基于三維研制模式的設(shè)計模型跨平臺轉(zhuǎn)換技術(shù)

顏家勇 周瑩皓 樂 毅 張加波

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基于三維研制模式的設(shè)計模型跨平臺轉(zhuǎn)換技術(shù)

顏家勇 周瑩皓 樂 毅 張加波

（北京衛(wèi)星制造廠，北京 100094）

在全三維研制模式下，產(chǎn)品數(shù)據(jù)傳遞的主要載體是帶有制造信息的三維設(shè)計模型。分析了全三維研制模式下，模型應(yīng)當(dāng)具備四個要素才能滿足制造信息的完整性。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，沒有同時滿足這四要素的模型格式能夠在不同CAD/CAM平臺間傳遞，導(dǎo)致制造信息的傳遞出現(xiàn)障礙。因此提出基于主模型的并行傳遞模式，解決了設(shè)計模型四要素在制造階段的完整表達(dá)，由主模型派生出輕量化模型和各類工藝模型的轉(zhuǎn)換方法，并成功應(yīng)用于部分型號產(chǎn)品的全三維研制。

全三維研制；輕量化模型；工藝模型；參數(shù)化重構(gòu)

1 引言

三維設(shè)計模型是目前取代二維圖樣，在設(shè)計與制造之間傳遞信息的主要表達(dá)方式。當(dāng)前大多數(shù)行業(yè)已使用三維軟件設(shè)計，而制造部門大都是以二維圖紙作為依據(jù)，進(jìn)行物料下發(fā)、工藝準(zhǔn)備、車間流轉(zhuǎn)、機(jī)加成形和集成裝配。使用三維模型作為制造依據(jù)可以簡化設(shè)計階段三維轉(zhuǎn)二維的過程，如何避免制造環(huán)節(jié)再次發(fā)生三維轉(zhuǎn)二維的現(xiàn)象，有必要研究制造階段如何利用設(shè)計三維模型。然而，設(shè)計模型有時并不能完全適用于制造過程，主要體現(xiàn)在：

a. 不同CAD/CAM平臺模型如何交換；

b. 如何對設(shè)計數(shù)據(jù)，如曲線、曲面、模型特征保密；

c. 如何使用設(shè)計模型快速制備鈑金、成形件；

d. 如何給車間操作者提供簡潔的模型瀏覽器，同時不會更改模型本身。

本文將解決全三維研制模式下，如何實現(xiàn)模型在不同CAD/CAM平臺的傳遞，并實現(xiàn)模型數(shù)據(jù)在制造階段的有效利用。

2 設(shè)計模型四要素及跨平臺轉(zhuǎn)換問題

2.1 全三維模式下設(shè)計模型四要素

與二維圖樣對比分析可知，三維設(shè)計模型應(yīng)當(dāng)同時具備模型幾何、裝配關(guān)系、標(biāo)注和屬性等四個方面的要素，才能夠?qū)⒃O(shè)計意圖完整、準(zhǔn)確地表達(dá)[1]，如圖1所示：

a. 模型幾何：產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)中表達(dá)設(shè)計產(chǎn)品的幾何元素；

b. 裝配關(guān)系：模型幾何之間的相互約束和位置關(guān)系；

c. 標(biāo)注：無需手工或外部處理即可見的尺寸、公差、注釋、文本和符號；

d. 屬性：表達(dá)產(chǎn)品定義或產(chǎn)品模型特征所需的不可見的尺寸、公差、注釋、文本或符號，但這些信息可查詢得到。

如果在制造階段需要使用設(shè)計模型，則設(shè)計模型的四個要素應(yīng)當(dāng)具備以下特征：

a. 模型幾何：坐標(biāo)系、形狀、比例和單位在制造方的CAD/CAM系統(tǒng)中不改變，并能夠在模型幾何上查詢，進(jìn)行工裝、鈑金、數(shù)控程序等工藝設(shè)計；

b. 裝配關(guān)系：各零、部件的約束關(guān)系和相對位置不發(fā)生變化；

c. 標(biāo)注：設(shè)計模型所有標(biāo)注應(yīng)可見，包括中、英文、數(shù)字、標(biāo)點符號和特殊字符，根據(jù)GB/T24734—2009數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則的要求，模型幾何與標(biāo)注間關(guān)聯(lián)，能夠高亮顯示；所有投影、剖切和軸側(cè)視圖與轉(zhuǎn)換前模型保持一致；

d. 屬性：能夠正確顯示制造部門所需的屬性值。

圖1 三維CAD模型的四個要素

2.2 跨平臺轉(zhuǎn)換下的模型格式問題

通過調(diào)研和大量的轉(zhuǎn)換測試后發(fā)現(xiàn)，沒有同時滿足這四要素的模型格式可以在不同CAD/CAM平臺間傳遞，測試結(jié)果如表1所示。

表1 三維模型向其它格式轉(zhuǎn)換后的部分指標(biāo)滿足情況

轉(zhuǎn)換方式模型幾何裝配關(guān)系標(biāo)注屬性 精度與比例工藝建模能力約束關(guān)系相對位置字符顯示與模型幾何關(guān)聯(lián)投影剖切視向剖切面 Pro/E->pvz√××√√√√√√√√ Pro/E->JT√××√××√×××× Pro/E->3dxml無法轉(zhuǎn)換 CATIA->3dxml√××√√√√√√√√ CATIA-> JT√××√××√×××× CATIA->pvz無法轉(zhuǎn)換 NX-> JT√××√√√√√√√√ NX->3dxml無法轉(zhuǎn)換 NX->pvz無法轉(zhuǎn)換 Pro/E->STEP√√×√××××××× CATIA->STEP√√×√××××××× NX->STEP√√×√×××××××

注：1.以上測試基于的版本為Pro/E5.0 M110，Siemens NX8.0、CATIA V5R16；2.部分轉(zhuǎn)換方式使用了專用工具，以保證獲得轉(zhuǎn)換后的最佳情況。

標(biāo)準(zhǔn)中間格式無法轉(zhuǎn)換標(biāo)注和屬性。STEP[2]、IGES等中性標(biāo)準(zhǔn)格式，以及CATIA、Pro/E、Siemens NX之間相互直讀模型基本能夠較好地滿足模型幾何與轉(zhuǎn)配關(guān)系的轉(zhuǎn)換要求，但在標(biāo)注和屬性方面除了個別尺寸能夠轉(zhuǎn)換外（借助了單獨的轉(zhuǎn)換工具），有投影、剖切要求的標(biāo)注轉(zhuǎn)換均存在失敗情況，遠(yuǎn)不能滿足工程化的要求。這主要是由于：在三維模型上標(biāo)注和接口仍屬于一個新領(lǐng)域，GB/T 24734—2009數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則只提及標(biāo)注的樣式，未提及標(biāo)注的接口協(xié)議，缺乏對標(biāo)注轉(zhuǎn)換接口開發(fā)的參考依據(jù)；CAD軟件公司出于商業(yè)利益的考慮，不開放接口甚至加密了標(biāo)注數(shù)據(jù)，以防止用戶可以隨意更換其它公司的軟件產(chǎn)品反而給自己造成損失。

輕量化模型能夠轉(zhuǎn)換標(biāo)注和屬性，但無法在不同CAD平臺間傳遞。主流CAD軟件公司輕量化模型軟件能夠很好的支持自己的三維模型格式，并能夠通過去除模型的建模歷史，保密設(shè)計數(shù)據(jù)，并最大程度縮減存儲空間。PTC公司的輕量化模型模式*.pvz、達(dá)索公司的*.3dxml和西門子公司的*.jt，提供了價格便宜甚至是免費的輕量化模型查看軟件。

3 輕量化模型轉(zhuǎn)換

通過對表1分析，由于輕量化模型能夠完整地保留標(biāo)注和屬性，且模型精度滿足測量查詢，因此輕量化模型作為車間現(xiàn)場模型能夠顯示所有制造信息，可以代替二維圖樣在車間傳遞。PTC公司的Pro/E（Creo View），Siemens公司的Teamcenter Visualization以及達(dá)索公司的3DVIA Composer為輕量化模型的實時瀏覽提供了非常便捷的軟件界面，界面中允許對模型進(jìn)行查看、檢索和批注，如圖2所示，但不會對模型本身編輯和修改，為建模歷史和設(shè)計核心參數(shù)提供了保護(hù)。

圖2 輕量化模型查看界面

4 制造模型轉(zhuǎn)換

4.1 中性格式制造模型轉(zhuǎn)換

標(biāo)準(zhǔn)中間模型STEP、IGES能夠在各CAD軟件平臺間傳遞。工裝設(shè)計、數(shù)控編程時對模型幾何的精度和裝配關(guān)系的正確性更有意義，如圖3所示，主流CAD軟件所支持的STEP AP203和A214轉(zhuǎn)換協(xié)議為此提供了良好的保證。此外，Siemens NX、PTC Creo和CATIA都能夠相互讀取對方的模型格式。不基于建模歷史的建模技術(shù)——同步建模和直接建模技術(shù)使得在沒有歷史的模型上進(jìn)行二次編輯成為可能[4]。

圖3 模型數(shù)控程序編制

4.2 模型結(jié)構(gòu)樹轉(zhuǎn)換

工藝設(shè)計時確實需要設(shè)計建模歷史即模型結(jié)構(gòu)樹，若重新建模工作量很大，雖然主流CAD軟件的內(nèi)部架構(gòu)不同，但由于對產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換需求確實存在，不少提供產(chǎn)品數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換服務(wù)的公司，如美國Trans Magic公司、英國Theorem solution公司，推出了商業(yè)化的專用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具軟件和修補軟件。如Siemens PLM公司在其Teamcenter平臺上開發(fā)的Content Migration Manager（CMM）插件能夠?qū)⒛壳爸髁鞯腃AD模型，如CATIA、Pro/E和Ideas進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并保留建模歷史信息（草圖、拉伸、陣列等特征）和裝配信息。如圖4所示，Pro/E模型通過CMM轉(zhuǎn)換得到了具有建模歷史的NX格式模型，在該模型基礎(chǔ)上進(jìn)行修補后可以減少重復(fù)建模的工作量。

a 轉(zhuǎn)換前的pro/E模型 b 轉(zhuǎn)換后待修補的NX模型

4.3 制造模型參數(shù)化重構(gòu)

以成形方式（鈑金、模具成形）制造的零件無法直接使用中性格式或采用結(jié)構(gòu)樹轉(zhuǎn)換并修補的模型進(jìn)行工藝操作，只能據(jù)設(shè)計模型的尺寸重建展開的工藝模型。手工重建依然工作量巨大。但對于較成熟、類型相似的零件可采用參數(shù)化重構(gòu)的方式創(chuàng)建工藝模型。如圖5所示，通過二次開發(fā)，提取整體壁板的Pro/E設(shè)計參數(shù)，將設(shè)計參數(shù)導(dǎo)入到Siemens NX系統(tǒng)中，系統(tǒng)會根據(jù)這些設(shè)計參數(shù)完成對整體壁板展開工藝模型的自動化重構(gòu)。通過參數(shù)的直接導(dǎo)入避免了手工輸入存在錯誤的風(fēng)險，極大減少了重復(fù)建模的工作量。

a 設(shè)計模型及設(shè)計參數(shù)

b 制造模型及參數(shù)化重構(gòu)

圖5 整體壁板制造模型參數(shù)化重構(gòu)

5 跨平臺模型轉(zhuǎn)換解決方案

5.1 基于主模型的跨平臺傳遞方式

解決了模型格式的轉(zhuǎn)換后，就可以實現(xiàn)基于主模型（設(shè)計模型）向制造和裝配數(shù)據(jù)的并行傳遞，而不再是基于二維圖樣的串行傳遞，不同角色的操作者（設(shè)計、工藝、調(diào)度、車間操作、檢驗）可以在同一個系統(tǒng)下同時查看和編輯。如圖6所示。輕量化模型由于完整保留了模型幾何、裝配關(guān)系、標(biāo)注和屬性四要素，可以作為設(shè)計圖樣在整個制造過程中傳遞。而工藝模型和檢測模型由于只偏重對模型幾何和裝配關(guān)系的精確性的要求，使用中性格式、結(jié)構(gòu)樹轉(zhuǎn)換、工藝模型重構(gòu)這三類方式可解決不同CAD軟件中的模型傳遞。

圖6 基于主模型的跨平臺模型傳遞方式

5.2 設(shè)計模型批量化轉(zhuǎn)換

設(shè)計模型應(yīng)盡可能進(jìn)行自動化轉(zhuǎn)換，以避免人工介入而產(chǎn)生質(zhì)量隱患。通過配置模型轉(zhuǎn)換服務(wù)器，實現(xiàn)設(shè)計模型向輕量化模型、中性格式模型的批量化轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的模型直接保存在服務(wù)器上進(jìn)行受控管理，當(dāng)設(shè)計模型版本更新時，設(shè)置觸發(fā)機(jī)制對派生模型進(jìn)行更新或通知工藝人員進(jìn)行版本確認(rèn)。PTC公司Creo Elements/Pro Distributed Batch插件、Siemens公司NX Translator插件通過服務(wù)器端配置，可以實現(xiàn)模型的批量化自動轉(zhuǎn)換，并將模型直接保存在服務(wù)器上進(jìn)行受控管理，如圖7所示。

a Pro/E分布式批量模型轉(zhuǎn)換器 b 轉(zhuǎn)換后的受控設(shè)計模型和輕量化模型

5.3 跨平臺傳遞在航天產(chǎn)品中的應(yīng)用

通過對三維設(shè)計模型組成、格式轉(zhuǎn)換和工程化應(yīng)用研究，逐步解決了基于設(shè)計主模型在跨CAD平臺的型號應(yīng)用，打通了結(jié)構(gòu)板、端框、桁條、管路、支架和壁板等多類機(jī)械產(chǎn)品跨平臺模型傳遞的技術(shù)路線，實現(xiàn)了航天結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)類產(chǎn)品以三維模型向制造下游傳遞的可行性，對模型組織管理和批量化傳遞進(jìn)行深入研究，實現(xiàn)了模型傳遞與轉(zhuǎn)換的自動化和批量化，保證了產(chǎn)品數(shù)據(jù)的完整和正確。表2為目前航天結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)產(chǎn)品三維主模型的格式，以及跨平臺轉(zhuǎn)換后的輕量化模型格式和工藝模型格式。

表2 航天主要結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)產(chǎn)品三維模型的格式一覽表

模型種類主模型格式輕量化模型格式工藝模型格式（方法） 結(jié)構(gòu)板（二維裝配體）*.part(Pro/E)*.pvz*.part(NX)、*.dwg 端框、連接框（三維機(jī)加件）*.part(Pro/E)*.pvz*.stp、*.step、模型結(jié)構(gòu)樹轉(zhuǎn)換 儀器支架（三維機(jī)加件）*.part(Pro/E)、*.CATpart*.pvz*.3dxml*.stp、*.step、模型結(jié)構(gòu)樹轉(zhuǎn)換 桁條、管路（三維鈑金件）*.part(Pro/E)*.pvz模型結(jié)構(gòu)樹轉(zhuǎn)換 整體壁板（三維鈑金件）*.part(Pro/E)*.pvz參數(shù)化重構(gòu)

6 結(jié)束語

轉(zhuǎn)換后的三維模型是工藝編制、車間生產(chǎn)的依據(jù)。設(shè)計制造模型轉(zhuǎn)換不僅是一項技術(shù)，更是一項包含軟件與系統(tǒng)、人員與分工、流程及規(guī)范的系統(tǒng)性工程。通過開展研究，解決全三維研制模式下，產(chǎn)品數(shù)據(jù)的跨平臺傳遞和使用問題，實現(xiàn)了模型數(shù)據(jù)的有效性管理，提高了制造過程的模型重用能力，為基于全三維航天器產(chǎn)品數(shù)字化工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 GB/T 24734.1—2009 數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則[S]

2 SCRA. STEP application handbook version 3[R]，2006

3 張寶源，席平. 三維標(biāo)注技術(shù)發(fā)展概況[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報，2011(4)：74～79

4 楊雙榮，胡沙，李建軍. CAD數(shù)據(jù)交換與互操作性的研究[J]. 計算機(jī)工程與設(shè)計，2010，31(7)：1580～1584

5 Sharma K J, Bowonder B. The making of boeing 777: a case study in concurrent engineering[J]. International Journal of Manufacturing Technology and Management,2004(6): 254～264

6 陳月根. 航天器數(shù)字化設(shè)計基礎(chǔ)[M]. 北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2010

Technology of Design Modeling Exchange between Different CAD/CAM Platforms Based on Full Three-Dimensional Manufacturing Mode

Yan Jiayong Zhou Yinghao Yue Yi Zhang Jiabo

(Beijing Spacecrafts, Beijing 100094)

3Ddesign model with product manufacturing information (PMI) is the major carrier of product data transformation on full 3D manufacturing mode. Integrity of PMI transformation needs four model factors. The survey results show that design model with whole four factors can’t be transformed completely between different CAD/CAM platforms. A parallel passing mode based on master model is proposed in this paper. Modeling exchange methods such as lightweight model exchange and process model exchange can be used to express the four factors perfectly at the manufacturing stage, and this method is successfully used in full 3D manufacturing of some products.

full 3D manufacturing mode；lightweight model；process model；parametric reconstruction

顏家勇（1985），工程師，機(jī)械制造專業(yè)；研究方向：數(shù)字化制造技術(shù)研究與應(yīng)用。

2017-04-27