GD&T图纸的智能化设计技术

周世玉，王俊杰，余敦丽

（1.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007；2.柳州稳远电气有限公司，广西 柳州 545007）

0 引言

智能制造是《中国制造2025》的主攻方向，是落实制造强国战略的重要举措。智能制造是基于新一代信息技术，贯穿设计、生产、管理、服务等制造活动各个环节，具有信息深度自感知、只会优化自决策，精准控制自执行等功能的先进制造过程、系统与模式的总称；具有以智能工厂为载体，以关键制造环节智能化为核心，以端到端数据流为基础、以网络互联为支撑等特征，可有效缩短产品研制周期、降低运营成本、提高生产效率、提升产品质量、降低资源能源消耗。汽车工业是汽车发达国家智能制造重要的应用实施领域和突破口。

GD&T图纸属于汽车行业的机械工程行业的重要技术文件，包含大量的技术工程语言和参数，智能化设计图纸是汽车智能化制造重要体现之一。但是，在现代传统制造仍占重大比率的制造环境中，GD&T设计仍然完全依靠人工完成，以某主机厂某一车型的门槛板零部件为例，此零部件为普通中型大小零件，结构相较简单，通过人工从制图准备到制图过程再到制图确认完成（审核校对发布等）大概需要2个工作日；而普通整车的零部件个数，及需要产出产品工程图或GD&T图纸技术文件的零部件个数达到千以上，而这些完全通过人工累积大量的工作日才能得以完成。从资源利用、人力控制、时间管理各方面讲都是一种浪费，不符合智能化设计制造的宗旨，且此项工作属于前期设计工作，因为其在周期控制要求中占比较大，大量的前期人工设计时间会对整车设计制造周期产生较大的影响，特别是在当前客户消费代谢加速，对新车型渴望加深的激烈市场竞争环境中，整车设计制造投产周期的优化将为其获得市场主动权起到至关重要的作用。

1 GD&T概念及GD&T图纸的应用

GD&T，英文全名为Geometric Dimension and Tolerance的简称，指几何尺寸公差，是通过形位公差限制实际被测形体（或要素）变动的区域，是零件的实际形状、位置对其理想形状、位置的变动量的描述，包含公差值描述大小；包含象征符号描述其控制要素，如点（平面、空间）、线（素线、轴线、曲线）、面（平面、曲面）、圆（平面、空间、整体圆柱）等区域。所以它不仅有大小，还具有形状、方向、位置等4个要素，而且其控制要素又可以分为形状公差、定向公差、定位公差、轮廓度公差、跳动公差五大类（十四种）。其大小是由指定的形位公差值来确定的。只要被测实际形体（或要素）被包含在这个公差带内，那么这个被测形体（或要素）就是合格的。形位公差带控制的是点（平面、空间）、线（素线、轴线、曲线）、面（平面、曲面）、圆（平面、空间、整体圆柱）等区域，所以它包含大小、形状、方向、位置4个要素，其中形状公差用于控制形体的形状；定向公差用于控制形体的方向；定位公差用于控制形体的方向和位置；轮廓度公差既可控制形体的大小和形状，又可控制其方向和位置；跳动公差是对形体方向和位置的综合控制。定位、定向和跳动公差，统称为位置公差。

GD&T图纸，即描述零部件、焊接过程件、白车身的形位公差、尺寸公差、配合公差等关系要求的图样，是几何尺寸公差的文字体现，是指导零件及整车设计制造的重要技术文件。无论是传统制造，还是汽车整车及零部件研发制造，都离不开GD&T图纸（产品工程图纸）的输入。

2 GD&T智能化设计步骤

智能化设计制造不仅要成为宽泛的指导方针，更需要落实到具体行动和步骤当中，以指导无论是初学者还是经验充足的各级工程师进行细致的实际操作。本文通过探索专业人员在尺寸工程行业内的经验积累及对GD&T设计的专业性理解和领悟，参考国内外多个主机厂图纸设计者在设计GD&T图纸时所使用的绘制步骤，总结GD&T绘图过程中的核心思想和宗旨，并通过绘图设计软件UG的功能模块进行二次开发将其智能化设计的技术思路通过以下5个步骤实现。

2.1 加载数模时自动识别匹配面

GD&T设计的首要条件是识别零件的匹配功能面，并对其进行尺寸公差等信息的标注，人工设计过程中，是通过人工搜索零件对应的匹配对手件并按照统一坐标系加载装配后对匹配重合区域进行识别并标注。以下步骤将通过绘图软件的对应功能模块将这一过程智能化。

智能设计模块中，数模加载装配至匹配位置，是通过在同一坐标系中进行坐标定位来实现结合。零部件数模与其对手件的匹配位置，就是GD&T需要涵盖的区域，即需要附加几何形状公差要求的区域，通过自动识别和标注来实现。在绘图软件环境中可以通过编程自动识别搭接部位大小形状，借用同一坐标系中软件能通过识别互相匹配的零部件坐标位置功能来识别匹配位置的具体区域，并生成需要标注GD&T要求的指定型面。指定型面识别后的突出显示功能，将由提前设定的参数化实现，如目标型面的加亮处理或者填充化处理，以清晰地表现此型面的用处。参数化的输入可由设计者自定义设置，最大程度地保留图纸信息的识别度。此步骤默认在三维情形下完成。

2.2 自动调用模板

GD&T图纸作为技术文件，需要标准化的模板来承载其包含的各种信息。模板需要包含封面，描述完整图纸的基本信息，如图号、车型、视图及公司属性等；版本信息页，描述图纸的当前版本及历史版本，及版本更改的过程信息；通用技术规范页，描述零件在此图纸中无匹配要求的要素要求等；基准页，描述零件的基准信息；孔信息页，描述零件孔特征的信息；面信息页，描述零件面特征的信息；特殊特征页，描述异型孔、特殊面等信息；左右件区分页，描述左右件不对称的特征信息。

当零件加载之后，软件系统识别步骤一中突出显示的匹配面之后，自动调用对应的标准模板，并开始逐步填充模板内每页的内容。这之前，需要设定基准，基准特征的选择根据设计要求实施，将设计好的基准信息输入特定的模板，在绘图程序自动调用模板时，将储存在系统中的模板与步骤一中的匹配面自动识别进行逻辑化的超链接，并同时调用提前设定好的基准信息。这样在调用模板的过程中，绘图功能模块会自动过滤设计为基准的区域识别并填充对应的图纸内容，并同时在模板的基准页内填充基准信息。

2.3 设定图纸内容顺序

图纸所包含的内容除了技术性的信息，还需要遵循一定的设计顺序。如果没有特定的顺序设计原则，在GD&T图纸的智能化设计过程中会产生冲突，不能清楚地表达这一重要技术资料的逻辑性，图纸所承载的信息将造成制造部门或阅读人员的误解，有导致制造结果偏离设计的风险，严重情况可能导致汽车公司大量返工而产生的时间成本上的巨额浪费。

一辆整车存在成千上万个零件，且不同零件的构造、材料以及各种要求都不同，例如车身钣金零件中，门外板之类的外观覆盖件以型面定位的对型面的要求为第一顺序，侧围内板之类的内部结构件以孔加型面为定位的对孔特征的要求为第一顺序。所以在智能化设计程序技术开发过程中，根据车身类型的不同，可以按零件结构差异规定所需内容的顺序，分类设定并赋予可选择项。如此，在GD&T图纸设计时，可参考上一章段内容中图纸模板设计方式，设计者可勾选以需求为导向的设计顺序，确定后由系统自动参照并输出。

2.4 设定视图及排版

视图的选择，视角的应用可以清楚直接地识别图纸的信息内容。图纸的设计应该秉承用最少的视图描述最大的信息的原则。不仅有利于图纸的排版美观，也方便信息的快速识别和传达。

智能化视图设定，借鉴原人工操作图纸设计格式中存在的通用视角及自由角度视角。一般情况下通用视角可以满足很多规则化的零件绘图要求。但是复杂型面的零件，需要手动添加视角，尤其是在自由视角情况时，手动添加的视角不能完全展示零件要素的几何公差要求和搭接面，需要人员耗费精力和视角进行修正，且同一个零件的自由视角会因为不同的设计人员的感性判断而呈现不同的排版，不利于图纸的规范及美化。自由视角以展现零件最大可视化特征要素为主，在智能化GD&T图纸设计中，复杂零件的自由视角也应该设置为相对少的最大匹配面，此匹配面为数模加载模块中的智能化识别匹配面。

2.5 公差引用

公差赋予是图纸设计中最重要的环节，GD&T图纸即为零件特征要素的几何尺寸公差信息，公差大小位置等信息根据零件的不同要求而进行变化。在图纸设计的智能化环境中，可以设计并导入提前设计好的一般公差标准，涵盖一般孔面圆角等特征的公差要求，在完成图纸的智能化排版后这些特征区域自动引出对应的公差信息。对于常规的下级零部件基本满足要求。对于高层级复杂零件，例如汽车内外饰零件——座舱总成，有多个单件集合而成，可引出智能高级指令，添加公差计算的常用算法——平方差算法，在复杂零件图纸中对一般要求的特征直接进行公差计算并赋予，通过智能化出图表现在图纸上。通过制定详细步骤并开发对应模块加载至对应制图软件中，即可在导入对应零件后开始GD&T图纸的智能化设计及输出；亦可在此基础上研究批量设计方式，以软件系统运算能力为基础开发批量形式的图纸设计。

此外，因为设计者对不同零件的重要性要求，以及实际制造过程中质量对某零件特定安装点/型面控制度要求不同，所以在图纸的前期设计中，不同特征的公差也会不同。比如，在白车身的后车架部分中，油箱安装点、悬挂安装点等，以及新能源车型的电池包安装点，相较其他的线束安装点等有着较高的尺寸公差要求，所以在公差设计过程中，需要添加比一般公差或常规累计公差严格的公差并结合一定的复合公差要求。如上这些特定公差要求，都需要提前设计添加在智能化设计调用的公差设计表中。

通过上述步骤描述的智能化设计技术，最终可生成合理的具有正规效力的图纸文件，经由专业设计人员的最终审核，可以作为下游部门/工位的制造参考标准。

3 技术总结及展望

根据2022年目前汽车行业状态分析，竞争已经到了白热化的地步，公司或企业能否在寒冬中生存并最终发展壮大取决于其是能否在周期和成本上具有绝对的优势。而且随着客户的欣赏水平以及消费需求的提升，车型的迭代时间也不断面临着巨大的挑战，这些都是各汽车公司的决策者需要认真考虑的。GD&T图纸的智能化设计在成本节约、开发周期缩短方面效果明显，在新车型开发周期和成本控制方面起着举足轻重的作用，也是尺寸工程发展必经之路。除了自身周期成本大大缩减之外，对需要GD&T数据信息支持的模、检、夹等起工装工艺快速开发也是意义非凡；并且，GD&T智能设计中延伸的知识库，即在图纸设计过程中自我学习、自我完善，储存过程数据作为知识库，下轮设计中自动调用，对时间、成本，以及对业务管理（图纸设计、审核修改、批准发布等流程简化）也能起到优化作用。

现阶段，GD&T智能化设计模块需基于相应软件的开发应用，而此类软件和程序的开发仍然处在实验和摸索之中，零部件特殊特征识别、特殊公差的赋予能否精细到具体的点或线上，都需要持续投入人力和物力突破瓶颈，实现最大限度的智能化。例如，在GD&T设计中，一般公差是现有技术条件下能达到的最大水平或是设计者能接受的最小水平，对于很多重要程度不同的零件特征，会采用特殊公差。现有的智能化模块中，特殊公差赋予的具有一定的局限性，可以由智能化模块生成一般公差图纸后，再由设计审核人员添加，而在智能化研究中，添加特殊数据库由图纸设计模块自动调用，将会帮助尺寸工程绘图走出智能化过程中存在的困境。

4 结语

当前时代是汽车行业发展的关键时期，也是中国汽车技术实现弯道超车的拐点，智能化发展趋势不可逆转，相关硬件软件的提升已经是刻不容缓。与之匹配的是设计者的思想，应该逐步地去人工化，全面拥抱智能化。智能化思维可以得到高效透彻的开发至关重要，需要从业人员不断学习、思考，并勇敢地挑战当前固有的设计状态，破旧迎新。我们不能再局限于目前“短平快”的操作方式方法，应该勇于探索新事物，敢于开发新模块，由技术设计者向技术管理者，由技术管理者向技术突破者转变，从而成为新技术的领导者。作为汽车开发的重要组成因子，人与机器智能化同步发展是一个公司或者企业在行业竞争中脱颖而出的绝对优势。