航天產(chǎn)品數(shù)字化研制中三維模型輕量化技術(shù)途徑研究

孫連勝++林曉青++劉金山++譚益梅

摘 要：數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)已經(jīng)成為制造企業(yè)不可或缺的重要支柱，也促使產(chǎn)品的設(shè)計制造模式發(fā)生根本變化，帶有PMI的三維模型正取代二維圖紙成為全新的產(chǎn)品信息載體，成為設(shè)計、工藝及生產(chǎn)階段的依據(jù)，但一些產(chǎn)品的三維模型由于復(fù)雜或數(shù)模過大導(dǎo)致瀏覽困難。該文從航天產(chǎn)品數(shù)字化研制流程出發(fā)，分析了各環(huán)節(jié)對三維模型輕量化的需求，結(jié)合典型產(chǎn)品特點，提出了三維模型具體應(yīng)用途徑和三維模型轉(zhuǎn)化技術(shù)途徑，并綜合分析了三維模型輕量化的一些關(guān)鍵問題，最后介紹了三維模型輕量化在航天產(chǎn)品數(shù)字化研制中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：航天產(chǎn)品 數(shù)字化研制 三維模型 輕量化 實施途徑

中圖分類號：V46 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）12（a）-0008-04

數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)的應(yīng)用使傳統(tǒng)設(shè)計和制造流程發(fā)生了革命性的變革，也是當(dāng)今先進制造技術(shù)的發(fā)展方向。以波音、空客、洛馬等知名的企業(yè)為代表，通過數(shù)字化設(shè)計制造手段實現(xiàn)了產(chǎn)品質(zhì)量、協(xié)同效率、研制能力大幅度提高[1-6]。產(chǎn)品設(shè)計制造模式正從根本上發(fā)生變化，以往的二維圖紙為主要信息載體，輔以三維模型的產(chǎn)品定義技術(shù)，正被以三維實體模型為唯一數(shù)據(jù)源這種全新的產(chǎn)品定義技術(shù)MBD（Model Based Definition）所取代。以波音787為代表的新型客機研制，正是直接以帶有產(chǎn)品制造信息PMI（Product Manufacturing Information）的三維模型作為制造依據(jù)，實現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、工裝設(shè)計、零件加工、裝配與檢測的高度信息集成、協(xié)同和融合，開創(chuàng)了飛機三維數(shù)字化設(shè)計制造的嶄新模式，從而大幅度提高了產(chǎn)品研制能力，確保了波音787客機的研制周期和質(zhì)量。

近年來，在航天產(chǎn)品研制過程中正在嘗試三維設(shè)計制造技術(shù)的應(yīng)用探索[7，10]，設(shè)計單位將產(chǎn)品三維設(shè)計模型直接傳遞給下游制造單位（簡稱“三維下廠”），陸續(xù)有新研型號開始三維下廠制造。這種以三維模型為核心的信息傳遞、工藝設(shè)計及制造模式與傳統(tǒng)的以產(chǎn)品二維圖紙為核心的模式相比，具有很多技術(shù)優(yōu)勢，但同時無論在技術(shù)上還是在管理上均有很大不同。其中，帶有PMI的產(chǎn)品三維模型成為設(shè)計、工藝及生產(chǎn)階段的標準，但一些復(fù)雜三維模型文件大小動輒上百MB甚至幾GB，這些模型的顯示、瀏覽和使用越來越困難，單純地通過提高計算機終端配置已不能從根本上解決問題。

鑒于此，該文從航天產(chǎn)品數(shù)字化研制流程出發(fā)，分析了各環(huán)節(jié)對三維模型輕量化的需求，結(jié)合典型產(chǎn)品特點，提出了三維模型具體應(yīng)用途徑和三維模型轉(zhuǎn)化技術(shù)途徑，并綜合分析了三維模型輕量化的一些關(guān)鍵問題，最后介紹了三維模型輕量化在航天產(chǎn)品數(shù)字化研制中的具體應(yīng)用。

1 航天產(chǎn)品數(shù)字化研制中三維模型輕量化需求分析

由三維CAD軟件創(chuàng)建的產(chǎn)品模型，是產(chǎn)品的精確模型，不僅包含產(chǎn)品的參數(shù)化幾何外形，還包含造型過程及參數(shù)、平面草圖及約束等，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且數(shù)據(jù)量大。當(dāng)瀏覽復(fù)雜產(chǎn)品的CAD源模型時，計算機常出現(xiàn)顯示困難現(xiàn)象，三維模型“輕量化”成為解決這一問題的有效方法。

三維模型“輕量化”有兩種形式[11]，一種可為后續(xù)各個階段所使用，如仿真分析、工序模型等；另一種是瀏覽產(chǎn)品PMI信息用。前者只關(guān)注幾何實體本身及其應(yīng)用，如STEP、IGES、JT等，其附加PMI信息則被輕量化掉，該技術(shù)較為成熟；后者則僅保留幾何輪廓、視圖，但確保PMI信息與原模型一致，以最大限度滿足瀏覽三維模型獲取原始模型PMI信息的需要，該技術(shù)難度較大，盡管需求迫切但發(fā)展較為滯后。該文提到三維模型輕量化主要指后者。

目前，基于三維模型的航天產(chǎn)品數(shù)字化研制流程可分為三維設(shè)計、三維發(fā)放與接收、三維工藝設(shè)計、三維生產(chǎn)加工檢驗、三維裝配集成、三維試驗檢測、產(chǎn)品交付等環(huán)節(jié)。其中，一些環(huán)節(jié)的業(yè)務(wù)內(nèi)容及對三維輕量化模型的具體需求如下。

產(chǎn)品三維設(shè)計：設(shè)計人員利用CAD軟件（ProE/CATIA）創(chuàng)建產(chǎn)品的三維模型，并在三維模型上標注尺寸、公差、粗糙度、基準面等技術(shù)，為三維模型表達需要創(chuàng)建必要的視圖、剖視圖。（需精確模型）

設(shè)計工藝協(xié)同與會簽：在產(chǎn)品的設(shè)計過程中，工藝人員提前介入，提出產(chǎn)品工藝可制造性方面的建議，參與產(chǎn)品設(shè)計。此外，產(chǎn)品設(shè)計完成后確定基線版本，相關(guān)工藝人員通過可視化協(xié)同環(huán)境進行工藝會簽。（需輕量化模型）

三維模型發(fā)布接收：由檔案部門確認設(shè)計模型狀態(tài)，并導(dǎo)入三維工藝系統(tǒng)。后續(xù)如果技術(shù)狀態(tài)發(fā)生變化，需對三維模型更新，并確保版本一致。（需精確模型和輕量化模型）

三維工藝設(shè)計：工藝人員在三維工藝系統(tǒng)中相應(yīng)產(chǎn)品節(jié)點下完成三維工藝和工裝的設(shè)計。工藝人員利用三維數(shù)字模型，創(chuàng)建工序模型，包含必要的定位、加緊、尺寸、工序描述等，工序模型視圖可嵌入在各信息系統(tǒng)中進行瀏覽。（需精確模型和輕量化模型）

作業(yè)計劃編制：型號調(diào)度在生產(chǎn)管理系統(tǒng)中查閱三維工藝系統(tǒng)提交的工藝及三維模型信息，制定生產(chǎn)計劃并下發(fā)。（需輕量化模型）

工時定額：型號調(diào)度向人力資源管理部門提交工時計劃，人力資源管理部門在生產(chǎn)管理系統(tǒng)中查閱工藝及三維模型信息，制定工時后向車間下發(fā)。（需輕量化模型）

物資備料準備：型號調(diào)度向物資管理部門提交物資備料計劃，物資管理部門在生產(chǎn)管理系統(tǒng)中查閱工藝及三維模型信息，進行物資備料。此外，在產(chǎn)品三維模型會簽時，也可提前開展物資備料準備。（需輕量化模型）

產(chǎn)品加工及檢驗：車間操作人員在車間管理系統(tǒng)中進行任務(wù)接收和進度反饋，查閱三維工藝和三維數(shù)字模型。更進一步，檢驗規(guī)劃人員可利用原始三維模型創(chuàng)建檢驗?zāi)Ｐ?，并定義必要的檢驗視圖，標注檢驗要求、注釋等。（需輕量化模型）

產(chǎn)品驗收與交付：產(chǎn)品研制完成后，由型號產(chǎn)品保證工程師從質(zhì)量系統(tǒng)中提取相關(guān)記錄形成產(chǎn)品數(shù)據(jù)包，按要求組織預(yù)驗收，配合用戶開展產(chǎn)品驗收工作，驗收通過后交付。（需輕量化模型）

通過分析不難發(fā)現(xiàn)，從設(shè)計階段開始，設(shè)計工藝協(xié)同、工藝會簽、工藝設(shè)計、生產(chǎn)現(xiàn)場各環(huán)節(jié)均存在對三維輕量化模型的應(yīng)用需求，而且有幾點問題顯而易見。

（1）各應(yīng)用環(huán)節(jié)都不是專業(yè)的設(shè)計人員，只是需要以簡易、直觀的方式瀏覽或應(yīng)用三維模型，沒必要通過原建模軟件打開模型，來滿足這一功能需求，同時，通過原建模軟件打開模型會使模型處于可編輯狀態(tài)，易因誤操作改變模型狀態(tài)。

（2）對于一些大型模型（文件大小超過1 GB），在各應(yīng)用環(huán)節(jié)通過高配置計算機、原建模軟件來瀏覽或應(yīng)用，顯然是不現(xiàn)實的。

（3）對于產(chǎn)品而言，單純地只對一部分模型進行輕量化處理是不完整的，應(yīng)當(dāng)將其作為完整的個體加以考慮，并實現(xiàn)版本受控。

綜上所述，航天產(chǎn)品三維數(shù)字化研制中，盡管產(chǎn)品的三維模型由設(shè)計建模完成，但在制造環(huán)節(jié)不同人員根據(jù)工作需要，除了需要三維模型，更多的是需要瀏覽三維模型以獲取產(chǎn)品設(shè)計信息，因此必須解決三維模型輕量化的問題。

2 航天產(chǎn)品數(shù)字化研制中三維模型輕量化技術(shù)途徑

航天產(chǎn)品數(shù)字化研制中三維模型輕量化問題，應(yīng)當(dāng)從體系角度出發(fā)，系統(tǒng)地解決?，F(xiàn)結(jié)合當(dāng)前輕量化技術(shù)研究和型號推進實際情況，針對典型產(chǎn)品的特點，以現(xiàn)有條件為基礎(chǔ)，分析三維模型應(yīng)用及輕量化的具體實施途徑。

2.1 典型產(chǎn)品三維研制技術(shù)途徑

（1）金屬結(jié)構(gòu)件。

在金屬結(jié)構(gòu)件的研制過程中，設(shè)計工藝協(xié)同、工藝會簽、生產(chǎn)現(xiàn)場等環(huán)節(jié)，暫可利用現(xiàn)有條件直接應(yīng)用設(shè)計軟件瀏覽三維設(shè)計模型，但個別大數(shù)模仍需轉(zhuǎn)為輕量化模型。在三維模型利用方面，可將三維設(shè)計模型轉(zhuǎn)化為UG模型用于數(shù)控編程，再將UG模型轉(zhuǎn)化為JT輕量化模型用于工藝過程建模，將UG模型轉(zhuǎn)化為STL模型用于數(shù)控加工仿真，此外，三維設(shè)計模型可轉(zhuǎn)化為STEP模型用于三坐標檢測。

（2）結(jié)構(gòu)板。

在結(jié)構(gòu)板的研制過程中，設(shè)計工藝協(xié)同、工藝會簽、生產(chǎn)現(xiàn)場等環(huán)節(jié)，暫可利用現(xiàn)有條件直接應(yīng)用設(shè)計軟件瀏覽三維設(shè)計模型。在三維模型利用方面，可以將三維設(shè)計模型轉(zhuǎn)化為DWG二維圖用于面板激光加工，將三維設(shè)計模型轉(zhuǎn)化為IGS模型用于低橋式測量機檢測結(jié)構(gòu)板。

（3）管路。

在管路的研制過程中，單根管路、接頭的研制，在設(shè)計工藝協(xié)同、工藝會簽、生產(chǎn)現(xiàn)場等環(huán)節(jié)，暫可以利用現(xiàn)有條件直接應(yīng)用設(shè)計軟件瀏覽三維設(shè)計模型。但在需要查看（包括會簽、模型導(dǎo)入、工藝設(shè)計、生產(chǎn)現(xiàn)場）整體裝配模型時，如果三維裝配模型過大，就需轉(zhuǎn)為輕量化模型。

（4）電纜網(wǎng)。

在電纜網(wǎng)的研制過程中，在需要查看（包括會簽、模型導(dǎo)入、工藝設(shè)計、生產(chǎn)現(xiàn)場）整體電纜網(wǎng)模型時，當(dāng)三維電纜網(wǎng)模型過大時，仍需轉(zhuǎn)為輕量化模型。

（5）結(jié)構(gòu)裝配。

在裝配體的研制過程中，在需要查看（包括會簽、模型導(dǎo)入、工藝設(shè)計、生產(chǎn)現(xiàn)場）整體裝配模型時，當(dāng)三維裝配模型過大時，就需轉(zhuǎn)為輕量化模型。同時，裝配體輕量化模型要能夠瀏覽裝配結(jié)構(gòu)關(guān)系。

此外，其他專業(yè)工藝可參照零件級和裝配級的方案，但須保證待加工區(qū)域的原始信息識別和瀏覽。

2.2 三維模型轉(zhuǎn)化技術(shù)途徑

針對上述典型產(chǎn)品三維研制中所涉及的三維模型應(yīng)用及輕量化轉(zhuǎn)化問題，目前，應(yīng)用在航天產(chǎn)品研制中的三維建模軟件主要有Pro/E、UG、CATIA，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，模型的輕量化、轉(zhuǎn)換可通過以下幾種途徑進行。

（1）專業(yè)軟件自身轉(zhuǎn)化。

Pro/E三維模型可轉(zhuǎn)化為PVZ格式，UG可轉(zhuǎn)化為JT格式，CATIA可轉(zhuǎn)化為EXE格式。前兩者轉(zhuǎn)化仍存在丟失特征、尺寸標注、標識等問題。

（2）專業(yè)軟件間轉(zhuǎn)化。

Pro/E、CATIA三維模型可轉(zhuǎn)化為UG格式。這類轉(zhuǎn)化仍處于研究階段，實際應(yīng)用仍有局限性。

（3）第三方軟件轉(zhuǎn)化。

目前正在推進的PDM平臺類產(chǎn)品，力圖從統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺的角度支持各類CAD模型的瀏覽，如新一代AVIDM（4.0/5.0）、Teamcenter、VPM等，但效果差強人意。想實現(xiàn)對各類模型的輕量化應(yīng)用，只能借助于第三方軟件。

該文所提的保留模型PMI信息的輕量化轉(zhuǎn)換，目前只能通過第三種途徑解決。但需認識到其中涉及的技術(shù)問題，受一些客觀因素的影響，仍難以從根本上解決。盡管如此，無論通過何種途徑解決三維模型輕量化問題，需要明確：三維模型輕量化轉(zhuǎn)換應(yīng)包含完整的PMI信息。

3 三維模型輕量化關(guān)鍵問題分析

（1）輕量化模型與原始模型的關(guān)系。

從產(chǎn)品研制流程各環(huán)節(jié)對輕量化模型的應(yīng)用需求可以看出，輕量化模型其實是作為產(chǎn)品信息的依據(jù)來使用的，作用與原始模型相同，應(yīng)當(dāng)附屬于原始模型，共同存在。

（2）輕量化模型包含的信息。

原始模型除了模型實體、特征、視圖、PMI、裝配結(jié)構(gòu)關(guān)系外，還有大量建模過程信息，而輕量化模型實際上只需要體現(xiàn)最終信息即可，即模型實體、視圖、PMI、裝配結(jié)構(gòu)關(guān)系與原模型保持一致。

（3）輕量化模型的應(yīng)用范圍。

輕量化模型面向不同的應(yīng)用群體，其側(cè)重點也有所不同，但應(yīng)用最多的就是模型瀏覽，在工藝會簽、流程審批、生產(chǎn)現(xiàn)場均會用到，同時還會需要批注。另一些環(huán)節(jié)，如數(shù)控編程、工裝設(shè)計則會用到模型實體本身，這就需要原始模型，或前文提到的保留模型實體精度、不帶PMI信息的輕量化模型。

（4）何時轉(zhuǎn)？誰來轉(zhuǎn)？

從產(chǎn)品的研制流程看，輕量化模型既然是原始模型的附屬，那么就應(yīng)當(dāng)在設(shè)計模型產(chǎn)生或受控之后同步產(chǎn)生，這樣下游環(huán)節(jié)在應(yīng)用時才能體現(xiàn)其價值。

（5）規(guī)范性建模。

前期實踐發(fā)現(xiàn)，由于設(shè)計三維建模的不規(guī)范，三維模型輕量化轉(zhuǎn)換過程中會出現(xiàn)特征、標注丟失及視圖與標注不關(guān)聯(lián)等問題，為此，還需建立相應(yīng)的三維建模及標注規(guī)范并有效落實。

（6）輕量化應(yīng)是一個完整體系。

盡管當(dāng)前最迫切需要開展模型輕量化的對象主要是大數(shù)模，如電纜網(wǎng)、管路、結(jié)構(gòu)部裝、總裝，但輕量化更應(yīng)當(dāng)以一個完整體系考慮。一個產(chǎn)品，不可能一部分保持原始模型，而另一部分實施輕量化，最終部裝、總裝又將這兩類模型匯總到一起。

4 具體應(yīng)用

從航天產(chǎn)品數(shù)字化研制體系的角度出發(fā)，結(jié)合各類產(chǎn)品的特點及其三維模型輕量化的需求，經(jīng)選型對SView進行了定制開發(fā)，經(jīng)過系統(tǒng)測試、功能改進，目前已在金屬結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)板、結(jié)構(gòu)部裝、電纜網(wǎng)、管路等航天產(chǎn)品中得到應(yīng)用，保障了航天產(chǎn)品數(shù)字化研制的順利推進。

此外，通過與三維工藝系統(tǒng)平臺Teamcenter的數(shù)據(jù)集成，實現(xiàn)了三維模型自動輕量化轉(zhuǎn)換和輕量化模型的受控管理。

5 結(jié)語

該文從航天產(chǎn)品數(shù)字化研制流程出發(fā)，分析了各環(huán)節(jié)對三維模型輕量化的需求，結(jié)合典型產(chǎn)品特點，提出了三維模型具體應(yīng)用途徑和三維模型轉(zhuǎn)化技術(shù)途徑，并綜合分析了三維模型輕量化的一些關(guān)鍵問題，最后介紹了三維模型輕量化在航天產(chǎn)品數(shù)字化研制中的具體應(yīng)用。盡管該文提到三維模型輕量化主要用于瀏覽以滿足各環(huán)節(jié)對產(chǎn)品PMI的獲取需求，但將“輕量化”的兩種輸出形式合二為一，既能滿足一些環(huán)節(jié)對模型實體的應(yīng)用需求，又能保證模型PMI信息的完整性和一致性，必將是“輕量化”技術(shù)未來的發(fā)展方向。

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