一、引言
2015 年的三維模型定義系列文章分享了通用電氣和美國海軍的成功案例，之后總結了實施經驗“十要和十不要”。本文將繼續介紹另外一家世界著名公司“灣流（Gulfstream）”的成功經驗。主要內容來源于Dan Ganser，灣流公司產品生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）系統科學家，在2015 年航空和國防工業PLM 發展藍圖大會上面的發言。
灣流（Gulfstream）實施三維模型定義有兩個突出特點。
（1）收效顯著。灣流（Gulfstream）率先實現了航空工業長久以來的一個夢想：完全數字化的三維飛機模型定義系統，并且通過了美國聯邦航空管理局（Federal AviationAdministration，FAA）認證。2007 年G650 機型開始全部采用三維模型定義設計，之后在G500 和G600 型號中大量重用，而且實現了這兩個機型的并行設計，節省了大量時間和經費。
（2）實施徹底。整個公司配備了近萬套高端CAD 系統，包括工廠車間。車間工人直接使用統一的高端CAD 系統（而不是中間格式或閱讀軟件）讀取關鍵制造信息，必要的時候可以查詢豐富的建模信息。這擴展了車間工人職責，使得三維標注大量簡化。除了內部廣泛使用CAD 系統，公司還要求所有供應商必須使用同樣的CAD 系統和版本。
二、灣流（Gulfstream）公司簡介
灣流（Gulfstream）公司成立于1958 年，一直致力于商務和私人飛機的設計、制造和服務，業務集中于機體結構、總體集成和內部裝飾。公司以為客戶提供極致的飛行體驗，減少時差影響為使命。2015 年主要機型如圖1 所示，典型機艙如圖2所示。總部設在美國佐治亞（Georgia）州。現有員工1萬5千多人。圖3總結了6個北美制造基地。
圖1 灣流（Gulfstream）2015 年主要機型
圖2 灣流（Gulfstream）典型機艙
圖3 灣流（Gulfstream）6 個北美制造基地
三、三維模型定義的實施過程和效果
灣流（Gulfstream）公司從2003 年開始計劃實施三維模型定義，有三個主要目標：增強協同合作；提高設計重用；減少零件號數量。剛開始一個很自然的問題是從哪里下手。如上文“三維模型定義實施十要和十不要- 流程篇”建議的，初期實施不必求全責備，只需要在整個制造流程中選好一個突破口，從而步步為營，逐漸擴展。灣流（Gulfstream）選定了飛機總體集成（總成）步驟的內部裝飾（內飾）設計作為試點。原因是內飾不會影響關鍵飛行性能，風險相對較低；主要組裝成品或半成品，而無需費心于前期復雜的機加工零件和其他復雜的系統；而且零配件數量巨大（如緊固件），得以檢驗三維模型定義的收效。
圖1中的G450 是第一個完全采用三維模型定義來設計機艙內飾的機型，其內飾的零件號數量比二維工程圖流程減少了50%（夾子和支架之類的零件減少的更多），立竿見影的實現了設計重用和減少零件號的初衷。這一成功很快就促使三維模型定義擴展到所有機型的內飾設計。2007 年，灣流（Gulfstream）開始了一項具有突破性意義的項目：把三維模型定義實施擴展到G650 機體結構設計。如果說機艙內飾還只是給飛機化妝，并未涉及根本的話，那么機體結構則是整個飛機的筋骨，牽扯到眾多性命攸關的飛行性能。這也體現了灣流（Gulfstream）的膽識和對三維模型定義的信心。順便提一句，很多其他制造企業把三維模型定義確立為關鍵競爭優勢，甚至到了保密的程度，不愿意其他人（尤其是競爭對手）窺探到他們的三維制造流程。Dan Ganser 的發言很有借鑒意義，但也只是浮光掠影，很多重要的細節還是需要每個企業具體實踐摸索。
G650新的機體結構設計流程帶來了一系列的變化，比如新的軟硬件系統、新的廠房和配套的反復培訓。G650 的成功不僅極大地增強了結構設計團隊的信心，而且其三維機體結構模型定義在G500 和G600 中得到高度重新利用，使得這兩個新機型能夠并行設計，并且在2015 年同時交付試飛。值得注意的是，公司內部和外圍供應鏈都必須使用三維模型定義。比如G650，機翼和尾部的結構設計由供應商來完成，然后與公司自身設計的其他結構進行三維集成。而G500和G600兩個新機型完全由內部團隊負責結構設計，因而交流和集成相對簡單一些。
三維模型定義的收效還包括保證了數據的完整性和一致性。讀取數據的人不必再擔心數據缺失，或者分散在很多地方，難以提取。存檔實時發生，設計審核隨時隨地都可以通過網絡進行。如圖4和5所示，電氣系統也采用三維模型定義，并且與機械模型結合。可以對整個飛機進行電氣仿真分析，保證信號按照設計意圖達到目標元器件。
圖4 局部三維電氣線路和標注
圖5 駕駛艙三維電氣線路示意
四、三維模型定義的實施經驗
在過去的12年間，灣流（Gulfstream）公司在三維模型定義領域取得世界矚目的成功。Dan Ganser 作為親身參與者和實施核心成員提到：“最讓人興奮的地方就是看著下游生產環節運用我創建的三維數據輕松高效地完成生產任務，而不再需要任何二維工程圖。”公司積累了大量的實施經驗和教訓，從而總結出來一套自己的方法，下文列舉了幾個方面，但是這一切的前提是“動手嘗試”。小馬過河，不試不知道，與其隔岸觀望，不如親身實踐。這也正是上文“實施經驗十要和十不要- 人員篇”提到的“不要猶豫”。
1. 統一平臺
為了減少CAD數據格式轉換帶來的損失，公司要求內部所有團隊和外圍所有供應商統一使用一個CAD 系統，并且停留在一致的大版本和小版本。為此，公司配備了近萬套CAD軟件，甚至包括工廠車間，如圖6所示，裝配工人使用CAD軟件獲取關鍵尺寸。
圖6 灣流（Gulfstream）車間工人使用CAD 軟件獲取制造信息
2. 簡化三維標注
由于第一點的徹底實施，模型的三維標注可以非常簡化。灣流（Gulfstream）要求車間工人能夠熟練操作CAD軟件，而不是單純的中間格式或閱讀軟件，來獲取與崗位相關的制造信息，比如CAD 模型幾何尺寸就被用作名義尺寸。這樣上游工程部門的時間和人力就可以從繁復的三維標注中解放出來。
Dan 表示，在飛機內飾項目中，一條三維標注也沒有；而在機體結構項目中，標注量也非常小。只在特殊或關鍵的特征上面標注，比如復雜的機加工零件。而其他完全依賴模型本身。灣流（Gulfstream）很早就意識到三維模型定義不代表“把所有信息都標注在三維模型上面”。正相反，大量信息都被存儲在產品生命周期管理系統（Product Lifecycle Management，PLM）里面。這也是根據實際應用磨合出來的經驗：比如過去，材料屬性被定義到模型中。結果采購部門被迫打開模型才能得到材料信息，非常不便，遇到很大阻力。順便解釋一下，定義到模型當中的材料本來是渲染、重量分析、仿真以及其他應用所必需的，但是該CAD 系統各個功能模塊之間材料庫的不一致，使得公司決定在設計階段不給模型定義材料，而把材料直接寫入PLM。后期其他應用會單獨定義材料。這不見得是最優化的，但是在現有CAD 平臺行之有效，當然也有未來繼續改進的空間。
再比如供應商在報價的時候，除非很復雜的零件，很多情況其實并不關心模型本身，因為價格是由材料明細表、高精度的表面處理或公差、以及產品大致尺寸決定的。所以標注只著重在關鍵特征和特殊場合，其他都交給PLM，比如通用公差就以存儲在PLM 系統的公司標準為依據，無需專門標注。材料明細表的收效更加明顯。過去采購部門的材料明細表需要專門的管理員，花費五周，在大量的二維工程圖當中找出來所有需要采購的零件。現在裝配體是由PLM的結構和鏈接來定義的，所以能夠隨時在五秒鐘內生成最新最準確的采購清單。
3. 維護數據的完整性和一致性
傳統紙質二維工程圖的天然優勢是不論有多少種軟硬件系統，什么樣的工作環境，或者有多少人參與，起碼每個人都可以拿創維質圖樣，當然這其中出現的錯漏是另一個問題。而三維模型定義就要復雜的多。盡管國際國內制定了各種三維標準，但目前尚無一種格式能像二維圖樣那樣人人拿起來都能隨意使用（三維PDF 是一個很有潛力的方向）。由此不同的CAD 平臺，各種中間格式，多種附屬文件等，這些都讓維護數據困難許多。
另外Dan 提到每次CAD 平臺升級，即使小版本升級，都會遇到數據錯亂的問題，尤其是三維標注（與幾何數據相比，各種CAD 工具在三維標注領域還有待成熟）。有時候升級后，三維標注看上去保持一致，但實際上內部數值變化了，導致下游智能制造的應用程序讀取錯誤的標注。其他的問題還包括硬盤失效，PLM/PDM 系統崩潰，操作人員無意刪除了重要數據等。灣流（Gulfstream）花了很大的氣力來解決上述問題，維護數據的完整性和一致性，同時還要保證易于獲取，不會影響正常使用。因此要求所有的數據每天都歸檔，而且每天晚上都要驗證比對文件的哈希屬性（Hash Attribute），保證及時發現問題，快速查明根源，快速解決。如果驗證不及時，那么查找根源，解決問題也會復雜很多。除此之外，為了滿足美國聯邦航空管理局的要求，最終發布的三維CAD 格式內容必須非常簡化，必須以ISO 國際標準STP 文件為準。具體來說，如果想確認什么樣的數據可以放心的發布，最簡單的辦法就是把三維CAD 模型導出到STP，然后再導入到CAD，只有剩下的數據才允許保留在最終發布的三維CAD 數據當中。
軟硬件系統的管理也非常嚴格。舉例來說，所有的供應商和內部團隊必須在同時升級CAD 版本，盡管這意味著軟件版本的滯后，但是統一版本的方便性更加重要。過去是每年圣誕節升級，后來延長到了18 個月，現在周期是兩年。另外如果被迫進行文件格式轉換，那么轉換的人最好是設計員本人。因為只有本人才最清楚設計內容，也最能夠保證轉換的準確。同樣，供應商也必須通過質量部門的嚴格認證，確保能夠準確讀取模型，熟悉文檔規范之后，才可能拿到訂單。
4. 制定公司標準和培訓工作人員
在三維環境中，每個人的使用習慣都不一樣。比如顏色的使用就千差萬別。有時顏色用來傳遞表面粗糙度，有時代表加工精度，有時代表噴漆，有時代表特殊表面。Dan 舉了一次安裝鏡子的例子：裝上去很容易，唯一的不足是鏡面只能安裝在朝墻的里側，而背面只能朝外。問題在哪里呢？原來工程師在設計鏡子的時候，把鏡面涂上了黃顏色以示反光面，但并沒有添加文字標注。到了生產環節，制造工人不理解顏色的意思，因而沒有理會。但是除去顏色的差別，無論鏡面反正，三維模型都是一樣的，所以導致了很多廢品。這只是一個小例子，類似的習慣問題、語言問題和文件格式問題等還有很多。
為了解決上述問題，實施團隊制定了大量公司標準，并且經常培訓所有參與人員，包括供應商和售后服務。比如鏡子的制造人員必須明白黃顏色是什么意思。Dan 回顧整個經歷，也承認低估了改變供應商習慣的難度。比如過去二維工程圖經常有注釋說明“模型可以用來加工制造”，這實際上確認了二維工程圖完全杜絕了人為虛假尺寸，從而與三維模型保持完全一致。所以加工商可以放心使用模型，為數控機床做必要的修改（如刪除小孔、添加參照點等），只要最后按照二維工程圖做質量檢驗就可以。在三維模型定義流程中，發布模型取代了二維工程圖作為基準。但是有些加工商還是按照過去的習慣隨意更改模型。數控加工出來之后，依據更改的模型進行質量檢驗。這就完全違背了發布的三維設計意圖，帶來了很大的問題。所以灣流（Gulfstream）不得不跟每家供應商反復強調以發布的三維模型為制造檢驗基準，而不是修改后的數控機床模型。
5. 發揮三維數據在下游生產當中的效用
三維模型定義（MBD）實施經驗中提到的十要十不要就提到了，三維模型定義真正的效力點，在于下游生產環節。灣流（Gulfstream）把車間的制造執行系統（ManufacturingExecution System，MES）與PLM 系統連接起來。如圖5所示，每位工人都可以直接提取三維數據，操作三維CAD軟件，獲得必要信息完成加工、調度、裝配、檢測的步驟。起初，公司還擔心車間部門不一定有能力，或者不愿意使用三維CAD，但實際上效果非常好。很重要的原因是現在的工人團隊普遍年輕化，教育背景更偏重三維，而且接受新工具、新流程的能力很強。
圖7顯示了一個利用三維數據安裝和檢測緊固件的例子。鉚釘、螺絲和螺母等緊固件數量巨大，作用關鍵，但是傳統安裝非常繁復。過去一個辦法是把所有緊固件密密麻麻的位置人工畫在一塊尼龍布上面，然后把尼龍布蒙到機體上面進行安裝或檢測。如今這項新技術根據三維模型定義，提取緊固件的位置、種類、型號、需要的工具和預先鉆好的孔等信息，然后用三維激光投影儀精確彎曲這些影像，嚴絲合縫的投影到彎曲的機體上。這樣安裝人員只需要按照投影信息就可以輕松操作，同理也可以進行檢測。由于所有數據都是基于三維定義，所以無需額外編寫復雜長篇的安裝手冊。如果設計有調整，那么投影也自動更新。數字化的方式不僅更加準確清晰，而且大量節省了時間和經費。圖8 是另外一家公司Northrop Grumman 在F-35 戰斗機項目使用三維緊固件投影指導安裝。預計這項技術在整個項目生命周期將節省七千七百萬美元（信息來源：http://globalfastenernews.com/，2015 年）。
圖7 激光投影三維數據來安裝和檢測緊固件
圖8 工人按照激光投影安裝緊固件
五、讓三維模型定義系統獲取美國聯邦航空管理局認證
除了上述實施經驗，航空行業與其他行業不同，新的系統和流程需要得到美國聯邦航空管理局的認證才能夠上馬，否則一切都是空談。這也是灣流（Gulfstream）面臨的最大挑戰。與管理局官員的眾多會議至今還讓Dan 記憶猶新。比如一個很簡單的問題：如何確定鎖定的設計數據沒有改變？ Dan 的團隊起初的回答很簡單：我們的系統是保密的，沒人能改動。但這引來了官員的一系列質疑和調查。
◎系統管理員能不能改動？
◎數據庫管理員呢？
◎如果工程部門強迫管理員修改數據呢？原因可以很多：“我的設計發布錯了”，“里面有拼寫錯誤，請改正”，“我們的設計數據結構要改動，那樣可以讓下游協同更加順利”。
◎如果有人給數據管理員500 萬美金，能改動嗎？由此可見， 數據的管理非常復雜嚴格， 這也是為什么每天晚上都要驗證每個文件的哈希屬性。由于灣流（Gulfstream）使用的數據管理系統的限制，航空管理局無法在外部登錄。所以每兩個月，公司都要給航空管理局郵寄一臺筆記本電腦，里面有全部最新數據。調查官員登錄后進行驗證。更麻煩的是達拉斯的航空器認證辦公室（Aircraft Certification Office，ACO）特殊安檢程序需要掃描筆記本電腦。每次掃描都會讓硬盤退磁，丟失數據。所以還要重新郵寄硬盤，并且申請特殊許可，避免掃描。久而久之，連航空管理局都覺得麻煩了。因此，他們在2015 年決定改變流程，允許灣流（Gulfstream）只把筆記本電腦定期發送到本公司的機構授權認證處（Organizational Designation Authorization，ODA），管理局隨時可以獲取數據即可。
六、結語
綜上所述，灣流（Gulfstream）實施三維模型定義比較徹底，成效顯著，處于世界前沿水平，而且難能可貴的讓三維模型定義流程獲得了美國聯邦航空管理局的認證。希望對我國制造企業同仁有所啟發。
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本文標題：三維模型定義（MBD）成功案例
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