西北工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院 史小強 趙東平 寇 萌 張樹生

為了快速開發(fā)新產(chǎn)品，滿足客戶個性化要求，企業(yè)在產(chǎn)品的開發(fā)過程中需要不斷進行設(shè)計修改、質(zhì)量改進、安全隱患處理以及版本升級等一系列更改活動來確保和提升產(chǎn)品品質(zhì)。工程更改（Engineering Change，EC）是企業(yè)在產(chǎn)品開發(fā)過程中，根據(jù)企業(yè)內(nèi)部或者外部的需要，由相關(guān)人員按一定流程對于預(yù)發(fā)布或者已發(fā)布的產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行的更改[1-2]。隨著市場對小批量、多品種產(chǎn)品的需求日益增加，企業(yè)的更改活動日益頻繁，使得工程更改管理成為企業(yè)管理學(xué)和信息化研究的熱點問題，越來越受到企業(yè)的重視[3]。

傳統(tǒng)的工程更改信息表達是基于紙質(zhì)文檔的信息表達方法。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，工程更改電子表單和二維工程圖已經(jīng)成為工程更改信息的主要表達方法[4]。然而，隨著MBD技術(shù)的不斷推行，越來越多的制造企業(yè)在產(chǎn)品的設(shè)計和制造階段實施了MBD技術(shù)。在目前基于二維工程圖的工程更改管理中，企業(yè)需要不斷地在二維環(huán)境和三維環(huán)境之間進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，不但消耗了大量的企業(yè)資源，拖延了產(chǎn)品的上市時間，而且容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳遞的錯誤，降低了企業(yè)的競爭力。目前基于二維工程更改單的工程更改信息表達方法已經(jīng)不能滿足制造企業(yè)的需求，企業(yè)迫切需要基于MBD的工程更改管理信息表達方法來支持MBD技術(shù)在產(chǎn)品生命周期的全面實施。

基于MBD的工程更改管理信息表達的必要性

1 基于二維工程圖的工程更改信息表達

在產(chǎn)品的開發(fā)過程發(fā)生工程更改時，企業(yè)基于二維工程圖來表達工程更改管理信息，即在工程更改管理流程中逐步審簽，然后由設(shè)計人員、工藝人員等完成二維工程圖的修改、更新和版本升級。更改管理文檔通常以文字說明、草圖等形式表明更改原因、更改內(nèi)容以及更改要求等內(nèi)容，是工程更改管理信息表達的載體。某航空制造企業(yè)典型的二維工程更改單如圖1所示，該工程更改單需要結(jié)合圖號為H31872000的二維工程圖來表達更改信息。

二維工程更改單在工程更改的不同階段具有不同的作用。在提出更改請求階段，更改申請人明確提出更改問題，并形成更改申請單文檔；更改方案設(shè)計人員通過審查和研究二維工程圖，提出解決問題的多種方案。在工程更改評估階段，需要分析各種更改方案實施的風(fēng)險和傳播路徑，預(yù)測受更改影響的范圍，形成工程更改評估意見，確定一種最為合理的更改方案，并以二維工程更改單的形式提交給更改審批人員。在工程更改審批階段，需要對提出的工程更改方案進行決策，形成工程更改指令文檔。在工程更改實施階段，設(shè)計或者工藝人員根據(jù)工程更改指令完成二維工程圖更新。在工程更改審查階段，更改審查人員對更改實施效果進行審查，將二維工程圖等更改文件歸檔入庫，并發(fā)放工程更改通知。

2 基于MBD的工程更改信息表達的必要性

圖1 典型二維工程更改單

隨著制造企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計和工藝設(shè)計階段MBD技術(shù)的深入實施，對工程更改管理涉及的其他部門或協(xié)同企業(yè)提出了新的要求，需要基于MBD的工程更改管理信息表達來支持各個部門或團隊交互產(chǎn)品的更改信息，實現(xiàn)工程更改的協(xié)同管理。傳統(tǒng)基于二維工程圖的工程更改信息表達存在如下問題：

（1）數(shù)據(jù)的可訪問性差。

在企業(yè)的工程更改管理流程中，由于軟件費用問題或人員技術(shù)水平等原因，除了產(chǎn)品設(shè)計和工藝等能夠直接訪問MBD數(shù)據(jù)集外，產(chǎn)品加工、更改評估和供應(yīng)商等與更改管理相關(guān)的部門和組織則無法訪問MBD數(shù)據(jù)集，從而導(dǎo)致更改管理信息無法以MBD數(shù)據(jù)集的形式在整個更改流程中傳遞，造成了更改流程的中斷。此外，由于CATIA、NX以及PRO/E等三維軟件的三維標(biāo)注功能模塊的不兼容性，造成了協(xié)同企業(yè)間產(chǎn)品MBD數(shù)據(jù)集的交互困難。雖然主流的三維CAD軟件均已支持STEP標(biāo)準(zhǔn)以實現(xiàn)產(chǎn)品的三維數(shù)據(jù)在不同系統(tǒng)之間的傳遞，但是仍然無法滿足MBD技術(shù)的要求。例如在CATIA的尺寸標(biāo)注（Functional Tolerancing and Annotation，F(xiàn)T&A）模塊下創(chuàng)建的產(chǎn)品設(shè)計MBD模型，若用NX打開時會丟失尺寸公差和產(chǎn)品屬性等非幾何信息。

（2）數(shù)據(jù)管理需求。

在以二維工程更改單為更改信息表達載體的工程更改管理中，更改數(shù)據(jù)所包含的產(chǎn)品版次、零部件表以及人員信息等數(shù)據(jù)通過工程更改單來組織管理，而二維工程圖則通過PLM系統(tǒng)進行管理，數(shù)據(jù)管理紊亂，不利于查詢和問題追溯。

另外，傳統(tǒng)基于二維工程圖的工程更改信息表達中存在數(shù)據(jù)的存儲、數(shù)據(jù)安全性等問題[5-6]。因此，制造企業(yè)迫切需要一種支持非CAD文件格式的工具來實現(xiàn)MBD數(shù)據(jù)集，達到產(chǎn)品數(shù)據(jù)的訪問、交互和MBD模型的可視化，以滿足產(chǎn)品MBD數(shù)據(jù)在不同人員、不同部門以及不同企業(yè)間的可訪問性，且實現(xiàn)對所有工程更改管理數(shù)據(jù)的有效管理，推動MBD技術(shù)在工程更改管理流程各個階段的全面實施。

基于MBD的工程更改信息表達方法

基于MBD的工程更改信息表達方法總體實現(xiàn)框架如圖2所示，主要包括3個階段，即工程更改內(nèi)容分析、工程更改MBD數(shù)據(jù)集定義和基于MBD工程更改信息表達分發(fā)文件的設(shè)計與實現(xiàn)。

首先，對工程更改的內(nèi)容進行分析，將更改內(nèi)容分為關(guān)鍵元素、次要元素和管理元素進行描述，并總結(jié)各元素表達的特點。在此基礎(chǔ)上，建立工程更改的MBD數(shù)據(jù)集。工程更改MBD數(shù)據(jù)集由更改階段確定，即設(shè)計階段選擇設(shè)計MBD模型作為工程更改MBD數(shù)據(jù)集，工藝階段選擇工藝MBD模型作為工程更改MBD數(shù)據(jù)集。最后，從更改視圖的創(chuàng)建和非視圖信息的更改表達方面研究了基于MBD的工程更改信息分發(fā)文件的設(shè)計和實現(xiàn)技術(shù)。

1 工程更改的數(shù)據(jù)內(nèi)容

MBD環(huán)境下的工程更改管理數(shù)據(jù)內(nèi)容元素可分為3類，即產(chǎn)品定義關(guān)鍵元素、產(chǎn)品定義次要元素和產(chǎn)品定義管理元素。產(chǎn)品定義關(guān)鍵元素主要包含產(chǎn)品幾何模型、尺寸、公差、一般注釋和符號等元素。產(chǎn)品定義信息次要元素是產(chǎn)品的補充信息，如制造注釋和裝配過程，一般應(yīng)用于整個零件而不依附于具體的幾何特征。產(chǎn)品定義管理信息用于支持產(chǎn)品的確認、發(fā)布、更改管理和存儲等過程，如工程更改指令、標(biāo)題欄、版本歷史欄等。MBD環(huán)境下的工程更改數(shù)據(jù)內(nèi)容如圖3所示。

2 工程更改MBD數(shù)據(jù)集定義

MBD環(huán)境下的產(chǎn)品數(shù)據(jù)必須以MBD數(shù)據(jù)集的形式進行表達，因此設(shè)計人員必須創(chuàng)建包含產(chǎn)品幾何信息和非幾何信息的產(chǎn)品設(shè)計MBD數(shù)據(jù)集。工藝設(shè)計人員以產(chǎn)品設(shè)計MBD數(shù)據(jù)集為基礎(chǔ)，創(chuàng)建產(chǎn)品的機加工藝和裝配工藝MBD數(shù)據(jù)集。本文定義的工程更改MBD數(shù)據(jù)集由產(chǎn)品MBD模型和更改管理信息表達分發(fā)文件兩部分組成，表達了工程更改管理所需的所有信息。其中，產(chǎn)品MBD模型替代了二維工程更改單中的工程圖，更改管理信息表達分發(fā)文件則替代了工程更改管理文檔。由于工程更改可能涉及到產(chǎn)品的設(shè)計信息或者工藝信息的更改，所以更改的MBD模型可能是設(shè)計MBD模型，也可能是工藝MBD模型。

（1）工程更改信息表達分發(fā)文件的設(shè)計。

圖2 基于MBD的工程更改信息表達總體框架

圖3 MBD環(huán)境下的工程更改數(shù)據(jù)內(nèi)容

在工程更改管理MBD數(shù)據(jù)集中，工程更改管理信息表達分發(fā)文件用于向工程更改各個部門和組織傳遞更改信息，并能夠表現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的MBD定義，是一種非CAD格式的文件。所以，MBD模型轉(zhuǎn)換成非CAD格式文件以后，需要一種瀏覽器來瀏覽轉(zhuǎn)換后的MBD模型。此外，產(chǎn)品識別、版本控制元素（如標(biāo)題、尺寸公差、應(yīng)用和修訂歷史欄等）、零件表、一般注釋和分區(qū)元素等無法在MBD模型上直接進行修改的信息，只能在工程更改管理信息表達分發(fā)文件中表現(xiàn)。

基于MBD的工程更改信息表達分發(fā)文件不但能夠描述更改的原因、目的和內(nèi)容，而且能夠使用在非CAD環(huán)境下瀏覽標(biāo)記的三維模型來代替原有的文字?jǐn)⑹瞿Ｊ交蛘呃L制草圖模式，生成標(biāo)記文檔。確定了工程更改管理信息表達分發(fā)文件的功能后，需要為工程更改管理信息表達分發(fā)文件選擇合適的三維文件格式類型，支持工程更改管理信息表達分發(fā)文件的生成。工程更改管理信息表達分發(fā)文件必須采用一種遵循國際標(biāo)準(zhǔn)的文件格式來支持其他用戶訪問產(chǎn)品數(shù)據(jù)，圖4是當(dāng)前具有國際標(biāo)準(zhǔn)的常用三維文件格式的簡要清單及其優(yōu)缺點。

常用三維模型文件格式可以分為CAD格式、中性格式和輕量化格式3類。為使工程更改管理參與人員能訪問和交互，基于MBD的工程更改信息表達分發(fā)文件必須以非CAD的格式來維護。中性文件能夠體現(xiàn)幾何模型的魯棒性，但它在工程更改過程中形成的文件容量依然過大。同時，中性文件缺少用于數(shù)據(jù)加密的安全機制，僅能通過外部應(yīng)用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)加密，不適合企業(yè)業(yè)務(wù)流程管理。輕量化格式是缺失完整CAD模型豐富性的產(chǎn)品三維模型格式，其主要特征是通過壓縮技術(shù)和數(shù)據(jù)加密技術(shù)來減少文件大小，提高文件安全性。同時，輕量化模型可以在非CAD環(huán)境下讀取和瀏覽三維標(biāo)注，在模型上進行標(biāo)記，支持標(biāo)記文檔的生成。由于輕量化格式良好的特性，本文選擇一種輕量化格式作為工程更改管理信息表達分發(fā)文件中更改信息的載體。

目前，主要的輕量化格式包括3DXML、HSF、JT、PLM XML、PRC、U3D、X3D和XGL/ZGL。通過分析發(fā)現(xiàn)，僅有JT、PRC、3DXML和U3D格式能夠讀取和瀏覽從MBD模型轉(zhuǎn)換的三維標(biāo)注。由于PRC格式在開放性方面有著巨大的優(yōu)勢、擁有標(biāo)準(zhǔn)化程度相對較高的可免費獲取的技術(shù)參數(shù)、精確的實體幾何表達（B-Rep）能力、支持模型三維標(biāo)注的讀取和瀏覽、支持在非CAD環(huán)境下對模型的標(biāo)記、較強的安全機制和數(shù)據(jù)壓縮能力，所以，在基于MBD的工程更改管理中，選擇PRC格式作為工程更改管理信息表達分發(fā)文件的模型格式文件。

圖4 常用三維模型文件格式

（2）工程更改信息表達分發(fā)文件的實現(xiàn)。

工程更改管理信息表達分發(fā)文件需要借助非CAD格式的可視化工具來實現(xiàn)，由于PRC格式可以存儲和嵌入在3D PDF文件中，且能在3D PDF中進行標(biāo)記，同時3D PDF格式被認為是一種開放性的格式，適用于瀏覽、創(chuàng)建和歸檔產(chǎn)品數(shù)據(jù)，所以選擇3D PDF作為生成工程更改管理信息表達分發(fā)文件的可視化應(yīng)用工具。工程更改管理信息表達分發(fā)文件的生成過程及零件的工程更改管理信息表達分發(fā)文件如圖5所示。工程更改管理信息表達分發(fā)文件的顯示區(qū)域被分成兩個窗口，即圖形窗口和表格窗口。圖形窗口用于顯示模型幾何和關(guān)聯(lián)的三維標(biāo)注，表格窗口則集成了識別信息、版本控制元素、零件表、一般注釋和分區(qū)元素等內(nèi)容。

工程更改管理信息表達分發(fā)文件在審批階段進行標(biāo)記，然后發(fā)布給所有工程更改管理參與者進行審查。這些標(biāo)記注釋將會包含在工程更改管理信息表達分發(fā)文件中，形成工程更改管理標(biāo)記文檔。圖6為在圖形窗口和表格窗口添加工程更改管理標(biāo)記文檔，其中圖形窗口中的標(biāo)記標(biāo)明需要更改指定的設(shè)計尺寸和公差。

應(yīng)用實例

基于所提方法，采用Microsoft Visual Studio 2008作為開發(fā)環(huán)境，基于Acrobat Pro Extended開發(fā)了基于MBD的工程更改信息表達與發(fā)布系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括三維視圖更改信息和非視圖更改信息設(shè)計兩個模塊。如圖7所示為某型號導(dǎo)彈發(fā)動機曲軸裝配體的工程更改信息表達分發(fā)文件。三維環(huán)境下裝配更改視圖的創(chuàng)建利用CAD系統(tǒng)的草圖工具，并自動生成零部件表，創(chuàng)建爆炸視圖和動畫。

圖5 工程更改管理信息表達分發(fā)文件實例

圖6 工程更改管理標(biāo)記文檔

圖7 某型號導(dǎo)彈發(fā)動機裝配體的工程更改管理信息表達分發(fā)文件

結(jié)束語

針對MBD環(huán)境下工程更改信息的表達與發(fā)布問題，提出了基于MBD的工程更改信息表達方法。該方法以設(shè)計MBD或工藝MBD模型為數(shù)據(jù)集，從視圖更改信息和非視圖更改信息兩方面設(shè)計了工程更改信息表達分發(fā)文件?；贏crobat Pro Extended開發(fā)了基于MBD的工程更改信息表達與發(fā)布系統(tǒng)，并以某型號導(dǎo)彈發(fā)動機部件裝配體的工程更改管理信息表達分發(fā)文件的生成與發(fā)布為例研究了更改視圖和更改表格的創(chuàng)建。

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