基于特征參數(shù)化方法的異構(gòu)CAD衛(wèi)星三維協(xié)同布局設(shè)計(jì)

王耀東 魏強(qiáng) 李學(xué)林 王新翔

(中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094)

隨著衛(wèi)星系統(tǒng)復(fù)雜度的提高，跨地域、跨CAD平臺的衛(wèi)星協(xié)同布局設(shè)計(jì)日趨頻繁。然而，由于不同CAD系統(tǒng)之間存在著異構(gòu)性，如數(shù)據(jù)格式的不一致性、數(shù)據(jù)描述和存儲方法的差異性，造成CAD系統(tǒng)間模型和數(shù)據(jù)交換困難。為此，國際上的一些組織建立了CAD數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，如產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交互規(guī)范(Standard for the Exchange of Product Model Data，STEP)[1-2]，是目前應(yīng)用最廣、幾何數(shù)據(jù)表達(dá)最完善的基于中性模型的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)之一，但應(yīng)用于衛(wèi)星協(xié)同布局過程中，存在著以下不足。

(1)雖能有效轉(zhuǎn)換幾何模型，但是MBD三維模型中的三維標(biāo)注、物理特性等非幾何信息無法轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致工程實(shí)際中仍然延用二維圖紙。

(2)該標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際上是一種異步協(xié)同模式[3]，要求完成完整的模型數(shù)據(jù)后，再共享給其他用戶，因此無法進(jìn)行實(shí)時的協(xié)同設(shè)計(jì)。

(3)模型數(shù)據(jù)量較大時，轉(zhuǎn)換耗費(fèi)時間較長[4]，對計(jì)算機(jī)硬件要求較高，數(shù)據(jù)量在2～3 Gbyte的衛(wèi)星布局模型，往往耗時1個小時以上，且容易發(fā)生系統(tǒng)癱瘓或網(wǎng)絡(luò)阻塞的情況。

這些也是異構(gòu)CAD協(xié)同設(shè)計(jì)過程中遇到的普遍問題，文獻(xiàn)[5]提出了一種邊界表示模型的流化傳輸方法，該方法是把三維實(shí)體模型基于實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行分割，把得到的分割體分別編碼并將其傳輸，通過這種方法實(shí)現(xiàn)邊界表示的流化傳輸，一定程度上提高了復(fù)雜模型的傳遞效率，但是模型屬性和參數(shù)等非幾何信息無法同步轉(zhuǎn)換；文獻(xiàn)[6]通過構(gòu)造領(lǐng)域本體，屏蔽異構(gòu)信息，初步實(shí)現(xiàn)了共享CAD造型，但只是針對特定CAD系統(tǒng)和特征，不具有普適性；文獻(xiàn)[7]提出了通過語義等價(jià)和語義模擬在應(yīng)用本體和產(chǎn)品數(shù)據(jù)統(tǒng)一表示本體之間建立映射關(guān)系，以定義造型功能映射集合為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換可保存高層設(shè)計(jì)意圖，但是它需要為每個CAD系統(tǒng)編寫插件，比較繁瑣。本文提出了一種基于特征參數(shù)化方法的異構(gòu)CAD模型轉(zhuǎn)換方法，將幾何特征以及材料、物理特性等非幾何特征均進(jìn)行了參數(shù)化、數(shù)值化，通過XML將參數(shù)表單進(jìn)行跨CAD系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，并結(jié)合STEP的中性模型，實(shí)現(xiàn)參數(shù)和幾何模型的同步轉(zhuǎn)換并關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)模型的跨平臺批量轉(zhuǎn)換和布局的實(shí)時協(xié)同。

1 特征參數(shù)化方法

1.1 設(shè)備MBD三維模型特征定義及分類

所謂特征是指具有一定工程語義的幾何形狀或參數(shù)[8]。由于工程語義的種類不同，特征也被分為不同的種類。MBD三維模型(以下簡稱三維模型)是衛(wèi)星協(xié)同布局設(shè)計(jì)的前提，不但包含機(jī)、電、熱以及布局位置等幾何相關(guān)特征，還包含尺寸、材料、物理特性等非幾何屬性特征，表1為特征分類及具體內(nèi)容。

表1 模型特征分類及內(nèi)容

1.2 特征參數(shù)化

基于STEP中性模型的異構(gòu)CAD三維模型轉(zhuǎn)換僅是幾何邊界等低層語義特征，但是隨著MBD技術(shù)的出現(xiàn)，基于模型定義了三維標(biāo)注、質(zhì)量、材料、熱容等諸多信息，這對異構(gòu)CAD三維模型數(shù)據(jù)的交換提出了挑戰(zhàn)。此外，從目前數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展趨勢來看，模型化的目的是機(jī)器直接讀取模型并執(zhí)行，盡量避免人為參與。因此，提出特征參數(shù)化方法，即將幾何特征與非幾何特征進(jìn)行參數(shù)化、結(jié)構(gòu)化，程序上保證幾何特征與結(jié)構(gòu)化參數(shù)嚴(yán)格對應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)同一個特征的幾何化和參數(shù)化兩種表示方式，模型轉(zhuǎn)換時進(jìn)行分層抽象與傳遞。

特征進(jìn)行參數(shù)化需要建立統(tǒng)一的參考坐標(biāo)系R，原則是選取其中一個安裝孔作為坐標(biāo)系原點(diǎn)，安裝底面與XOY面平行，Z軸垂直底面向上，模型位于坐標(biāo)系的第一象限內(nèi)?；赗坐標(biāo)系，模型特征的參數(shù)示例見表2。

表2 模型特征參數(shù)化示例

續(xù) 表

布局特征的參數(shù)化[9]是指將設(shè)備模型在衛(wèi)星的布局信息進(jìn)行參數(shù)化的過程，在CAD系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行艙內(nèi)的儀器設(shè)備布局后，可以得出每臺設(shè)備模型R坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn)在衛(wèi)星機(jī)械坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值(x,y,z),以及設(shè)備模型R坐標(biāo)系相對于衛(wèi)星機(jī)械坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)矩陣，再進(jìn)一步將矩陣進(jìn)行簡化，將矩陣轉(zhuǎn)換成歐拉角(α,β,γ)，為保證歐拉角的唯一性，確定歐拉角的輸出順序?yàn)槔@衛(wèi)星機(jī)械坐標(biāo)系Z軸、Y軸、X軸進(jìn)行換算，最后輸出設(shè)備模型R坐標(biāo)系相對于衛(wèi)星機(jī)械坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)向量T=[α,β,γ]，表3為布局特征參數(shù)化后的結(jié)果。由表3可知，每臺設(shè)備三維模型中有唯一的R坐標(biāo)系與之對應(yīng)，通過位置坐標(biāo)和歐拉角共計(jì)6個參數(shù)，可以確定的描述每臺設(shè)備三維模型的空間布局信息，按照約定的設(shè)備代號，可以實(shí)現(xiàn)跨平臺的布局信息共享。

表3 布局特征參數(shù)化

2 異構(gòu)CAD間協(xié)同布局

2.1 異構(gòu)CAD設(shè)備三維模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

三維模型經(jīng)過特征參數(shù)化定義后，模型數(shù)據(jù)由幾何模型和特征參數(shù)化參數(shù)兩部分構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 三維模型數(shù)據(jù)構(gòu)成Fig.1 3D model data structure

模型的轉(zhuǎn)換從幾何模型與特征參數(shù)化參數(shù)兩個層面進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其中，幾何主要面向?qū)ο笫侨耍鴧?shù)化主要面向?qū)ο笫怯?jì)算機(jī)，在目標(biāo)CAD系統(tǒng)中重新將幾何與參數(shù)組合，具體實(shí)現(xiàn)邏輯見圖2。

模型幾何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的方法是以STEP的中性格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同時將裝配體模型收縮成零件模型，以減小模型轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)量。其次，在模型幾何轉(zhuǎn)換的過程中需要參考每臺模型的R坐標(biāo)系，作為異構(gòu)系統(tǒng)間的共同基準(zhǔn)，而在CAD系統(tǒng)的建模過程中，默認(rèn)以絕對坐標(biāo)系作為定位基準(zhǔn)，因此，需要使R坐標(biāo)系相對于模型來說與絕對坐標(biāo)系重合，成為定位基準(zhǔn)，其幾何變換矩陣是一個4×4的矩陣，即

(1)

參數(shù)信息的轉(zhuǎn)換主要依靠XML技術(shù)實(shí)現(xiàn)，除了描述數(shù)據(jù)對象外，部分地描述了處理它們的計(jì)算機(jī)程序的行為?；舅悸肥牵涸诘讓赢悩?gòu)CAD模型數(shù)據(jù)格式和XML格式之間建立內(nèi)在的映射關(guān)系，將異構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)布為XML文檔，再根據(jù)XML技術(shù)實(shí)現(xiàn)XML的交換，讀取轉(zhuǎn)換后的XML以獲取原模型信息，實(shí)現(xiàn)特征參數(shù)化參數(shù)的完整轉(zhuǎn)換。

2.2 異構(gòu)CAD協(xié)同布局流程

衛(wèi)星傳統(tǒng)異構(gòu)CAD協(xié)同布局方法是三維模型和二維圖紙聯(lián)合的模式，二維圖紙作為正式依據(jù)，三維作為設(shè)計(jì)驗(yàn)證手段，首先進(jìn)行三維模型的格式轉(zhuǎn)換，然后將二維圖紙的設(shè)備機(jī)、電、熱信息逐臺添加到三維模型，雙方主要基于二維布局圖紙進(jìn)行布局信息的協(xié)同和受控傳遞。二維、三維并存的布局流程，模型轉(zhuǎn)換僅進(jìn)行幾何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，其他MBD定義信息采用二維圖紙進(jìn)行傳遞，存在著如引言中所述的問題，三維模型轉(zhuǎn)換和二維圖紙屬性信息添加工作量極大，且數(shù)據(jù)源不統(tǒng)一。

基于特征參數(shù)化方法的異構(gòu)CAD協(xié)同布局過程中，將三維模型作為協(xié)同的唯一數(shù)據(jù)源，取消二維圖紙，并通過XML表單傳遞機(jī)電熱特征參數(shù)和布局特征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)CAD間三維模型共享和布局模型的同步，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時協(xié)同布局設(shè)計(jì)，具體實(shí)現(xiàn)過程如圖3所示。

圖3 基于特征參數(shù)化方法的協(xié)同布局過程

3 工程應(yīng)用

本文以某衛(wèi)星研制過程中的單機(jī)三維模型轉(zhuǎn)換以及布局模型協(xié)同為例，將單機(jī)三維模型批量從Pro/E系統(tǒng)導(dǎo)入到CATIA系統(tǒng)，即將Pro/E模型轉(zhuǎn)換為CATIA模型，同時，實(shí)現(xiàn)布局裝配的復(fù)雜模型在兩套異構(gòu)CAD系統(tǒng)間同步自動創(chuàng)建。本實(shí)例基于CAD系統(tǒng)二次開發(fā)技術(shù)，以Microsoft Visual Studio 2008和VB6.0作為開發(fā)平臺進(jìn)行實(shí)施。從Pro/E模型轉(zhuǎn)換到具有特征參數(shù)化參數(shù)的CATIA三維模型(見圖4)，在該模型的結(jié)構(gòu)樹的非幾何信息中，包含所有特征的參數(shù)化信息以及相應(yīng)的數(shù)值，同時，該屬性信息與三維模型幾何互相關(guān)聯(lián)。

圖4 特征參數(shù)化后三維模型Fig.4 Digital prototype of equipment after transferred

基于特征參數(shù)化方法，將產(chǎn)品物理特性、三維標(biāo)注等非幾何信息進(jìn)行了參數(shù)化，轉(zhuǎn)換過程中信息不會丟失，進(jìn)而取消了二維圖紙的信息傳遞，實(shí)現(xiàn)了全三維模型的批量轉(zhuǎn)換，顯著提高了效率，二維三維并存的模型轉(zhuǎn)換方法與全三維模型轉(zhuǎn)換方法的步驟及耗時對比見表4，對于一般東方紅4號平臺衛(wèi)星載荷艙內(nèi)約500臺設(shè)備，節(jié)省的總時間很可觀。

表4 二維三維并存的模型轉(zhuǎn)換方法與全三維模型轉(zhuǎn)換方法步驟及耗時對比

單機(jī)設(shè)備三維模型經(jīng)過批量轉(zhuǎn)換到CATIA系統(tǒng)后，即可基于統(tǒng)一的CATIA系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行實(shí)時的協(xié)同布局。CATIA系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行初步的儀器設(shè)備布局后，按照布局特征參數(shù)化提取方法，生成XML表單，共享給Pro/E系統(tǒng)，驅(qū)動單機(jī)三維模型自動裝配，自動創(chuàng)建與CATIA系統(tǒng)完全一致的布局模型，避免了原有的互相傳遞復(fù)雜的布局裝配模型，因此布局三維裝配模型的單次轉(zhuǎn)換的時間也由原來的1 h以上大幅度壓縮至5 min以內(nèi)。對于布局迭代與更新，通過XML表單的差異比對，可以識別出布局變化的信息，進(jìn)行個別模型的布局信息的更新，同時對XML版本進(jìn)行控制，即實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)CAD系統(tǒng)的實(shí)時協(xié)同布局設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語

基于特征參數(shù)化的異構(gòu)CAD模型批量轉(zhuǎn)換以及協(xié)同布局方法具有普適性和可推廣性，對任何異構(gòu)CAD平臺之間協(xié)同均可以應(yīng)用，該思路也可以為其他異構(gòu)信息化系統(tǒng)的協(xié)同問題提供借鑒。該方法解決了基于STEP中性模型的異構(gòu)CAD衛(wèi)星協(xié)同布局的過程中的問題。

(1)實(shí)現(xiàn)了單機(jī)設(shè)備三維模型批量的幾何和非幾何特征同步轉(zhuǎn)換，信息無丟失，三維模型作為唯一數(shù)據(jù)源，取消了二維圖紙。

(2)通過對布局特征進(jìn)行參數(shù)化，每臺設(shè)備模型的布局特征通過參數(shù)進(jìn)行確定，通過XML表單實(shí)現(xiàn)了布局信息的實(shí)時共享，通過版本差異自動比對，快速定位布局變動位置，實(shí)現(xiàn)CAD系統(tǒng)協(xié)同布局設(shè)計(jì)。

(3)對于布局完成的整星復(fù)雜模型，無需進(jìn)行全部模型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，只需傳遞XML布局表單，可驅(qū)動異構(gòu)CAD系統(tǒng)內(nèi)的單機(jī)設(shè)備模型進(jìn)行整星模型的快速重建，對于布局迭代更新，只對增量模型進(jìn)行更新，整星布局模型交互時間縮短為5 min以內(nèi)。