二维转三维如何又快又稳？

三维设计在装备制造、汽车、模具加工、消费电子等行业的应用已较为普及，然而应用效果距离供应商描述的美丽图景还有很大的提升空间。而中小企业应用二维图纸的现状也急待改善。

在与二维设计的比较中，三维工具的优势不言而喻。二维设计使用的是工程制图语言，用以描述产品的形状、特征、加工精度、材质等信息，员工必须经过专门的培训才能掌握。对于需要多视图、多剖面描述的复杂产品，二维设计缺乏直观的效果且难免造成不必要的误会和差错。三维设计用完全真实的尺寸和形状在计算机屏幕上展现产品的形状、特征、加工状态、材质等信息，便于产品数据的交流和共享。计算机可以对虚拟的产品三维模型进行实物模型无法实现的各种操作，例如对零件或装配件进行各种形式的剖切、尺寸干涉条件下的装配和运动模拟等等。具有很高知识含量的三维模型还广泛地应用到静/动态干涉检查、有限元分析、性能仿真、数控加工轨迹计算和模拟等领域，在设计前期就完成所有零件、工装和装配件的数字化预装配工作，可以显著地减少设计变更、错误和返工。

“现在已经不是“要不要上三维”的问题了，这是大势所趋。不论企业处于激烈的竞争环境还是在保护伞下，都会面临产品创新的压力。而三维设计是显著提升企业的设计效率、响应市场需求的有效利器。”西门子产品管理软件产品市场经理郭涛讲到。

郭涛认为目前阻碍三维普及和深入应用的最大障碍是设计标准规范的缺失。在军工、造船等复杂制造行业，多年的发展已经积累了完善的基于二维设计的流程和规范，包括出图、审批、测试等等环节。这些环节将根据三维设计应用的特点而大幅度改变，而三维设计目前又没有形成行业统一的流程规范设计标准，因此企业在推广三维设计时往往有盲目之感，没有教科书可循。同时，企业所处的快速增长阶段和市场竞争策略也影响实施三维设计的力度。

三维设计应用浮于表面的企业往往不能正确认识建立标准流程与行为规范的重要性，而三维数据管理的完整性和可追溯性也为三维的深层应用增加了难度。

西门子产品管理软件高级顾问、国内PLM知名专家莫欣农认为，二维图纸直接对应最终的物料，这是以往产品种类很少的情况下行之有效的一维管理空间，它难以胜任目前产品更新频繁、高度定制的特点。而三维模型的不同版本分别描述同一个零件或产品对应不同批次、日期、配置条件的物料，此时需要通过不同版本的产品对象将不同的设计数据和物料联系起来。三维数据模型具有比二维图纸丰富得多的知识含量。在三维设计过程中，需要每一个设计单元和每个设计人员都能清楚地了解整体规划以及自己所设计的零部件的位置空间。只有实行严格、优化和灵活的协同工作流程才能真正发挥三维模型的高效、快捷的优势。

没有三维设计流程和规范，产品数据管理将无从谈起，或形同虚设。“因为真正的产品数据管理不是一个简单的文件属性管理，而是要大量用到三维的设计和工程信息。如果流程不规范，意味着数据的精准度达不到要求，好比建立在沙滩上的大厦，这个平台一定运转不起来。”莫老谈道。

在目前的阶段为了不影响企业正常的设计生产任务，三维设计在国内的实施大多采取在企业内选择一个重点项目或科室做三维设计的试点，并与其他部门的二维设计保持顺畅地业务联接，直到采取阶段性成功再逐步扩展三维的应用，最后创建企业级的三维设计平台，贯彻到整个设计、加工、制造环节。这样实施对于中小企业而言比较稳健，也能在前期试点过程中有效地培养三维设计员工的良好习惯以及设计标准的确立。

无论是试点工程还是一步到位，郭涛强调企业需要认识到三维设计的实施不单单是买来软件安装上，而是牵涉到一系列的标准和流程的制定，以及观念和设计习惯的更改。他认为三维设计的确立离不开“三个标准”：

其一，建立企业自身统一的CAD环境：建立有企业特色且企业级的各种标准库（零件等），对符号、注释、图层、装配的表达形成规范化；

其二，建立新的设计标准、软件的使用规范、以及设计行为规范：包括出图作业（标注、线形、字体等）的标准化以及加工环境（包括刀具库、后处理程序等）的标准化；建立总文件、标准零件族等等。

其三，在员工应用三维软件作为主体设计工具以后，按照企业自身的特点和原有流程，总结出标准的基于三维设计的设计流程，在全企业间贯彻，并在应用中不断补充和改善，实现良性循环。

“这三个标准对于成功应用三维设计缺一不可。” 郭涛讲到。而目前三维应用效果不理想其主要原因是企业三维设计的经验不足，认为标准设立不能立竿见影地提高产品设计速度，因此不够重视。在国外，通常是主任设计师来担当标准化的制定；而在国内，由于企业的资源有限，对于型号产品的设计任务比较紧急，因此经常委派经验不够丰富、刚参加工作不久的设计人员来负责标准化的工作。殊不知，只有设计流程统一，标准库建立以后，才能得出可以复用的标准模板，简化设计标准零件的时间；而且对于经常加工的零件，实现加工程序标准化，可以提升新品上市速度，并在此基础上做精度分析，优化设计和加工环节，甚至做到“傻瓜模式”的加工程序，不用培训直接加工，缩短新品上市时间。

另外，标准化也使三维的检索功能落在实处。只有将零件的各种描述规范后，才能使工程师在设计过程中快速检索到相关历史零件库，也可以固化设计人员的思路和经验，放到企业平台中共享。

设计流程的优化

常听到企业设计人员由于对二维设计形成习惯，对三维的推广进行抵触。三维推广面对的阻力很大程度是针对设计流程的变化。对此莫老作了详细的解释： “二维设计通常从总装配图开始逐级分解到最终的零件图。三维设计主要是由一个个零件逐级组装成产品，也可以把一个大件切分成若干个子件。因此二者的设计流程有非常大的区别。前者只有自上而下的设计流程，后者既有自下而上，又有自上而下的流程。”

例如，在汽车设计中首先通过分解产品的主要组成部分，搭建由车身、发动机、底盘等一级大部件组成的产品结构。然后，专业工程师把一级大部件分解成车门、缸体、制动等总成，接着再分解各种零件分别挂接到对应的总成下面形成汽车的设计产品结构树。在搭建结构树的过程中必须定义每个节点的各项技术指标和设计原则。在施工设计时又将模具、工装等数据挂接到相应的零部件节点，形成汽车的制造产品结构树。上述产品结构树可以只有纯粹的逻辑关系，也可以带有部分三维模型或参数化草图。设计工程师按照计划从底层开始三维建模，也可从其他产品中借用标准件、通用件和常用件等，逐级向上组装成部件、总成、大部件和整车。在每一个环节还要进行必要的分析和仿真，保证各种错误在设计早期被发现和改正。

实际上三维设计流程为设计人员提供了更大的空间和灵活的选择，提高了设计精准度以及与加工装配制造的联动。但是它需要相关部门对数十年以来的工作流程作出改变。以审批流程为例。审批包括校对和审核。二维的审批流程建立在多年的经验基础上，从简单设计、通俗设计、约定设计有一套完整的潜规则。但是到了三维设计阶段，在三维模型中所有的细节都呈现在眼前，二维的约定和表达方式没有了存在的必要。在二维中审核只负责检查图纸是否缺失而不看设计细节，不负责整体设计和质量测试。但在三维中审核需要将剖面，测量等各部分设计集成统一，要对后续的加工和装配环节负责。

在二维设计中甚至在三维设计发展的初期，由于当时的CAD许可权限价格不菲，企业通常不要求审核人员使用CAD模型。而轻量化CAD阅读器的出现彻底解决了这个问题。目前通过轻量级阅读器，三维模型用一般的浏览器就可以观看，方便审核人员以及时发现问题，并可以跨部门使用，把应用不同CAD工具做的模型装配在一起，其精度已达到制造加工的水平。技术的不断进步，使设计流程不断优化，而设计人员的职责和分工也在发生相当大的转变。

在定单和市场份额的压力下，国内企业往往没有资源和时间完全由二维一步到位转向三维。要形成三维设计的标准化流程需要企业的领导层重视三维应用的务实。“如果我们意识到标准化流程的必要性，花人力花精力去做，三维设计应用的层次一定能提升。目前，主流PLM解决方案供应商已经具有了垂直行业的标准化流程的实践经验，只要用户配合，结合企业自身的需求和行业特点，最初的框架型的标准化工作在几天到数星期内完全可以完成。”郭涛说。而一旦标准库以及设计行为规范确立，将作为企业制度得到推广和普及，对于设计项目的顺利进行将起到坚实的保障作用。

忠告

在总结三维设计应用的难点时，郭涛认为，企业在选择三维设计软件和服务商时，要考察企业的表达需求是否能实现，能实现多少，实施顾问的行业经验是否能帮助企业建立适合的标准库和切实可行的设计流程，是否有能力保证员工的培训质量。

软件不但要保证满足现在的企业需求，对于加工、分析、装配，制造等环节是否能够实现数据交换，是否能解决由于零件修改造成模型生成失败的问题。从这个意义上讲，选择能满足CAD、CAM甚至CAE一体化的平台具有相当的优势。企业在规划投资时也要考察现有的硬件设备能否支持三维的系统。

郭涛强调，在三维的实施过程中，项目的成败关键在于企业决策者的意志。因为使用三维设计的最初阶段需要摆脱二维设计的固定思维模式，员工要有一个适应期。这需要管理层坚定三维设计的信念，反复强调三维设计的优势，有强制力地推行三维工具在全企业范围内使用以及标准化的确立。

（感谢Siemens产品管理软件公司资深顾问莫欣农、郭涛以及PTC公司电子高科技行业高级顾问萧强文对本文提供的帮助。）

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