并將參數值置空。顯然，一旦規則確定，上述檢查和修復過程完全可通過軟件實現自動處理。模型參數檢查邏輯如圖2所示。
圖2 模型參數檢查邏輯圖
但是，并非所有的規則都可以實現檢查后的自動處理。例如，直徑小而深度大的孔（簡稱“深孔”）對鉆頭的強度剛度要求高、且不利于排屑，加工性能差，可設置檢查規則“深孔的深度/直徑比不得大于4”的規則對此類情況進行檢查，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，并進行相應的計算和判斷，即可實現自動檢查過程。但是，縱然發現孔的深度/直徑比大于4，也無法確定如何修復，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則要求。而具體采取何種方式，需要設計人員綜合考慮決定。實際上，與模型幾何相關的規則，都只能依靠軟件進行檢查，而不能依靠軟件自行修改，而應由設計人員進行慎重的處理。
圖3 深孔檢查邏輯圖
需要注意的是，一些非常規的特征設計，可能是設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，如果說對于參數類的規則，檢查結果只有“正確”和“錯誤”之分的話，那么對于幾何類的規則，檢查結果應當增加“警告”類的情況，而設計人員可對“警告”采取“忽略”的處理。
2.3 檢查規則的分類與選用配置
為便于對檢查規則進行管理，以及將選用控制等質量管理行為直接作用于產品設計階段，檢查規則的內容性質大致分為4大類：模型屬性信息檢查規則、建模規范性檢查規則、可制造性檢查規則和三維標注檢查規則。
其中，模型屬性信息一般包括文件名稱、密級、圖號、單位制、模型公差和參數等內容；建模規范性檢查主要包括基準、參考，以及建模命令的選擇等是否恰當；可制造性檢查主要關注模型的工藝性能，包括材料、模型尺寸等內容。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容；三維標注主要針對標注樣式以及假尺寸等內容。
實際應用時，根據需要選取不同類別下的若干規則條目組成一個規則庫（標準模型庫），通過適當的方式進行存儲和發布，以實現不同需要的自檢和檢查。其中，由于企業、產品的不同，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、模型參數不同等。因此，具體的規則條目可以根據具體要求進行配置，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計環境進行加載和實施。
2.4 基于規則的檢查流程
由于基于檢查規則可實現軟件自動執行檢查過程并報告結果，相對傳統人工檢查方式更簡單而高效。基于規則的檢查流程如圖4所示。
圖4 基于規則的檢查流程示意圖
首先，確定待檢模型及其對應的檢查規則；然后軟件根據規則的要求，自動對模型數據進行提取和判斷，快速執行檢查過程；檢查結果以三種方式：“正確”、“錯誤”和“警告”進行報告。如果全部規則都檢查通過，則直接輸出無問題的檢查報告。如果存在問題，則利用軟件根據規則自動修復“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，直至模型問題修復完畢。
如果執行檢查的人不具有對模型進行修改的權限或資質，也可以直接輸出相應的檢查報告，作為模型附件，一同反饋給具有修改權限的人員。
2.5 應用模式的創新
檢查規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的文件簽審工作方式。根據QJ 1714.9A-1998《航天產品設計文件管理制度設計文件簽署規定》的相關要求，航天產品設計文件簽署須遵循“設計一校對一審核一工藝一會簽一標審一批準”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，這對工程技術人員及企業都是一種浪費。
而采用基于規則的三維模型標準化檢查，設計師在設計過程中即可通過自檢發現并解決數據質量問題，負責校對、審核、標審、工藝等環節的人員，則可將工作重心投入到國家標準、行業標準以及最佳工作經驗等規則的提煉，編制和優化模型數據的檢查要求并形成檢查規則。基于規則的應用模式創新如圖5所示。
基于規則的軟件檢查工具可以在兩個維度上實現批量操作：一是可一次執行M條規則條目的檢查；二是一次檢查可應用于N個模型對象。執行效率相對人工方式大幅提高，同時還可避免漏檢、錯檢。
3 三維模型標準化檢查系統的設計實現與部署
基于規則的三維模型標準化檢查系統主要實現三大功能：①實現檢查規則的配置、存儲；②實現基于規則的模型數據提取判斷，按“正確”、“錯誤”和“警告”等方式報告檢查結果；③實現基于規則的自動修改、高亮提示或處理建議。
圖5 基于規則的應用模式對現實工作改進的示意圖
系統主要由三大功能模塊構成：規則庫、檢查規則配置和模型綜合檢查。其中，規則庫由實施單位的工程技術人員及標準化等專業人員根據標準和企業經驗進行提煉和優化。規則編輯器是根據具體的產品、型號，對規則的詳細內容進行配置的工具，生成只針對該批次（類型）產品模型數據的規則文件。模型綜合檢查是基于設計軟件（如Pro/Engineer、CATIA、NX等）進行二次開發的插件工具，可根據規則文件對模型進行檢查和修改，確保通過檢查的模型滿足規則的所有要求。基于規則的三維模型標檢系統如圖6所示。
圖6 基于規則的三維模型標檢系統示意圖
3.1 規則庫模塊與檢查規則配置模塊
檢查規則配置模塊提供可視化的界面，以便對檢查規則的詳細內容進行配置。規則配置模塊的規則條目取自規則庫，二者聯系十分緊密，合稱“規則編輯器”。規則編輯器的人機交互界面主要由四部分組成（如圖7所示）：A為規則條目列表區，其中顯示了所有添加到當前規則文件的所有規則條目；B為功能區，主要為對規則列表進行添加、刪除、清空等操作按鈕，其中“添加”按鈕可以呼出規則庫，實現新檢查規則條目的添加；C區為模型過濾區，用于指定該規則條目的適用范圍；D區為規則的詳細配置區。
圖7 規則編輯器模塊
根據相關標準完成規則文件的配置后，可以利用“導出”功能將檢查規則轉化生成XML文件。通過XML規則文件的共享，即可實現檢查標準的統一。
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則編輯器模塊生成的規則文件，并根據指令自動執行檢查動作，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，用于指定檢查對象；B為檢查動作區，包含“開始檢查”和檢出錯誤的“一鍵處理”等功能；C為檢查結果的報告和處理區，將檢查結果以“正確”、“錯誤”和“警告”進行報告．并提供了過濾功能。在檢查結果列表中點擊“警告”條目，可令對應的模型幾何區域高亮顯示，單擊“處理建議”按鈕，可以獲取內嵌的針對性幫助信息。
圖8 模型綜合檢查模塊
3.3 系統部署
系統采用的規則編輯器模塊與模型綜合檢查模塊相對獨立，十分便于分布式應用，其典型的部署方式如圖9所示。企業設計模型與外來數據需要滿足一定的要求才可進入PDM(產品數據管理)系統，因此必須對數據進行檢查和修復。每個設計工位及負責處理外來數據的工位均安裝模型綜合檢查模塊，而負責制定檢查規則的標準化工位則安裝規則編輯器模塊。標檢人員向各個工位發布與其工作任務對應的規則文件，并確保規則的完整性和準確性；設計人員和負責處理外來數據的工作人員利用收到的規則文件，啟動模型綜合檢查模塊，實現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。
4 實施效果與展望
航天科工集團公司所屬二院多個單位通過實施三維模型標準化檢查系統，顯著提高了應對三維模型質量問題的能力。不僅設計數據的規范性大大提高，而且外協數據和歷史數據也利用標檢工具實現了快速的檢查修復、新產品生成，并顯著提高了工程技術人員的工作水平和生產效率，如使原本需要耗費設計師兩周時間進行處理的外協模型數據規范化，現只需20min即可完成。
圖9 標檢系統部署示意圖
目前，這套結構設計標準工具系統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則庫尚沒有完全建立起來，未來需要加強對零件可制造性和三維標注規范性等內容開展深入研究，不斷增強檢查范圍、能力，從而更好地確保產品數據質量，提高產品研制水平。
標準提升質量效益，標準創造美好生活，標準的工具化更為新時期標準化工作以及標準實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人員群策群力、積極參與，為企業的發展，為國防事業的進步，為國家富強貢獻自己的力量。
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