基于特征参数化方法的异构CAD卫星三维协同布局设计

王耀东 魏强 李学林 王新翔

(中国空间技术研究院通信卫星事业部，北京 100094)

随着卫星系统复杂度的提高，跨地域、跨CAD平台的卫星协同布局设计日趋频繁。然而，由于不同CAD系统之间存在着异构性，如数据格式的不一致性、数据描述和存储方法的差异性，造成CAD系统间模型和数据交换困难。为此，国际上的一些组织建立了CAD数据交换标准，如产品模型数据交互规范(Standard for the Exchange of Product Model Data，STEP)[1-2]，是目前应用最广、几何数据表达最完善的基于中性模型的数据交换标准之一，但应用于卫星协同布局过程中，存在着以下不足。

(1)虽能有效转换几何模型，但是MBD三维模型中的三维标注、物理特性等非几何信息无法转换，导致工程实际中仍然延用二维图纸。

(2)该标准实际上是一种异步协同模式[3]，要求完成完整的模型数据后，再共享给其他用户，因此无法进行实时的协同设计。

(3)模型数据量较大时，转换耗费时间较长[4]，对计算机硬件要求较高，数据量在2～3 Gbyte的卫星布局模型，往往耗时1个小时以上，且容易发生系统瘫痪或网络阻塞的情况。

这些也是异构CAD协同设计过程中遇到的普遍问题，文献[5]提出了一种边界表示模型的流化传输方法，该方法是把三维实体模型基于实际应用进行分割，把得到的分割体分别编码并将其传输，通过这种方法实现边界表示的流化传输，一定程度上提高了复杂模型的传递效率，但是模型属性和参数等非几何信息无法同步转换；文献[6]通过构造领域本体，屏蔽异构信息，初步实现了共享CAD造型，但只是针对特定CAD系统和特征，不具有普适性；文献[7]提出了通过语义等价和语义模拟在应用本体和产品数据统一表示本体之间建立映射关系，以定义造型功能映射集合为基础，实现数据交换可保存高层设计意图，但是它需要为每个CAD系统编写插件，比较繁琐。本文提出了一种基于特征参数化方法的异构CAD模型转换方法，将几何特征以及材料、物理特性等非几何特征均进行了参数化、数值化，通过XML将参数表单进行跨CAD系统的转换，并结合STEP的中性模型，实现参数和几何模型的同步转换并关联，从而实现模型的跨平台批量转换和布局的实时协同。

1 特征参数化方法

1.1 设备MBD三维模型特征定义及分类

所谓特征是指具有一定工程语义的几何形状或参数[8]。由于工程语义的种类不同，特征也被分为不同的种类。MBD三维模型(以下简称三维模型)是卫星协同布局设计的前提，不但包含机、电、热以及布局位置等几何相关特征，还包含尺寸、材料、物理特性等非几何属性特征，表1为特征分类及具体内容。

表1 模型特征分类及内容

1.2 特征参数化

基于STEP中性模型的异构CAD三维模型转换仅是几何边界等低层语义特征，但是随着MBD技术的出现，基于模型定义了三维标注、质量、材料、热容等诸多信息，这对异构CAD三维模型数据的交换提出了挑战。此外，从目前数字化技术的发展趋势来看，模型化的目的是机器直接读取模型并执行，尽量避免人为参与。因此，提出特征参数化方法，即将几何特征与非几何特征进行参数化、结构化，程序上保证几何特征与结构化参数严格对应，从而实现同一个特征的几何化和参数化两种表示方式，模型转换时进行分层抽象与传递。

特征进行参数化需要建立统一的参考坐标系R，原则是选取其中一个安装孔作为坐标系原点，安装底面与XOY面平行，Z轴垂直底面向上，模型位于坐标系的第一象限内。基于R坐标系，模型特征的参数示例见表2。

表2 模型特征参数化示例

续 表

布局特征的参数化[9]是指将设备模型在卫星的布局信息进行参数化的过程，在CAD系统内进行舱内的仪器设备布局后，可以得出每台设备模型R坐标系坐标原点在卫星机械坐标系下的坐标值(x,y,z),以及设备模型R坐标系相对于卫星机械坐标系旋转矩阵，再进一步将矩阵进行简化，将矩阵转换成欧拉角(α,β,γ)，为保证欧拉角的唯一性，确定欧拉角的输出顺序为绕卫星机械坐标系Z轴、Y轴、X轴进行换算，最后输出设备模型R坐标系相对于卫星机械坐标系的旋转向量T=[α,β,γ]，表3为布局特征参数化后的结果。由表3可知，每台设备三维模型中有唯一的R坐标系与之对应，通过位置坐标和欧拉角共计6个参数，可以确定的描述每台设备三维模型的空间布局信息，按照约定的设备代号，可以实现跨平台的布局信息共享。

表3 布局特征参数化

2 异构CAD间协同布局

2.1 异构CAD设备三维模型数据转换

三维模型经过特征参数化定义后，模型数据由几何模型和特征参数化参数两部分构成，如图1所示。

图1 三维模型数据构成Fig.1 3D model data structure

模型的转换从几何模型与特征参数化参数两个层面进行转换，其中，几何主要面向对象是人，而参数化主要面向对象是计算机，在目标CAD系统中重新将几何与参数组合，具体实现逻辑见图2。

模型几何数据转换的方法是以STEP的中性格式进行转换，同时将装配体模型收缩成零件模型，以减小模型转换的数据量。其次，在模型几何转换的过程中需要参考每台模型的R坐标系，作为异构系统间的共同基准，而在CAD系统的建模过程中，默认以绝对坐标系作为定位基准，因此，需要使R坐标系相对于模型来说与绝对坐标系重合，成为定位基准，其几何变换矩阵是一个4×4的矩阵，即

(1)

参数信息的转换主要依靠XML技术实现，除了描述数据对象外，部分地描述了处理它们的计算机程序的行为。基本思路是：在底层异构CAD模型数据格式和XML格式之间建立内在的映射关系，将异构参数数据发布为XML文档，再根据XML技术实现XML的交换，读取转换后的XML以获取原模型信息，实现特征参数化参数的完整转换。

2.2 异构CAD协同布局流程

卫星传统异构CAD协同布局方法是三维模型和二维图纸联合的模式，二维图纸作为正式依据，三维作为设计验证手段，首先进行三维模型的格式转换，然后将二维图纸的设备机、电、热信息逐台添加到三维模型，双方主要基于二维布局图纸进行布局信息的协同和受控传递。二维、三维并存的布局流程，模型转换仅进行几何数据转换，其他MBD定义信息采用二维图纸进行传递，存在着如引言中所述的问题，三维模型转换和二维图纸属性信息添加工作量极大，且数据源不统一。

基于特征参数化方法的异构CAD协同布局过程中，将三维模型作为协同的唯一数据源，取消二维图纸，并通过XML表单传递机电热特征参数和布局特征参数，实现异构CAD间三维模型共享和布局模型的同步，实现了实时协同布局设计，具体实现过程如图3所示。

图3 基于特征参数化方法的协同布局过程

3 工程应用

本文以某卫星研制过程中的单机三维模型转换以及布局模型协同为例，将单机三维模型批量从Pro/E系统导入到CATIA系统，即将Pro/E模型转换为CATIA模型，同时，实现布局装配的复杂模型在两套异构CAD系统间同步自动创建。本实例基于CAD系统二次开发技术，以Microsoft Visual Studio 2008和VB6.0作为开发平台进行实施。从Pro/E模型转换到具有特征参数化参数的CATIA三维模型(见图4)，在该模型的结构树的非几何信息中，包含所有特征的参数化信息以及相应的数值，同时，该属性信息与三维模型几何互相关联。

图4 特征参数化后三维模型Fig.4 Digital prototype of equipment after transferred

基于特征参数化方法，将产品物理特性、三维标注等非几何信息进行了参数化，转换过程中信息不会丢失，进而取消了二维图纸的信息传递，实现了全三维模型的批量转换，显著提高了效率，二维三维并存的模型转换方法与全三维模型转换方法的步骤及耗时对比见表4，对于一般东方红4号平台卫星载荷舱内约500台设备，节省的总时间很可观。

表4 二维三维并存的模型转换方法与全三维模型转换方法步骤及耗时对比

单机设备三维模型经过批量转换到CATIA系统后，即可基于统一的CATIA系统内进行实时的协同布局。CATIA系统内进行初步的仪器设备布局后，按照布局特征参数化提取方法，生成XML表单，共享给Pro/E系统，驱动单机三维模型自动装配，自动创建与CATIA系统完全一致的布局模型，避免了原有的互相传递复杂的布局装配模型，因此布局三维装配模型的单次转换的时间也由原来的1 h以上大幅度压缩至5 min以内。对于布局迭代与更新，通过XML表单的差异比对，可以识别出布局变化的信息，进行个别模型的布局信息的更新，同时对XML版本进行控制，即实现了异构CAD系统的实时协同布局设计。

4 结束语

基于特征参数化的异构CAD模型批量转换以及协同布局方法具有普适性和可推广性，对任何异构CAD平台之间协同均可以应用，该思路也可以为其他异构信息化系统的协同问题提供借鉴。该方法解决了基于STEP中性模型的异构CAD卫星协同布局的过程中的问题。

(1)实现了单机设备三维模型批量的几何和非几何特征同步转换，信息无丢失，三维模型作为唯一数据源，取消了二维图纸。

(2)通过对布局特征进行参数化，每台设备模型的布局特征通过参数进行确定，通过XML表单实现了布局信息的实时共享，通过版本差异自动比对，快速定位布局变动位置，实现CAD系统协同布局设计。

(3)对于布局完成的整星复杂模型，无需进行全部模型数据的转换，只需传递XML布局表单，可驱动异构CAD系统内的单机设备模型进行整星模型的快速重建，对于布局迭代更新，只对增量模型进行更新，整星布局模型交互时间缩短为5 min以内。