航天产品数字化研制中三维模型轻量化技术途径研究

孙连胜++林晓青++刘金山++谭益梅

摘 要：数字化设计制造技术已经成为制造企业不可或缺的重要支柱，也促使产品的设计制造模式发生根本变化，带有PMI的三维模型正取代二维图纸成为全新的产品信息载体，成为设计、工艺及生产阶段的依据，但一些产品的三维模型由于复杂或数模过大导致浏览困难。该文从航天产品数字化研制流程出发，分析了各环节对三维模型轻量化的需求，结合典型产品特点，提出了三维模型具体应用途径和三维模型转化技术途径，并综合分析了三维模型轻量化的一些关键问题，最后介绍了三维模型轻量化在航天产品数字化研制中的具体应用。

关键词：航天产品 数字化研制 三维模型 轻量化 实施途径

中图分类号：V46 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）12（a）-0008-04

数字化设计制造技术的应用使传统设计和制造流程发生了革命性的变革，也是当今先进制造技术的发展方向。以波音、空客、洛马等知名的企业为代表，通过数字化设计制造手段实现了产品质量、协同效率、研制能力大幅度提高[1-6]。产品设计制造模式正从根本上发生变化，以往的二维图纸为主要信息载体，辅以三维模型的产品定义技术，正被以三维实体模型为唯一数据源这种全新的产品定义技术MBD（Model Based Definition）所取代。以波音787为代表的新型客机研制，正是直接以带有产品制造信息PMI（Product Manufacturing Information）的三维模型作为制造依据，实现了产品设计、工艺设计、工装设计、零件加工、装配与检测的高度信息集成、协同和融合，开创了飞机三维数字化设计制造的崭新模式，从而大幅度提高了产品研制能力，确保了波音787客机的研制周期和质量。

近年来，在航天产品研制过程中正在尝试三维设计制造技术的应用探索[7，10]，设计单位将产品三维设计模型直接传递给下游制造单位（简称“三维下厂”），陆续有新研型号开始三维下厂制造。这种以三维模型为核心的信息传递、工艺设计及制造模式与传统的以产品二维图纸为核心的模式相比，具有很多技术优势，但同时无论在技术上还是在管理上均有很大不同。其中，带有PMI的产品三维模型成为设计、工艺及生产阶段的标准，但一些复杂三维模型文件大小动辄上百MB甚至几GB，这些模型的显示、浏览和使用越来越困难，单纯地通过提高计算机终端配置已不能从根本上解决问题。

鉴于此，该文从航天产品数字化研制流程出发，分析了各环节对三维模型轻量化的需求，结合典型产品特点，提出了三维模型具体应用途径和三维模型转化技术途径，并综合分析了三维模型轻量化的一些关键问题，最后介绍了三维模型轻量化在航天产品数字化研制中的具体应用。

1 航天产品数字化研制中三维模型轻量化需求分析

由三维CAD软件创建的产品模型，是产品的精确模型，不仅包含产品的参数化几何外形，还包含造型过程及参数、平面草图及约束等，结构复杂且数据量大。当浏览复杂产品的CAD源模型时，计算机常出现显示困难现象，三维模型“轻量化”成为解决这一问题的有效方法。

三维模型“轻量化”有两种形式[11]，一种可为后续各个阶段所使用，如仿真分析、工序模型等；另一种是浏览产品PMI信息用。前者只关注几何实体本身及其应用，如STEP、IGES、JT等，其附加PMI信息则被轻量化掉，该技术较为成熟；后者则仅保留几何轮廓、视图，但确保PMI信息与原模型一致，以最大限度满足浏览三维模型获取原始模型PMI信息的需要，该技术难度较大，尽管需求迫切但发展较为滞后。该文提到三维模型轻量化主要指后者。

目前，基于三维模型的航天产品数字化研制流程可分为三维设计、三维发放与接收、三维工艺设计、三维生产加工检验、三维装配集成、三维试验检测、产品交付等环节。其中，一些环节的业务内容及对三维轻量化模型的具体需求如下。

产品三维设计：设计人员利用CAD软件（ProE/CATIA）创建产品的三维模型，并在三维模型上标注尺寸、公差、粗糙度、基准面等技术，为三维模型表达需要创建必要的视图、剖视图。（需精确模型）

设计工艺协同与会签：在产品的设计过程中，工艺人员提前介入，提出产品工艺可制造性方面的建议，参与产品设计。此外，产品设计完成后确定基线版本，相关工艺人员通过可视化协同环境进行工艺会签。（需轻量化模型）

三维模型发布接收：由档案部门确认设计模型状态，并导入三维工艺系统。后续如果技术状态发生变化，需对三维模型更新，并确保版本一致。（需精确模型和轻量化模型）

三维工艺设计：工艺人员在三维工艺系统中相应产品节点下完成三维工艺和工装的设计。工艺人员利用三维数字模型，创建工序模型，包含必要的定位、加紧、尺寸、工序描述等，工序模型视图可嵌入在各信息系统中进行浏览。（需精确模型和轻量化模型）

作业计划编制：型号调度在生产管理系统中查阅三维工艺系统提交的工艺及三维模型信息，制定生产计划并下发。（需轻量化模型）

工时定额：型号调度向人力资源管理部门提交工时计划，人力资源管理部门在生产管理系统中查阅工艺及三维模型信息，制定工时后向车间下发。（需轻量化模型）

物资备料准备：型号调度向物资管理部门提交物资备料计划，物资管理部门在生产管理系统中查阅工艺及三维模型信息，进行物资备料。此外，在产品三维模型会签时，也可提前开展物资备料准备。（需轻量化模型）

产品加工及检验：车间操作人员在车间管理系统中进行任务接收和进度反馈，查阅三维工艺和三维数字模型。更进一步，检验规划人员可利用原始三维模型创建检验模型，并定义必要的检验视圖，标注检验要求、注释等。（需轻量化模型）

产品验收与交付：产品研制完成后，由型号产品保证工程师从质量系统中提取相关记录形成产品数据包，按要求组织预验收，配合用户开展产品验收工作，验收通过后交付。（需轻量化模型）

通过分析不难发现，从设计阶段开始，设计工艺协同、工艺会签、工艺设计、生产现场各环节均存在对三维轻量化模型的应用需求，而且有几点问题显而易见。

（1）各应用环节都不是专业的设计人员，只是需要以简易、直观的方式浏览或应用三维模型，没必要通过原建模软件打开模型，来满足这一功能需求，同时，通过原建模软件打开模型会使模型处于可编辑状态，易因误操作改变模型状态。

（2）对于一些大型模型（文件大小超过1 GB），在各应用环节通过高配置计算机、原建模软件来浏览或应用，显然是不现实的。

（3）对于产品而言，单纯地只对一部分模型进行轻量化处理是不完整的，应当将其作为完整的个体加以考虑，并实现版本受控。

综上所述，航天产品三维数字化研制中，尽管产品的三维模型由设计建模完成，但在制造环节不同人员根据工作需要，除了需要三维模型，更多的是需要浏览三维模型以获取产品设计信息，因此必须解决三维模型轻量化的问题。

2 航天产品数字化研制中三维模型轻量化技术途径

航天产品数字化研制中三维模型轻量化问题，应当从体系角度出发，系统地解决。现结合当前轻量化技术研究和型号推进实际情况，针对典型产品的特点，以现有条件为基础，分析三维模型应用及轻量化的具体实施途径。

2.1 典型产品三维研制技术途径

（1）金属结构件。

在金属结构件的研制过程中，设计工艺协同、工艺会签、生产现场等环节，暂可利用现有条件直接应用设计软件浏览三维设计模型，但个别大数模仍需转为轻量化模型。在三维模型利用方面，可将三维设计模型转化为UG模型用于数控编程，再将UG模型转化为JT轻量化模型用于工艺过程建模，将UG模型转化为STL模型用于数控加工仿真，此外，三维设计模型可转化为STEP模型用于三坐标检测。

（2）结构板。

在结构板的研制过程中，设计工艺协同、工艺会签、生产现场等环节，暂可利用现有条件直接应用设计软件浏览三维设计模型。在三维模型利用方面，可以将三维设计模型转化为DWG二维图用于面板激光加工，将三维设计模型转化为IGS模型用于低桥式测量机检测结构板。

（3）管路。

在管路的研制过程中，单根管路、接头的研制，在设计工艺协同、工艺会签、生产现场等环节，暂可以利用现有条件直接应用设计软件浏览三维设计模型。但在需要查看（包括会签、模型导入、工艺设计、生产现场）整体装配模型时，如果三维装配模型过大，就需转为轻量化模型。

（4）电缆网。

在电缆网的研制过程中，在需要查看（包括会签、模型导入、工艺设计、生产现场）整体电缆网模型时，当三维电缆网模型过大时，仍需转为轻量化模型。

（5）结构装配。

在装配体的研制过程中，在需要查看（包括会签、模型导入、工艺设计、生产现场）整体装配模型时，当三维装配模型过大时，就需转为轻量化模型。同时，装配体轻量化模型要能够浏览装配结构关系。

此外，其他专业工艺可参照零件级和装配级的方案，但须保证待加工区域的原始信息识别和浏览。

2.2 三维模型转化技术途径

针对上述典型产品三维研制中所涉及的三维模型应用及轻量化转化问题，目前，应用在航天产品研制中的三维建模软件主要有Pro/E、UG、CATIA，根据不同的应用需求，模型的轻量化、转换可通过以下几种途径进行。

（1）专业软件自身转化。

Pro/E三维模型可转化为PVZ格式，UG可转化为JT格式，CATIA可转化为EXE格式。前两者转化仍存在丢失特征、尺寸标注、标识等问题。

（2）专业软件间转化。

Pro/E、CATIA三维模型可转化为UG格式。这类转化仍处于研究阶段，实际应用仍有局限性。

（3）第三方软件转化。

目前正在推进的PDM平台类产品，力图从统一数据平台的角度支持各类CAD模型的浏览，如新一代AVIDM（4.0/5.0）、Teamcenter、VPM等，但效果差强人意。想实现对各类模型的轻量化应用，只能借助于第三方软件。

该文所提的保留模型PMI信息的轻量化转换，目前只能通过第三种途径解决。但需认识到其中涉及的技术问题，受一些客观因素的影响，仍难以从根本上解决。尽管如此，无论通过何种途径解决三维模型轻量化问题，需要明确：三维模型轻量化转换应包含完整的PMI信息。

3 三维模型轻量化关键问题分析

（1）轻量化模型与原始模型的关系。

从产品研制流程各环节对轻量化模型的应用需求可以看出，轻量化模型其实是作为产品信息的依据来使用的，作用与原始模型相同，应当附属于原始模型，共同存在。

（2）轻量化模型包含的信息。

原始模型除了模型实体、特征、视图、PMI、装配结构关系外，还有大量建模过程信息，而轻量化模型实际上只需要体现最终信息即可，即模型实体、视图、PMI、装配结构关系与原模型保持一致。

（3）轻量化模型的应用范围。

轻量化模型面向不同的应用群体，其侧重点也有所不同，但应用最多的就是模型浏览，在工艺会签、流程审批、生产现场均会用到，同时还会需要批注。另一些环节，如数控编程、工装设计则会用到模型实体本身，这就需要原始模型，或前文提到的保留模型实体精度、不带PMI信息的轻量化模型。

（4）何时转？谁来转？

从产品的研制流程看，轻量化模型既然是原始模型的附属，那么就应当在设计模型产生或受控之后同步产生，这样下游环节在应用時才能体现其价值。

（5）规范性建模。

前期实践发现，由于设计三维建模的不规范，三维模型轻量化转换过程中会出现特征、标注丢失及视图与标注不关联等问题，为此，还需建立相应的三维建模及标注规范并有效落实。

（6）轻量化应是一个完整体系。

尽管当前最迫切需要开展模型轻量化的对象主要是大数模，如电缆网、管路、结构部装、总装，但轻量化更应当以一个完整体系考虑。一个产品，不可能一部分保持原始模型，而另一部分实施轻量化，最终部装、总装又将这两类模型汇总到一起。

4 具体应用

从航天产品数字化研制体系的角度出发，结合各类产品的特点及其三维模型轻量化的需求，经选型对SView进行了定制开发，经过系统测试、功能改进，目前已在金属结构、结构板、结构部装、电缆网、管路等航天产品中得到应用，保障了航天产品数字化研制的顺利推进。

此外，通过与三维工艺系统平台Teamcenter的数据集成，实现了三维模型自动轻量化转换和轻量化模型的受控管理。

5 结语

该文从航天产品数字化研制流程出发，分析了各环节对三维模型轻量化的需求，结合典型产品特点，提出了三維模型具体应用途径和三维模型转化技术途径，并综合分析了三维模型轻量化的一些关键问题，最后介绍了三维模型轻量化在航天产品数字化研制中的具体应用。尽管该文提到三维模型轻量化主要用于浏览以满足各环节对产品PMI的获取需求，但将“轻量化”的两种输出形式合二为一，既能满足一些环节对模型实体的应用需求，又能保证模型PMI信息的完整性和一致性，必将是“轻量化”技术未来的发展方向。

参考文献

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