撰文/DS SOLIDWORKS Oboe Wu （吴军）
继上文从一个典型的政府项目角度，介绍了美国海军航空作战中心实施三维模型定义的成功案例之后，本文将从企业发展的角度，分享通用电气电力和水力事业部的实施经验。包括通用电气“卓越工厂”计划、电力和水力事业部简介、最初构想、现实的阻碍和变通办法、三步走战略、三维PDF 的功效，以及实施经验总结。
文中对比了实施三维模型定义过程中，理想与现实的差别。以及如何从实际出发，制定并执行一套切实可行的方案。另外文章澄清了一个常见的误解和顾虑，就是三维模型定义流程必须在工厂车间安装电子终端。这是源于对两个概念的混淆：“取代二维工程图”和“无纸化”。简要来说，三维模型定义强调取代二维工程图，但并不排除打印文档。如果需要，完全可以把三维定义打印成为纸质文档使用。详见文中解释。接下来的系列文章将介绍分析更多实施案例、行业标准、最新技术、实际应用和注意事项等。
一、通用电气“ 卓越工厂”（Brilliant Factory）计划
具备130 多年历史的通用电气（GE，General Electric），如今业务分布在100 多个国家，全球员工30 万人，2013 年销售额1460 亿美元。由8 个主要业务领域构成，如表1 所示。
2014 年，通用电气提出了“卓越工厂”（Brilliant Factory）计划，宗旨是使得工厂设备、车间传感器与横跨设计制造各个环节的计算机通过工业互联网相连，实时收集、分享并分析数据，从而智能地指导生产，提高产能、缩短工期、提高质量和降低停工时间。其核心理念如表2 所示，其中摆脱二维工程图的三维模型制造被列为关键技术之一。迄今全球已经有若干“卓越工厂”破土动工，甚至落成，如表3 所示。
二、电力和水力事业部（GE Power & Water）
如表1 所列，电力和水力事业部是通用电气在工业领域最大的部门。3 万7 千名员工分布在全球700 个分支机构。其中包括可持续能源、水处理技术、核能、发电产品、发电服务和分布式能源6 个主要部门。
实施三维模型定义的是发电产品分公司。主要产品包括重载燃气轮机（图2）、汽轮机和发电机等。发起团队是产品设计，协同下游工程、制造和供应商等一系列内外部门。
三、最初构想
早在2011 年，电力和水力部门就着手设想实施三维模型企业。当时制订的计划比较理想：直接使用CAD 软件将三维技术数据打包，取代二维工程图。数据结构如表4 所示。
当时的设想就是把制造信息全部定义在三维模型中，直接取代二维工程图，并且一并达到无纸化流程。
四、现实的阻碍和变通办法
上述计划非常理想，但是经过实践发现，困难重重。举例来说，“取代二维工程图”（Drawingless）和“无纸化”（Paperless）就是两个截然不同的概念，不可同日而语，需要严格区分对待。取代二维工程图，也就是三维模型定义，强调的是表现形式：三维定义，而不是二维；无纸化着眼在传播媒介：数字化交流，而不依靠纸质文档。
“取代二维工程图”是制造产业从二维向三维升级的一个自然步骤。所谓“自然”，是因为既然已经采取三维设计产品了，大多数的工程师其实都已经考虑过直接在三维模型上面定义尺寸公差等关键制造信息。例如每4 位使用SOLIDWORKS 的工程师里面，就有三位确认如此（数据来源：2015 年SOLIDWORKS 中国用户问卷调查，样本数量：278）。三维模型定义并不意味无纸化。正相反，很多时候纸质文档必不可少。比如在严寒的施工现场，工人带着厚重的手套很难操作电脑；在狭小的燃气轮机内腔，装配人员沾满润滑油的双手也容易污染或损坏电子设备。另外一个重要因素是电力和水力部门需要与1500 多家供应商协作。供应链的数字化应用程度参差不齐，合作方式也需要区别对待。有些高科技公司可以应用三维模型定义，完成数控机床加工和数字质量检测，甚至直接三维打印；还有很多供应商需要轻量化的中间格式才能读取三维模型定义，从而保证加工车间可以利用三维指导审核、生产或检测；另外还有一部分供应商坚持使用纸质图样。因而根据这些需要，三维模型定义完全可以打印出图，依然保持清晰直观、信息丰富，避免了二维工程图，如图3 所示。
这也正是电力和水力部门在三维模型定义当中采用的过渡措施，也被称为“仿工程图”。“仿工程图”不是严格的二维工程图，以下是其创建过程。
（1）三维建模，标注三维尺寸，并且配套属性、签字、模板、及其他辅助文档，共同检入产品生命周期管理系统（PLM，Product Lifecycle Management）。
（2）创建三维视图。有些是三维风格，有些则是完全沿袭传统二维工程图的视图风格，如正视图、顶视图和剖视图等。
（3）在需要“仿工程图”的时候，上述二维工程图风格的视图被布置到已有的二维工程图模板上，一个视图一张图纸。另外PLM 系统中保存的产品属性（如零件号或签名）也会链接体现到图样上。
（4）用户可以根据需要打印出来多张“仿工程图”。
尽管“仿工程图”不是三维模型定义的最优化结果，但是在初始实施阶段，它帮助跨越了具体实施过程遇到的阻碍，在传统二维工程图样和三维模型定义中间建立了一个过渡桥梁。既满足了部分工程制造部门和供应商的需要，又没有花费太多的时间创建。因为它只会按需提供，默认情况无需创建；而且只需利用已经创建好的三维模型定义视图，布置到二维图样模板上面，节省了人力。当团队逐渐熟悉三维定义、三维视图及其优势之后，就会与二维思维渐行渐远，而三维思维就会成为新的主流。值得注意的是，为了保证三维数据的权威性，“仿工程图”不会检入PLM。防止在二维和三维不一致的情况下，用户不知道以哪一个为准。
以上讨论了“取代二维工程图”。作为对比，下面的“无纸化”侧重的是另外一个角度，即信息完全在电子设备之间数字化的交流，所以不需要打印任何纸质文档。“无纸化”也不代表“取代二维工程图”，因为数字化的信息多种多样，可以是表格、文档、三维模型，也可以是二维工程图，如图4 所示。
澄清了上述两个概念，对三维模型定义的一个普遍顾虑也就解决了：尽管数字化的流程能够更加淋漓尽致地发挥优势，三维模型定义并不是必须要在工厂车间配备电子设备。即使利用打印出来的三维定义文档，整个生产流程还是可以得到大量的改善。
五、三步走战略
“仿工程图”的例子体现了最初的实施构想和实践中变通办法的差别。由此，电力和水力部门产品设计团队吸取教训，制定了一个三步走的计划。既能保证正常生产进度，降低风险，同时还能循序渐进开展三维模型定义，如图5所示。
1. 爬行阶段
（1）在三维定义制造信息。但是沿袭传统二维工程图的习惯，还是创建并命名三视图、剖视图、局部视图和向视图等。
（2）三维PDF 成为通用的交流格式。可以利用CAD定义的三维视图、标注和属性，按照订制的PDF 模板发布。
（3）默认情况下并不再生成二维工程图，但是如果需要，可以把二维风格的视图发布到三维PDF 文档，然后按需打印。这样输出多张图样为其他部门服务，即“仿工程图”。尽管对产品设计团队来说，这种方式并非最优，但是更容易被下游的工程和制造部门以及供应商接受，容易缓解组织流程方面的阻力，可以起到过渡作用。
2. 行走阶段
数字化程度提高，逐渐减少传统二维视图。比如很多剖视图、局部视图和向视图都可以省略或者合并。因为三维视图更加直观，而且可以灵活的旋转、放大和移动。即使没有特定的视图，也很容易查看需要的信息和角度。
3. 跑步阶段
（1）依靠三维模型本身尺寸，减少三维标注，只标注关键尺寸和公差。
（2）注意：并不是所有三维尺寸都能避免的。如果需要供应商加工一个10cm 的孔，那么建议还是把孔直径和公差明确标注出来。关键尺寸最好不要让加工商测量模型得出，因为这意味给他们带来更多的工作，会提高费用，延长工期。而且如果测量不准确或者理解有偏差，会导致误解甚至纠纷。
三步走战略是根据生产环节的实际需要做出的大致总结。而不同的环节、不同的供应商所适应的阶段也是不一样的。换言之，并不是最初所有的供应商都必须停留在“爬行”，而完全杜绝“跑步”；也并非将来就能完全避免“爬行”，而进入“跑步”。举例来说，即使在跑步阶段，并不是所有供应商都能接受。最好的情况是供应商能够直接使用三维模型定义，完成数字化生产。但是还有很多仍然需要二维图样，所以上述的“仿工程图”可以满足这个需求。各个阶段在不同的时期会占据不同的比例，总的方向是“跑步”的比例逐渐上升，“爬行”的比例逐渐下降，这就是进展。
六、三维PDF 的功效
关于选定三维PDF 作为交流格式，通用电气列举了以下具体原因。
（1）三维PDF 使三维模型定义有了一个通用平台，容易得到广泛的接受。只需要一个免费的Adobe 阅读器就可以查看三维文件。根据Adobe 公司的统计，由于PDF文本文件的广泛传播，这个阅读器已经安装在全世界93%的联网计算机上面。而且很多机构和公司都批准它作为默认安装软件，甚至包括很多政府军方单位。所以这就顺利通过了本可能非常复杂耗时的计算机环境审查流程。
（2）电子格式的三维PDF，视图是可以三维旋转的，而且三维标注与模型特征相关联：选中一个标注，相关联的特征（包括阵列中的所有个体）会高亮，给予用户非常直观的视觉响应。
（3）简单直观。Adobe 阅读器打开的三维PDF 很易于操作，大部分用户凭借经验就知道如何使用。文本图片就像常见的PDF 文件一样可以阅读，而拖动鼠标就可以随意旋转缩放三维模型。
（4）所见即所得。CAD 模型是什么样，三维PDF 就展现成什么样，二者相符。
（5）出色的标识能力。用户可以在Adobe 阅读器里面添加各种标识，比如三维评语、二维文本和测量值等。而且这些审阅信息都可以使用阅读器存入三维PDF，发送给其他部门。
（6）测量三维PDF 模型的功能。即使没有明确的三维尺寸，用户还是可以使用阅读器的测量工具得到尺寸。
（7）剖切的能力。即使CAD 里面没有创建剖视图，用户还是可以在阅读器里面剖切三维PDF 模型。
（8）附件功能。可以把不同的文件（比如报价单、CAD 模型或者STEP 文件）打包到一个三维PDF 文件中，便于交流和管理。
（9）动画功能。可以利用动画把三维PDF 制作成直观的工艺指导书、装配指南和其他类似的步骤手册。三维PDF 还在通用电气内部得到了更广泛的应用。
（1）在多个分支机构通用了这个准确和轻量化的三维产品制造信息格式。
◎电力和水力事业部内部：发电产品、分布式能源和可再生能源部门。
◎航空事业部。
◎测量和控制事业部。
（2）大型装配的浏览。
◎航空事业部的发动机总装非常复杂，通常需要花费几个月来装配。过去需要三十多页的二维工程图来定义，光注释技术要求就有十页。而现在只需要一个三维PDF 文件。
◎实施团队订制开发了一系列PDF 工具，可以按照需要提取相应的总装数据。比如可以选择提取顶层三个级别的装配体组件，而忽略底层的细节。
（3）样品质量检测的三维数据包。
航空事业部把三维PDF 按照设计的模板订制为样品检测清单，而且每一行的检测指标都与三维视图关联。点击检测表格中一个关键尺寸，三维视图就会高亮显示该尺寸和相关联的特征。更加智能的是，检测人员可以输入实际测量值，三维PDF 就会自动与设计尺寸和公差比对。如果符合公差要求，就显示为合格；反之则不合格。如图6 所示。
七、实施经验总结
总结过去几年，三维模型定义的实施并不像2011 年最初构想的那样完美。实际情况带来了很多挑战，但是也鼓励团队脚踏实地，摸索出了一套行之有效的办法，取得了显著的进展，如表5 所示。
在上文内容之外，还有几点具体的经验可供国内企业参考。
（1）领导层的支持非常关键。比如电力和水力事业部上一任的工程副总裁在自己的业绩考核里面写明要在2013年完成100 个三维定义零件。这才使得其他部门有动力和压力跟产品设计团队合作实施。2014 年新任工程部副总裁在业绩考核中也规定要实现创建125 个三维模型定义零件。
（2）设计部门配备一定的软件开发能力，从而开发出软件厂商之外的一些自动工具，提高效率。比如一个小程序可以去除有故障的CAD 模型和标注，使得二者在模型中能够正常显示。
（3）把其他团队作为服务对象，倾听他们的需求，相应作出调整和支持。比如制造部门需要知道不同三维定义版本之间有哪些差别。产品设计部门的开发团队就专门开发了一个工具，用来比较不同版本之间三维标注的差别。
（4）更新产品定义理念。三维视图更加全面直观，如果不需要打印出来，那么可能不再需要三视图、局部视图、向视图等传统的二维视图了，这需要从二维到三维一个理念转变。更进一步，在三维模型定义的背景下，工程师需要认真考虑哪些视图更加有意义。比如管路折弯表达，可能折弯点的视图或者焊接视图更加富含信息量。
上文详细介绍了通用电气电力及水力事业部实施三维模型定义的经验，希望能对我国企业有所帮助。如果您想了解更多，欢迎关注后续文章，将有更多的实施案例、行业标准、最新技术和实施要点等，也可加入微信MBDMBE讨论，或与Oboe.MBD@gmail.com 联系。