1.1.2　数字化产品定义技术的发展历程

数字化产品定义技术的出现推动了人类工业化的进程，加速了工业品更新换代的速度，极大地减轻了人类的工作量，改变了设计工程师的工作方式。同时，随着数字化产品定义技术研究的深入，围绕数字化产品定义数据及过程的管理与应用技术也随之出现，引起了整个制造业生产管理技术的彻底变革，彻底改变了人们的生活与工作方式。自大规模工业化生产以来，数字化产品定义经历了从二维到三维模型发展的过程，同时也出现了数字化产品定义协同管理技术与产品数据全生命周期管理技术，并向更高的知识管理技术发展，如图1.3所示。

图1.3　数字化产品定义技术的发展

（1）基于CAD的2D产品数字化定义阶段

早期的数字化产品定义技术，即计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）技术的目标是创建工程图，用计算机代替图板进行产品设计。CAD技术在节省人力及提高工作效率与工作成果方面表现出很强的优势，特别是在更改绘图过程中体现了高效率。由于CAD技术只是提供现实产品结构在不同视图中的平面投影，不能直观反映产品的三维实体结构，经常出现生产人员不能完全正确地理解设计意图，生产出废品造成损失；同时CAD技术无法满足现实生产生活中对不可缺少的曲面造型的需求。而且CAD技术只是纸质图纸的一种硬拷贝而已，对生产过程中引进的新型制造技术与加工方法缺少有效的技术支持。随着数控技术的发展，制造部门开始采用带计算机控制器、具有记忆程序、不需要人工干预、能重复工作并保持准确性能的数控加工设备。为了提高生产效率，制造部门要求设计部门提供能让数字化制造系统读懂的2D轮廓图或控制程序，而不再需要让工艺人员先读懂工程图再编写数控程序代码，通过键盘或其他介质输入数控系统中，从而节省工艺准备时间，并最大限度地降低数控程序编制过程出错的可能性。

（2）3D加2D产品数字化定义阶段

为了满足市场需求，计算机工程研究人员通过不懈的努力，终于成功开发了3D建模技术，使这种愿望变成现实，并迅速地在制造行业得到广泛应用。3D设计系统可以建立任意形状的三维实体模型，然后将加工型面信息自动转化成数控机床刀具路径控制代码，并将程序输出给各种类型的数控机床。起初，这种方法还必须用打孔纸带在部门之间传递，后来出现了基于网络的RS-232远程控制与电子传输，使设计与制造过程成为一体。然而，在设计系统产生数控程序并把它传送给机床的过程中，只表达出了机床刀具在加工过程中的轨迹信息，而丢失了很多其他必需的工艺信息，如加工表面精度信息、热处理信息、零件材料信息、加工规范等。制造部门人员单靠数控程序不能完整地把零件加工出来，仍然需要接收工程图纸，通过图纸建立起零件的精确制造准则。因此，出现了三维模型与二维工程图共同表达产品工程设计信息的局面，并一直持续到当前乃至更远。

三维建模技术直接表达出了设计产品的真实三维模型，不需要通过思维的多次转换，大大提高了生产效率，降低了因理解不同造成的出错的可能性，从根本上改变了传统工程设计方法。当零件在计算机中建立三维数字模型后，工程师就可以在计算机上很方便地进行后续环节的设计与制造工作，如部件的模拟装配、总体布置、管路铺设、运动模拟、干涉检查、数控加工编程及模拟、生产操作培训与制作各类技术出版物等。因此，它为实现计算机集成制造和在并行工程思想指导下整个生产环节采用统一的产品信息模型奠定了基础。所有零件的数字化定义是唯一的权威性数据集，可提供所有后续环节所需要的信息。用户评审唯一的依据是这套存储于计算机中的数据集，而不是图纸。每个零件的数据集包含它的三维模型，也给出二维图形，并标有尺寸和公差。

（3）3D产品数字化定义阶段

在工程上使用数字化定义技术常常遇到需不需要二维图纸的问题，而在目前普通制造环境中，仅仅依靠三维模型数据进行加工还存在不足。因为仅依靠三维模型数据，往往难以直接进行产品生产和检验，即三维模型数据不能表达出图纸中的所有工艺信息，不能将生产技术、模具设计与生产、部件加工、部件与产品检验等工序所必需的设计意图包含进来。虽然三维数据包含了二维图纸所不具备的详细形状信息，但是三维模型数据中却无法表达尺寸公差、表面粗糙度、表面处理方法、热处理方法、材质、结合方式、间隙的设置、连接范围、润滑油涂刷范围、颜色、要求符合的规格与标准等仅靠形状而无法表达的非几何信息。另外，由于受限于标注的形状提示，关键部位的放大图和剖面图等能够更为灵活而合理地传达设计意图的手段也存在不足。要想将三维数据模型当作传递设计信息的唯一载体，必须明确数字化定义应用的形态，解决非几何信息的组织及其表达与显示的问题。

从1997年1月起，美国机械工程师协会（ASME）联合制造业巨头共同发起关于三维模型标注标准的起草工作，以解决3D标注、尺寸和其他制造信息元素在三维模型中的表达问题，使它们成为三维模型中的一部分，弥补当前三维建模技术中需要通过二维工程图表达非几何信息的不足。这个标准使3D模型不仅表达了几何形状信息，也包含了3D产品制造信息（Product Manufacturing Information，PMI），这些制造信息包含标准文本、尺寸以及材料规范、表面精度信息和详细几何公差，如图1.4所示。2003年7月，该标准被美国机械工程师协会批准为三维建模新标准。随后，UG、PTC、Dassault等公司将该标准应用于各自的CAD系统中，对三维标注进行了支持，使三维实体模型作为唯一制造依据成为现实。ISO组织借鉴ASME Y14.41标准制定了ISO 16792标准，为欧洲以及亚洲等国家的用户提供了支持。日本汽车工业协会也以ASME Y14.41标准以及ISO 16792标准为蓝本，于2006年底出台日本汽车工业的相关行业标准。与这些标准相比，2003年中国颁布的相关国家标准以及2006年的英国军用标准在数字化定义的内容上仍处在三维模型与工程图共存的状态。作为该项技术的发起者之一，波音公司在B787项目中应用了该项新技术，命名为MBD技术，并在全球所有的合作伙伴中推广使用。

图1.4　表达完整信息的三维实体模型