三维CAD在水电行业中推广应用的探讨

2017-08-29江翠伟

水电站机电技术 2017年5期

关键词：建模协同特征

邓杰，江翠伟

（中国水利水电科学研究院，北京 100038）

三维CAD在水电行业中推广应用的探讨

邓杰，江翠伟

（中国水利水电科学研究院，北京 100038）

从三维CAD的技术特点出发，讨论三维设计在现代工业中的意义，特别是在水电工程中推广应用的现实意义。三维设计的意义主要体现在与信息化时代的接轨，实现设计思想分享、协同设计、产品生命周期管理等现代化工程属性。三维设计的技术特点包括参数化、历史树、设计意图、特征、约束等要素，以及同步建模技术、可视化、与CAx的关联等先进应用功能。在行业中推广三维设计的关键问题是标准化和数据转换。本文对有关问题进行分析阐述，提出建议在水电行业中需要开展的工作。

3DCAD；CAD数据交换；水利水电；推广应用

1 引言

CAD在工程设计中使用已经40多年了。经历了从计算机辅助制图到计算机辅助设计，直至今日的所谓产品生命周期管理系统的演变历程。建模技术则经历了线框建模、曲面建模、实体建模、基于特征的参数化建模和同步建模等的过程。随着使用3DCAD系统的成本下降以及集成化发展，在企业中，特别是在中小企业中，设计工作的进程已经发生了巨大变化。3DCAD使快速准确的样机建模完成于初始设计阶段成为可能。3DCAD数据可以方便的在线上与客户和厂家分享。基于CAD的集成、通讯以及可视化的结合不断使设计开发成为以设计师为核心的工作。

从3DCAD用户群的发展来看，其推广应用存在着明显的不均衡。一方面是系统开发者和早期接受者的欣喜和热望，主要是汽车和航空领域的人。另一方面是对3D的认识缺乏，如3DCAD是什么，它是否必须要取代2DCAD（电子图板）。水电工程行业中3DCAD的推广应用尚有很大的上升空间，例如在设计院的普及方面，在施工单位和生产厂家的交流数据标准方面，在行标制定及建设方面，以及在设计成果生命周期以及协同设计等方面。

本文将讨论对3DCAD的认识，3DCAD数据交换，推广3DCAD的主要问题，以及从水电工程行业来看，促进发展3DCAD的普及应用应注重开展哪些工作。

2 对3DCAD的认识

（1）典型3DCAD建模

对3D的认识应不仅仅是二维加上一维。3D CAD的设计思想与2D不同，更适合信息时代发展的需要。通常一个三维建模对象所具有的要素包括：特征、约束、参数化、历史树等。所有这些要素都是以数字化形式表现的。

1）特征是模型中具有本身特殊意义的局部形状构造。用特征建模就是一个加工工艺的仿真。

2）约束是模型具有的参数值或几何、拓扑元素之间的关系，规定了模型编辑操作中的不变特性，其意义通常为在修改时维护模型对象的功能性。

3）参数是指与模型中的尺寸或其他值关联的变量，这些变量表达了允许模型变化的规则。参数（变量）在赋值后，便创立了一个具体的具有设计尺寸的特征对象。当改变这些参数值时，对象也关联地发生改变，即“参数驱动”原理。

4）历史树描述了CAD系统生成的设计信息，记录了构建形体模型的工作程序，反映了设计意图和思路。

文献[1]以一个创建螺母3D模型的例子对上述3DCAD建模特点进行了简明阐述（图1）。通过插入一系列特征完成建模。

特征都通过一定的约束关系相互关联、相互定位。而六边形的草图也是具有完全约束的自定义特征。特征的尺寸和约束关系又都具有赋值的参数变量表达式，即是参数化的。整个建模过程则记录在历史树中（图2）。这样创建的全约束3D模型可以做为模版部件生成由电子表格驱动的部件族，自动创建零件系列。

图1 零件加工与特征建模的概念

图2 历史树

（2）同步建模

在参数化、基于历史记录建模的基础上，3D建模技术也在不断发展。例如 SiemensPLM Software推出的同步建模技术，可以同时进行几何图形与规则同步设计建模。该技术借助新的决策推理引擎，实时检查模型当前的几何条件，并将它们与新添加的参数和几何约束合并在一起，以便评估、构建新的几何模型并且编辑模型，无需重复全部历史记录。由于同步建模技术可以独立于创建方法进行编辑，具有快速编辑遗留的和第三方CAD数据的能力，在惰性模型编辑处理上具有极大的进步和优势。这一技术对于跨平台协同设计和计算机辅助工程（CAx）之间交换的数据编辑工作尤为给力。

例如进行离心泵叶片的建模时，基础特征（图3）是由水力计算结果导入的叶片正、背面曲面（非参数化实体或惰性模型）、由二者创建的进口边曲面，以及叶片轴面回转体（可以是惰性实体）。通过顺序插入4个同步建模特征，用叶片表面曲面替换回转体的表面，便可编辑出叶片实体（图4）。可见各曲面的外延趋势都是被智能识别的。这几个同步建模特征也是参数化的和全约束的。本例较之文献[1]中介绍的方法有了一个飞跃。

图3 同步建模前

图4 同步建模后

文献[2]也以一个零件特征编辑的例子比较了同步建模技术相对典型3D建模技术的优势，认为这种可独立于建模历史的构建技术是CAD技术今后发展的“主要方向”。其他一些关于同步建模技术的论述也强调了它相对“基于历史记录的建模方法”的优越性在于“非历史特征”建模法[3]。同步建模有2种模式：历史记录模式（如上例）和无历史记录模式。后者是非参数化的建模，所建模型没有返回编辑和更新的功能。文献[3]的说法应是针对“无历史记录模式”而言的。可以认为“无历史记录模式”为了非专业用户的体验而回归了2D建模思维，牺牲了“基于历史记录和特征参数”的3D建模特点。“非历史特征”建模法在应用时并非完全不考虑构建结构顺序，只是不做时间戳记，无法返回。如上例中，替换叶片“进口边曲面”必须在替换叶片正、背面曲面后才能完成。

同步建模应是与经典3D建模方法的互为补充，并非覆盖后者。基于特征、约束、参数化和历史记录的经典建模方法仍是原创设计团队的选择；同步建模则适于其他开发团队成员高效使用已有初始模型,包括分析与制造工程师。

（3）可视化

3DCAD的可视化功能可以让每个人都能使用高度复杂的3D模型。例如，在没有设计专业的人员、客户、供应商在场的情况下，工作人员可以在以下方面受益于便于访问的公司的3D模型库：协同设计审查，建立基于3D模型的多媒体报告，协同解决与跟踪问题，在线培训以及建立档案，网上销售及分包，客服示范，以及广告宣传[4]。

可视化让用户可以尽览设计成果的复杂信息，包括几何仿真视景，分析仿真结果等。图5是一个水利枢纽升船机的子机构全模型虚拟样机，它与3D参数化装配模型无缝关联，既可展示设计成果的真实全貌与细节，又可以动态模拟和分析设计原理和功能，并可以在任何模拟阶段自动更新修改原CAD装配模型。

图5 全模型虚拟样机

（4）信息化产业集成

3D设计工具不仅可以直接用于各种CAx应用，还作为CAx的一员是现代化工程管理系统的组成模块。例如西门子公司已将UGSNX集成在Teamcenter系统中。Teamcenter是在SOA的基础上建立的跨专业、跨项目阶段和计划的真正集成化的PLM（产品生命周期管理）解决方案，为大小制造企业提供了平台可扩展性、应用丰富性以及可配置性。其他著名3DCAD软件商，如PTC、达索（DS）等，也通过收购、整合等方式构建了自己的PLM系统[5]。

3 3DCAD的数据交换

推广3DCAD则必说协同设计和互联网，由此提出一个关键问题，就是数字化模型的数据交换。因历史原因及不同的开发目的，各商业CAD软件的开发语言各异，内部数据记录方式和处理方式也不相同，给CAD的数据交换与共享出了难题。不同企业在软件选用时也会有不同的考虑。文献[6]论述了一个水电设计院如何考虑三维设计软件选型的话题，仅一个企业内部也需要考虑不同功用的软件的兼容性。总之，无法避免的课题就是3DCAD的数据交换。

20世纪80年代以来，国外对数据交换标准做了大量的研制、制订工作，也产生了许多标准。如美国的DXF、IGES、ESP、PDES，法国的SET，德国的VDAIS、VDAFS，ISO的STEP等。这些标准都为CAD及其他CAx技术在各国的推广应用起到了极大的促进作用。

以 IGES （The InitialGraphics Exchange Specification初始化图形交换规范）为例，它是被定义基于CAx不同电脑系统之间的通用ANSI信息交换标准。支持IGES的软件通过前处理程序将当前系统内的选定模型输出为标准的IGES格式文件，另一个支持IGES的软件则通过后处理程序读取该标准文件并自动在本系统中生成相应的模型。

广为流行的STEP（StandardfortheExchangeof ProductModelData--产品模型数据交互规范）标准是国际标准化组织（ISO）制定的描述整个产品生命周期内产品信息的标准。它提供了一种不依赖具体系统的中性机制，旨在实现产品数据的交换和共享。这种描述的性质使得它不仅适合于交换文件，也适合于作为执行和分享产品数据库和存档的基础。一些国家已经把STEP标准推向了工业应用。应用STEP同样是用前处理程序生成模型数据的标准文本文件，由其他CAx软件读取并后处理生成3D模型。

不论是IGES、STEP，还是其他数据交换标准，目前都仅限于传递模型的几何数据，而3DCAD的重要属性--特征、约束、参数、历史树等--则丧失殆尽。这样传递的模型被称为惰性模型。使3DCAD协同设计的亮点大打折扣。

一些相关研究致力于完整参数化3D模型的数据交换。文献[7]介绍了对于具有参数化和约束的形体模型，进行其构建历史的跨系统交换的标准化基本原则。这些基本原则已应用于一个模型交换的概念证明试验，模型交换依据了STEP标准ISO10303的最新增强条款。几何数据及所得到的设计意图的正确性在覆盖范围上仅限于一个子集，而非实际转换器所要求的完整部分，并未解决所遇到的全部问题。

Guk-HeonChoi等在文献 [8]中评估了当时（2002年）各种3D模型数据转换的尝试后，提出一个解决方案，试图利用CAD软件内置的宏功能来进行完整3D模型的数据交换。这个思路来自数据库通过事件日志文件进行恢复的过程。他们尝试利用CAD软件的录制宏功能，创建记录建模过程的宏文件，通过一个前处理程序将其翻译为一个标准的宏文件。当需要在不同CAD系统上接受该模型文件时，则由一个后处理程序将标准宏文件翻译成该CAD软件的宏格式，然后在该软件中运行宏来重建模型并生成历史记录，包括相应的特征、参数和约束信息。为此需要定义一系列“标准命令”以做为“中间格式”，再开发出各个CAD系统对此中间格式的双向翻译程序。DuhwanMun等在文献[9]中介绍了标准命令系列定义的研究过程，并展示了应用特例。

Guk-HeonChoi等力图在没有CAD商家参与的情况下独立开发出模型转换工具，这种创意的实践势必任重道远，困难重重。因为每套系统都具有大量的内部命令和参数设置，操作习惯也不相同。在没有原商家配合的情况下参透其所有设计思路已是不易，加之软件版本的更新换代，小团队的工作力量很难跟得上大公司的开发进度。即使开发出来付诸应用，还须要求用户在设计过程中启动“宏录制”。工程设计过程显然不能象跟着教科书做练习那样按部就班，全程录制一个设计势必产生庞大的“日志”文件，内容包括无数操作垃圾，为后处理造成难以想象的困难。相比之下，文献[7]所走的国际标准化道路更为可行，但需要大CAD商家和各应用行业龙头的共同努力才能促成实用的国际标准出台。

文献[3]把同步建模技术列入对CAD数据交换的研究中，主要考虑到同步建模能够对在不同CAD系统之间传递的模型进行智能操作。但同步建模的目的并非是解决CAD数据交换的问题，它仅能识别明显的几何约束，提高对初始模型重用的效率。

在目前没有CAD数据交换的完美解决方案的情况下，上述文献为我们在推进3D模型数据交换方面提供了宝贵的思路，其中一些思想并非没有可能在企业或行业范畴里首先得到实践并创造价值。

4 3DCAD推广应用的意义

从时代的总体发展趋势看，不发展就意味着落后和淘汰。3D设计可以实现协同设计、用户参与、可视化、与CAx无缝连接、优化设计、仿真、全模拟虚拟样机，实现PDM、PLM、MRO等先进设计管理技术应用，大幅、高质量提高行业设计及管理水平。关于3DCAD的技术上的意义，已有很多共识。在我们水电行业也不乏众多体会和评价。文献[10]借用霍尔的“三维结构”从系统工程的角度有趣地论述了3D CAD的技术思想，并阐明其对水电工程建设的意义。

从推广战略的角度来看，还应看到这一项技术和我们时代的发展观念紧密相关。

在当今主流的发展理念中，“创新2.0”是以用户为中心、以社会实践为舞台、以共同创新、开放创新为特点的用户参与的创新。基于3DCAD的工程设计解决方案正是与“创新2.0”的思想不谋而合。人们早期对3D的期待[11]如今已成为现实，就是让非CAD专业的用户在第一时间或随时地可以在虚拟环境中交互地任意浏览3D模型，这样他们可以直接致力于处理完成他们本身的工作任务，而不必在不熟悉的交互界面上浪费宝贵时间和精力。

另一个主流发展概念“互联网+”则是对创新2.0时代新一代信息技术与创新2.0相互作用共同演化推进经济社会发展新形态的高度概括。“互联网+”的“跨界融合”特征体现为融合协同、群体智能、伙伴参与创新等。基于3DCAD的工程设计突出的可视化与协同设计功能可以顺理成章地创建工程中“跨界融合”的平台，使在工程项目中设计团队更好地协同工作，并可进行跨专业、跨单位的交流与合作。“创新驱动”的特征要求将过去粗放的资源驱动型增长方式转变到创新驱动发展的道路上来，体现互联网的特质。3DCAD的真正数字化特点正是实现工程设计资源互联网化的基础，3DCAD的上述特点提供了互联网思维的平台，可以有力推动发挥创新的力量。“重塑结构”的特征体现为用信息革命、全球化、互联网来改革原有的各种管理结构。较先进的企业已经实现了设计过程在线审查的“同步”过程，其审查对象为基于3DCAD平台的设计对象[11]。“尊重人性”的特征体现为对人性的最大限度的尊重、对人体验的敬畏、对人的创造性发挥的重视。3D CAD把人工智能理论和技术与CAD结合，使计算机支持人类思维，模拟人类的思维方法和行为能力，推动设计自动化迈向更高层面。“开放生态”特征就是要把过去制约创新的环节化解掉，把孤岛式创新连接起来，让研发由人性决定的市场驱动，更好地实现创新价值。3DCAD是实现设计研发一体化的实用工具和有机平台，通过进行协同设计避免部门和领域思维的局限，体现整体价值，甚至是跨企业、跨供应链产品的全生命周期的业务价值，关注解决方案的可集成性和互联网特性，避免落入领域最优整体不优的陷阱[7]。“连接一切”特征是“互联网+”的目标。首先要做的是实现所有资源的数字化。从工程设计上说，数字化的对象应包括上述3DCAD对象的所有特点，这样在被连接到可行的互联网范围后才能实现连接的作用与价值。

5 在水电工程行业推广使用3DCAD

在水利水电行业推广使用3DCAD的价值和意义就是要让水电工程的设计工作与时代同步。

一般认为我国水电工程三维设计的应用相对落后于其他行业。自PC普及以来，CAD在水电行业的应用也有30多年了。显然水电行业是完全接受CAD的。但从计算机辅助制图到辅助设计再到协同设计、管理，有一个很大的台阶要上。这不是从平面到空间的简单几何过渡，而是从传统的工作模式到数字化、信息化的革命。文献[12]给出了一个颇有价值的范例。某水电设计院大力推行三维协同设计，从平台建设、培训考核、技术交流，到项目实施，特别是制订了内部应用规划、实施办法、使用手册和操作手册等，使三维协同设计逐步走上系统化、规范化的道路。这种模式可以为其他水电单位所借鉴，亦不失为行业推行3DCAD规范化的蓝本。

关于在水电工程行业推广使用3DCAD的思路，本文抛砖引玉地提出以下思考。

（1）关于3DCAD意义讨论可以供单位决策者考虑。3D协同设计的思想和模式有助于一个单位的技术团队建设，有利于项目负责人或企业领导掌握整体设计工作。规范化的3D设计方法可维持设计系统的正常运转，即使当一个节点出现人员问题时，依据规范和已有历史记录的设计工作可以方便地移交到其他成员手中。可视化平台则便于跨专业的工作协调、交流、审查等。

（2）推广使用3DCAD的首要技术问题是平台建设。过去制约3D推广的一个问题是3D软件价格昂贵，中小企业望而止步。随着应用市场的蓬勃发展，社会经济的整体提高，以及3D软件价格下降，3D的使用成本将不再是制约性的问题。需要考虑的是如何结合本单位的发展，进行3D平台的选型，就象文献[6]介绍的那样。

（3）水电行业中包含诸多工程专业，水工、机械、电力等，应用软件首先要适合专业特点，又需要在行业内共享数据。因此数据转换、共享就是一个不可回避的问题。目前仍需依靠STEP和IGES这样的通用标准。可以考虑结合水电行业和专业特色进行二次开发。开展对通用标准的研究对促进水电行业数字化和信息化的发展具有实际意义。或许将来会出现水电行业的STEP协议，就象文献[13]介绍的船舶行业正在进行的研究一样。

在近阶段，也可以采用一些权宜方案弥补数据转换技术上的不足。例如在使用通用标准转换模型数据的同时，可按一定的规范生成建模历史记录可读报告——如在NX中导出“部件导航器列表”，其他设计者可阅读报告了解原设计的历史记录，并可使用同步建模技术对传递的惰性模型进行参数化编辑。

（4）制订3DCAD的行业标准。从协同设计和信息共享的趋势看，都需要有相应的规范和标准支持。CAD通用技术规范（GB/T17304-2009）规定了CAD通用技术的标准化内容及实现CAD通用技术应采用的标准。新的修订版特别强调了对通用的基于特征的参数化设计软件主要功能的考虑；CAx信息集成，兼容IGES、STEP等通用模型标准；在网络环境下支持协同设计、异地设计和信息共享；支持PDM；CAD系统的智能化、可视化和标准化等。

在该规范的指导下开发制订3DCAD的行业标准是实施标准化的重要步骤。行业标准可能包括水利、水工、机械、电力等专业的具体设计规程。规程的内容可考虑包括加入以下内容：

1）对特定零件、特征名称规定命名规则，便于对协同设计文件进行查询、编辑等操作。例如，水轮机零部件名称加前缀“水轮机_”，水轮机导叶名称为“水轮机_导叶[序号]”，等等。

2）对专业参数变量的规定，利于数据传递自动化等用途。例如，对特定参数使用规定的变量名称，象水轮机名义直径用D1表示，导叶高度用B0，等等。

3）建模全约束的规范。只有全约束的3D模型才能进行正确的参数驱动。

4）历史记录报告的生成。在数据共享需要传递惰性模型时，同时按规定传递可读性的历史记录报告。

5）制定适应水电行业需求的CAD模型质量标准或规范。三维CAD模型作为产品信息的重要源头，其数据质量影响到后续工作的效率和准确性。文献[14]研究了影响CAD模型数据质量的主要因素，提出了一些解决方案，并对航天企业的相关规范进行了论述，值得参考借鉴。

（5）组织开发建立行业或专业的标准件库，标准个性化特征库，知识熔接专业库（专业知识库）等。文献[15]介绍了一个基于网络的跨平台标准件库系统，可方便地嵌入到各种CAD平台中，实现模具的智能化设计。文献[16]介绍了一个使用知识熔接技术建立典型工装的标准件库的例子，其特点是通过控制工程规则，将特定的专业知识直接构建在产品模型中，从而能够构造完全可重复使用的知识库。类似的工作成果将大幅提高企业或行业的设计效率，有利于标准化建设和开展协同设计。

（6）对企业原有的有价值的设计成果进行数字化、三维化转换。传统行业中有大量知识财富以传统载体的形式存在，将其数字化并与网络接轨，可以使其原有价值提升，实现“互联网+”连接一切的目标。

（7）加强3D设计的培训和教学工作。逐步转变在应用3D设计时的二维设计思维，提高工程师的设计水平。

6 结论

时代发展的特点是信息化和网络化，基础是数字化。3DCAD是工程数字化的平台，是设计技术与时代发展的产物。3D的含义包括了特征、约束、参数化、可视化、智能化、协同化等多元属性。从企业发展战略和提高生产力、竞争力的角度看，都有必要推广3DCAD的应用。水电行业已有很好的应用例子，需要决策者和工程技术人员共同努力在行业内推动3D设计技术的普及应用。在现阶段的条件和基础上，可以从平台建设、标准化、系统化等方面出发，逐步走向全行业3D应用，使工程设计从计算机辅助制图全面转变为三维协同设计。

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