航天產品數字化研制中三維模型輕量化技術途徑研究

孫連勝++林曉青++劉金山++譚益梅

摘 要：數字化設計制造技術已經成為制造企業不可或缺的重要支柱，也促使產品的設計制造模式發生根本變化，帶有PMI的三維模型正取代二維圖紙成為全新的產品信息載體，成為設計、工藝及生產階段的依據，但一些產品的三維模型由于復雜或數模過大導致瀏覽困難。該文從航天產品數字化研制流程出發，分析了各環節對三維模型輕量化的需求，結合典型產品特點，提出了三維模型具體應用途徑和三維模型轉化技術途徑，并綜合分析了三維模型輕量化的一些關鍵問題，最后介紹了三維模型輕量化在航天產品數字化研制中的具體應用。

關鍵詞：航天產品 數字化研制 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

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

近年來，在航天產品研制過程中正在嘗試三維設計制造技術的應用探索[7，10]，設計單位將產品三維設計模型直接傳遞給下游制造單位（簡稱“三維下廠”），陸續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、工藝設計及制造模式與傳統的以產品二維圖紙為核心的模式相比，具有很多技術優勢，但同時無論在技術上還是在管理上均有很大不同。其中，帶有PMI的產品三維模型成為設計、工藝及生產階段的標準，但一些復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，該文從航天產品數字化研制流程出發，分析了各環節對三維模型輕量化的需求，結合典型產品特點，提出了三維模型具體應用途徑和三維模型轉化技術途徑，并綜合分析了三維模型輕量化的一些關鍵問題，最后介紹了三維模型輕量化在航天產品數字化研制中的具體應用。

1 航天產品數字化研制中三維模型輕量化需求分析

由三維CAD軟件創建的產品模型，是產品的精確模型，不僅包含產品的參數化幾何外形，還包含造型過程及參數、平面草圖及約束等，結構復雜且數據量大。當瀏覽復雜產品的CAD源模型時，計算機常出現顯示困難現象，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]，一種可為后續各個階段所使用，如仿真分析、工序模型等；另一種是瀏覽產品PMI信息用。前者只關注幾何實體本身及其應用，如STEP、IGES、JT等，其附加PMI信息則被輕量化掉，該技術較為成熟；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，該技術難度較大，盡管需求迫切但發展較為滯后。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品數字化研制流程可分為三維設計、三維發放與接收、三維工藝設計、三維生產加工檢驗、三維裝配集成、三維試驗檢測、產品交付等環節。其中，一些環節的業務內容及對三維輕量化模型的具體需求如下。

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

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

三維模型發布接收：由檔案部門確認設計模型狀態，并導入三維工藝系統。后續如果技術狀態發生變化，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）

三維工藝設計：工藝人員在三維工藝系統中相應產品節點下完成三維工藝和工裝的設計。工藝人員利用三維數字模型，創建工序模型，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中進行瀏覽。（需精確模型和輕量化模型）

作業計劃編制：型號調度在生產管理系統中查閱三維工藝系統提交的工藝及三維模型信息，制定生產計劃并下發。（需輕量化模型）

工時定額：型號調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管理系統中查閱工藝及三維模型信息，制定工時后向車間下發。（需輕量化模型）

物資備料準備：型號調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管理系統中查閱工藝及三維模型信息，進行物資備料。此外，在產品三維模型會簽時，也可提前開展物資備料準備。（需輕量化模型）

產品加工及檢驗：車間操作人員在車間管理系統中進行任務接收和進度反饋，查閱三維工藝和三維數字模型。更進一步，檢驗規劃人員可利用原始三維模型創建檢驗模型，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）

產品驗收與交付：產品研制完成后，由型號產品保證工程師從質量系統中提取相關記錄形成產品數據包，按要求組織預驗收，配合用戶開展產品驗收工作，驗收通過后交付。（需輕量化模型）

通過分析不難發現，從設計階段開始，設計工藝協同、工藝會簽、工藝設計、生產現場各環節均存在對三維輕量化模型的應用需求，而且有幾點問題顯而易見。

（1）各應用環節都不是專業的設計人員，只是需要以簡易、直觀的方式瀏覽或應用三維模型，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，易因誤操作改變模型狀態。

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

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

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

2 航天產品數字化研制中三維模型輕量化技術途徑

航天產品數字化研制中三維模型輕量化問題，應當從體系角度出發，系統地解決?，F結合當前輕量化技術研究和型號推進實際情況，針對典型產品的特點，以現有條件為基礎，分析三維模型應用及輕量化的具體實施途徑。

2.1 典型產品三維研制技術途徑

（1）金屬結構件。

在金屬結構件的研制過程中，設計工藝協同、工藝會簽、生產現場等環節，暫可利用現有條件直接應用設計軟件瀏覽三維設計模型，但個別大數模仍需轉為輕量化模型。在三維模型利用方面，可將三維設計模型轉化為UG模型用于數控編程，再將UG模型轉化為JT輕量化模型用于工藝過程建模，將UG模型轉化為STL模型用于數控加工仿真，此外，三維設計模型可轉化為STEP模型用于三坐標檢測。

（2）結構板。

在結構板的研制過程中，設計工藝協同、工藝會簽、生產現場等環節，暫可利用現有條件直接應用設計軟件瀏覽三維設計模型。在三維模型利用方面，可以將三維設計模型轉化為DWG二維圖用于面板激光加工，將三維設計模型轉化為IGS模型用于低橋式測量機檢測結構板。

（3）管路。

在管路的研制過程中，單根管路、接頭的研制，在設計工藝協同、工藝會簽、生產現場等環節，暫可以利用現有條件直接應用設計軟件瀏覽三維設計模型。但在需要查看（包括會簽、模型導入、工藝設計、生產現場）整體裝配模型時，如果三維裝配模型過大，就需轉為輕量化模型。

（4）電纜網。

在電纜網的研制過程中，在需要查看（包括會簽、模型導入、工藝設計、生產現場）整體電纜網模型時，當三維電纜網模型過大時，仍需轉為輕量化模型。

（5）結構裝配。

在裝配體的研制過程中，在需要查看（包括會簽、模型導入、工藝設計、生產現場）整體裝配模型時，當三維裝配模型過大時，就需轉為輕量化模型。同時，裝配體輕量化模型要能夠瀏覽裝配結構關系。

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

2.2 三維模型轉化技術途徑

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

（1）專業軟件自身轉化。

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

（2）專業軟件間轉化。

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

（3）第三方軟件轉化。

目前正在推進的PDM平臺類產品，力圖從統一數據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。想實現對各類模型的輕量化應用，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：三維模型輕量化轉換應包含完整的PMI信息。

3 三維模型輕量化關鍵問題分析

（1）輕量化模型與原始模型的關系。

從產品研制流程各環節對輕量化模型的應用需求可以看出，輕量化模型其實是作為產品信息的依據來使用的，作用與原始模型相同，應當附屬于原始模型，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、裝配結構關系外，還有大量建模過程信息，而輕量化模型實際上只需要體現最終信息即可，即模型實體、視圖、PMI、裝配結構關系與原模型保持一致。

（3）輕量化模型的應用范圍。

輕量化模型面向不同的應用群體，其側重點也有所不同，但應用最多的就是模型瀏覽，在工藝會簽、流程審批、生產現場均會用到，同時還會需要批注。另一些環節，如數控編程、工裝設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？誰來轉？

從產品的研制流程看，輕量化模型既然是原始模型的附屬，那么就應當在設計模型產生或受控之后同步產生，這樣下游環節在應用時才能體現其價值。

（5）規范性建模。

前期實踐發現，由于設計三維建模的不規范，三維模型輕量化轉換過程中會出現特征、標注丟失及視圖與標注不關聯等問題，為此，還需建立相應的三維建模及標注規范并有效落實。

（6）輕量化應是一個完整體系。

盡管當前最迫切需要開展模型輕量化的對象主要是大數模，如電纜網、管路、結構部裝、總裝，但輕量化更應當以一個完整體系考慮。一個產品，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 具體應用

從航天產品數字化研制體系的角度出發，結合各類產品的特點及其三維模型輕量化的需求，經選型對SView進行了定制開發，經過系統測試、功能改進，目前已在金屬結構、結構板、結構部裝、電纜網、管路等航天產品中得到應用，保障了航天產品數字化研制的順利推進。

此外，通過與三維工藝系統平臺Teamcenter的數據集成，實現了三維模型自動輕量化轉換和輕量化模型的受控管理。

5 結語

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

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