基于PDM平臺的三維模型構(gòu)建標準化管理研究

胡曉婭 劉蘇 張博旸

（首都航天機械有限公司，北京，100076）

文 摘：基于PDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）平臺的三維模型結(jié)構(gòu)標準化管理，能夠有效解決航天產(chǎn)品全面數(shù)字化過程中出現(xiàn)的三維模型管理和模型信息傳遞等問題?；赑DM 平臺，開展三維模型結(jié)構(gòu)標準化管理，從產(chǎn)品設計源頭出發(fā)，采用若干面向PDM 的三維模型結(jié)構(gòu)化管理方法，形成標準化的操作流程，結(jié)合信息手段將校驗功能嵌入到平臺中，為三維模型結(jié)構(gòu)化管理標準化提供保障。

近來年，隨著科研生產(chǎn)數(shù)字化能力建設的推進，航天企業(yè)開始全面深入推進航天產(chǎn)品三維數(shù)字化工程研制體系建設，型號設計部門全面實行全三維產(chǎn)品設計。航天產(chǎn)品設計模式的重大轉(zhuǎn)變，使得制造單位接收到的設計數(shù)據(jù)從初期的零件制造和部段裝配以二維圖紙為主、總體裝配以三維模型輔助的形式，過渡到三維模型全面取代二維圖紙的階段。但是作為擁有從零件到總體裝配全生產(chǎn)鏈的制造單位，需要面對多個設計部門、多型號設計并存、復雜程度差異大等特點，導致制造單位需要接收并管理多個數(shù)據(jù)平臺發(fā)放的不同三維設計軟件設計的三維模型。產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)是產(chǎn)品制造的唯一依據(jù)，產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)的準確性直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。目前在產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)管理中存在的問題，對產(chǎn)品質(zhì)量的追求以及數(shù)字化制造技術(shù)，對設計數(shù)據(jù)的管理模式提出了跨越式的發(fā)展要求，基于統(tǒng)一系統(tǒng)平臺的結(jié)構(gòu)化設計數(shù)據(jù)管理模式的實施勢在必行。

1 三維設計數(shù)據(jù)管理面臨的問題及需求

1.1 三維設計數(shù)據(jù)管理面臨的問題

從構(gòu)建航天產(chǎn)品三維數(shù)字化工程研制體系這一未來發(fā)展方向來看，建設和使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理平臺是體系構(gòu)建的基礎(chǔ)。其具有良好的兼容性，外部可以對接多種應用平臺，內(nèi)部可以管理多種數(shù)據(jù)類型，同時準確的獲取、管理并傳遞相關(guān)的信息，實現(xiàn)設計數(shù)據(jù)的精準把控。通過PDM 數(shù)據(jù)平臺管理設計數(shù)據(jù)的方法，并非直接將數(shù)據(jù)集中管理那么簡單，而是需要從數(shù)據(jù)的源頭入手，從設計、傳遞、導入到建立結(jié)構(gòu)為止，對各階段工作統(tǒng)一規(guī)則，形成標準化管理，才能使平臺對不同平臺的不同數(shù)據(jù)實現(xiàn)精準的信息提取和管控。目前三維設計數(shù)據(jù)管理主要存在以下問題。

a）設計軟件不同導致設計平臺差異大。由于航天產(chǎn)品種類較多，導致設計方式不同。傳統(tǒng)的航天產(chǎn)品，使用自頂向下的設計方式，多采用Windchill 管理平臺+CREO 軟件設計。具有復雜曲面的產(chǎn)品則更多地采用VPM 管理平臺+CATIA 軟件設計。這就需要制造端的PDM 平臺具備接收這兩大平臺的數(shù)據(jù)的功能，并在接收之后創(chuàng)建相同形式的結(jié)構(gòu)樹，以相同的展示和信息提取方式用于后續(xù)的生產(chǎn)，而目前不能做到完全的統(tǒng)一。

b）模型類別多。在三維模型建模過程中，為了方便生產(chǎn)計劃制訂、物資準備、工藝流程規(guī)劃等，除了傳統(tǒng)的裝配模型和零件模型外，特別標注出統(tǒng)一箭體整體設計的骨架模型、方便物流提前備貨的標準件、元器件模型、記錄工藝信息的標記模型、示意裝配位置的輕量化模型等，這需要制造端的PDM 平臺自動識別出這些模型的類別，并按類別提取相應的模型信息存儲。

c）模型屬性待統(tǒng)一。每個類別的模型除了必須具備的如圖號、名稱、版本等屬性外，不同的種類還有其特有的屬性信息。比如標準件模型有分類、規(guī)格等屬性，零件模型有材料標準、硬度、加工方法、研制階段等屬性。這需要設計與制造部門共同進行約定，并通過平臺間的傳遞和校驗功能實現(xiàn)模型屬性參數(shù)的精確管理。

1.2 三維設計數(shù)據(jù)管理的需求

通過PDM 平臺管理三維模型并使之成為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，需要對傳統(tǒng)的、面向人工制造的設計方法進行改革，同時對各類信息加以系統(tǒng)校驗輔助，形成從設計規(guī)范到接收管理的一套技術(shù)標準，全面打通三維數(shù)字化設計和制造鏈路，為數(shù)據(jù)驅(qū)動生產(chǎn)打下良好基礎(chǔ)。

應從三維模型建模階段開始，對三維模型的類別以及每種類別的模型屬性信息進行詳細分類，最終形成具備可識別數(shù)據(jù)信息的設計數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)平臺方面，對PDM 平臺進行針對性設計，使之可同時對接多個設計數(shù)據(jù)管理平臺，準確識別設計數(shù)據(jù)類別，根據(jù)不同類別存儲、構(gòu)建模型結(jié)構(gòu)，提取模型屬性信息，結(jié)構(gòu)化存儲，方便下游系統(tǒng)的調(diào)用，并增加校驗功能，通過系統(tǒng)的自動排查，實現(xiàn)基于系統(tǒng)的全自動化三維模型結(jié)構(gòu)化管理。

2 模型設計管理標準

基于PDM 的三維模型結(jié)構(gòu)化管理在產(chǎn)品設計階段需要考慮系統(tǒng)提取模型信息的可實現(xiàn)性[1]，首先自頂向下先確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的整體結(jié)構(gòu)和命名、編碼規(guī)則，然后確定每種類別的模型應有的屬性信息，最后進行完整的審批簽署。

2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹創(chuàng)建標準

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹由規(guī)劃部分和實體部分組成。規(guī)劃部分反映型號的研制分工，包括型號層、系統(tǒng)層、產(chǎn)品分類層和產(chǎn)品層。實體部分在產(chǎn)品層之下，掛接產(chǎn)品三維模型，反映產(chǎn)品的裝配關(guān)系。實體部分包含三維模型、設計文件、研試文件、基線等反映產(chǎn)品設計意圖的數(shù)據(jù)，是直接指導生產(chǎn)制造的設計文件，也是發(fā)送給制造端PDM 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源。由于整發(fā)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)量較大，可按裝配特點，分為總體裝配結(jié)構(gòu)樹和部段裝配結(jié)構(gòu)樹。由于總體裝配在實際裝配過程中對電纜、儀器、部段對接接口的關(guān)注度較高，對零件的裝配信息需求不大，所以總體裝配樹可構(gòu)建成最底層節(jié)點為部段輕量化模型的結(jié)構(gòu)樹。部段裝配在實際裝配過程中關(guān)注零件結(jié)構(gòu)信息，所以部段裝配樹的所有節(jié)點必須包含全產(chǎn)品信息的實體模型。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的定義規(guī)則如圖1 所示。

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹規(guī)則

2.2 三維模型命名標準

三維模型結(jié)構(gòu)化管理中，系統(tǒng)區(qū)分三維模型的類別主要依靠模型的命名，所以三維模型的命名必須制定相應標準并嚴格執(zhí)行。模型文件的名稱由產(chǎn)品代號、產(chǎn)品圖號、類別名、階段號、文件格式五部分組成，具體如圖2 所示。其中類別名明確模型的類別，如骨架模型為SKEL、輕量化模型為LIGHT、電纜模型為HRS 等。文件格式用于區(qū)分建模軟件是CATIA 還是CREO。階段號用于標記產(chǎn)品模型所處的階段，在創(chuàng)建模型結(jié)構(gòu)樹時可通過判斷階段號避免高階段裝配模型引用低階段模型的錯誤。

圖2 命名規(guī)則

2.3 三維模型屬性信息填寫標準

模型屬性信息的正確填寫，直接影響系統(tǒng)提取信息轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的成功率，所以在設計模型時，需按標準填寫模型的屬性信息。按模型的類別如標準件需填寫規(guī)格、分類等，零件需填寫材料、加工方法等，如圖3 所示。將這些信息提取、匯總成統(tǒng)一格式的屬性單元，并與模型同時傳遞給下游制造端PDM 系統(tǒng)。

圖3 模型屬性信息

3 基于PDM 平臺的管理標準

PDM 的主要任務是電子化管理設計三維模型，同時進行過程管理。過程管理是對三維模型的整個接收過程進行控制[2]，并使三維模型中任何不符合標準的信息都被篩查出來，從整體上提高模型質(zhì)量，提高模型后續(xù)的利用率。

3.1 設計數(shù)據(jù)接收管理

3.1.1 數(shù)據(jù)傳遞過程管理

為了能夠更好的接收和管理上游設計平臺下發(fā)的設計數(shù)據(jù)，需要從術(shù)語運用、接口實現(xiàn)方面提供標準化與規(guī)范化的定義，并以此為基礎(chǔ)實現(xiàn)不同平臺之間的數(shù)據(jù)傳遞。設計數(shù)據(jù)傳遞過程如圖4 所示。產(chǎn)品三維模型設計完成后，在上游設計平臺完成審批工作，將所有數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)增量的形式，打包成符合標準的數(shù)據(jù)包發(fā)送到中間服務器上，并在中間服務器的數(shù)據(jù)庫表單中記錄信息，制造端PDM 平臺定時讀取中間服務器數(shù)據(jù)庫表單，將新寫入的數(shù)據(jù)包下載并導入到平臺，然后將結(jié)果回寫到表單中，到此數(shù)據(jù)傳遞過程結(jié)束。

圖4 設計數(shù)據(jù)傳遞過程

3.1.2 數(shù)據(jù)包標準格式

數(shù)據(jù)包是否符合規(guī)范是設計數(shù)據(jù)傳遞成功與否的重要因素。數(shù)據(jù)包由兩個部分組成：三維模型和導入文件。導入文件中需要包含模型本身的信息和裝配信息。以CATIA 數(shù)據(jù)為例，文件中包含模型版本、屬性、類型、物理地址以及子裝配件的管理信息，具體如圖5 所示。

圖5 導入文件信息

3.2 模型結(jié)構(gòu)樹構(gòu)建管理

設計模型進入制造端的PDM 系統(tǒng)后，需要在系統(tǒng)內(nèi)重新構(gòu)建設計結(jié)構(gòu)樹。結(jié)構(gòu)樹的構(gòu)建必須符合零部件裝配層次關(guān)系，結(jié)構(gòu)層次應按部段、模塊進行劃分，盡可能滿足產(chǎn)品的可裝配要求，并具備完整性[3]。除產(chǎn)品骨架模型外，所有在實際生產(chǎn)中用到的零件均應在結(jié)構(gòu)樹上體現(xiàn)。產(chǎn)品設計結(jié)構(gòu)樹的屬性與模型屬性不同，產(chǎn)品設計結(jié)構(gòu)樹的屬性應對這類屬性單獨定義，如零件在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹上的數(shù)量、加工工藝路線等。結(jié)構(gòu)樹構(gòu)建完成后固定為基線用于歷史數(shù)據(jù)保存和狀態(tài)追溯。

3.3 數(shù)據(jù)校驗標準

設計數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)是產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)不完整或數(shù)據(jù)格式不正確，都將會導致系統(tǒng)提取設計數(shù)據(jù)失敗或產(chǎn)生錯誤，最終導致設計數(shù)據(jù)不正確[4]。所以需要對每個進入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包進行數(shù)據(jù)校驗。數(shù)據(jù)進入系統(tǒng)前的標準校驗流程如圖6 所示。

圖6 數(shù)據(jù)校驗流程圖

校驗程序是在數(shù)據(jù)導入前對數(shù)據(jù)包執(zhí)行的標準校驗，校驗的范圍包括數(shù)據(jù)的完整性、對應性、唯一性，并按檢查結(jié)構(gòu)分為數(shù)據(jù)可導入和不能導入兩類。不能通過校驗程序的數(shù)據(jù)將錯誤提示形成校驗日志并通知系統(tǒng)管理員手動處理，排除錯誤后再次執(zhí)行校驗程序；通過校驗程序的數(shù)據(jù)，直接執(zhí)行數(shù)據(jù)導入程序，并將校驗過程中的風險提示一同記錄到導入日志中，便于后續(xù)追溯。

通過將三維模型構(gòu)建管理標準嵌入到PDM 平臺中，實現(xiàn)了跨網(wǎng)域同時接收三個不同設計平臺的三維產(chǎn)品數(shù)據(jù)，并以相同結(jié)構(gòu)形式在PDM 平臺中重建產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，通過數(shù)據(jù)校驗程序提前發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤、格式差異以及遺漏項目，直接避免了原來設計數(shù)據(jù)源不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)內(nèi)容雜亂等問題，目前該模式已應用到所有基于三維設計的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理中，達到了真正的數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理。