基于PDM平台的三维模型构建标准化管理研究

胡晓娅 刘苏 张博旸

（首都航天机械有限公司，北京，100076）

文 摘：基于PDM（产品数据管理）平台的三维模型结构标准化管理，能够有效解决航天产品全面数字化过程中出现的三维模型管理和模型信息传递等问题。基于PDM 平台，开展三维模型结构标准化管理，从产品设计源头出发，采用若干面向PDM 的三维模型结构化管理方法，形成标准化的操作流程，结合信息手段将校验功能嵌入到平台中，为三维模型结构化管理标准化提供保障。

近来年，随着科研生产数字化能力建设的推进，航天企业开始全面深入推进航天产品三维数字化工程研制体系建设，型号设计部门全面实行全三维产品设计。航天产品设计模式的重大转变，使得制造单位接收到的设计数据从初期的零件制造和部段装配以二维图纸为主、总体装配以三维模型辅助的形式，过渡到三维模型全面取代二维图纸的阶段。但是作为拥有从零件到总体装配全生产链的制造单位，需要面对多个设计部门、多型号设计并存、复杂程度差异大等特点，导致制造单位需要接收并管理多个数据平台发放的不同三维设计软件设计的三维模型。产品设计数据是产品制造的唯一依据，产品设计数据的准确性直接影响产品质量。目前在产品设计数据管理中存在的问题，对产品质量的追求以及数字化制造技术，对设计数据的管理模式提出了跨越式的发展要求，基于统一系统平台的结构化设计数据管理模式的实施势在必行。

1 三维设计数据管理面临的问题及需求

1.1 三维设计数据管理面临的问题

从构建航天产品三维数字化工程研制体系这一未来发展方向来看，建设和使用统一的数据管理平台是体系构建的基础。其具有良好的兼容性，外部可以对接多种应用平台，内部可以管理多种数据类型，同时准确的获取、管理并传递相关的信息，实现设计数据的精准把控。通过PDM 数据平台管理设计数据的方法，并非直接将数据集中管理那么简单，而是需要从数据的源头入手，从设计、传递、导入到建立结构为止，对各阶段工作统一规则，形成标准化管理，才能使平台对不同平台的不同数据实现精准的信息提取和管控。目前三维设计数据管理主要存在以下问题。

a）设计软件不同导致设计平台差异大。由于航天产品种类较多，导致设计方式不同。传统的航天产品，使用自顶向下的设计方式，多采用Windchill 管理平台+CREO 软件设计。具有复杂曲面的产品则更多地采用VPM 管理平台+CATIA 软件设计。这就需要制造端的PDM 平台具备接收这两大平台的数据的功能，并在接收之后创建相同形式的结构树，以相同的展示和信息提取方式用于后续的生产，而目前不能做到完全的统一。

b）模型类别多。在三维模型建模过程中，为了方便生产计划制订、物资准备、工艺流程规划等，除了传统的装配模型和零件模型外，特别标注出统一箭体整体设计的骨架模型、方便物流提前备货的标准件、元器件模型、记录工艺信息的标记模型、示意装配位置的轻量化模型等，这需要制造端的PDM 平台自动识别出这些模型的类别，并按类别提取相应的模型信息存储。

c）模型属性待统一。每个类别的模型除了必须具备的如图号、名称、版本等属性外，不同的种类还有其特有的属性信息。比如标准件模型有分类、规格等属性，零件模型有材料标准、硬度、加工方法、研制阶段等属性。这需要设计与制造部门共同进行约定，并通过平台间的传递和校验功能实现模型属性参数的精确管理。

1.2 三维设计数据管理的需求

通过PDM 平台管理三维模型并使之成为结构化数据，需要对传统的、面向人工制造的设计方法进行改革，同时对各类信息加以系统校验辅助，形成从设计规范到接收管理的一套技术标准，全面打通三维数字化设计和制造链路，为数据驱动生产打下良好基础。

应从三维模型建模阶段开始，对三维模型的类别以及每种类别的模型属性信息进行详细分类，最终形成具备可识别数据信息的设计数据。在系统平台方面，对PDM 平台进行针对性设计，使之可同时对接多个设计数据管理平台，准确识别设计数据类别，根据不同类别存储、构建模型结构，提取模型属性信息，结构化存储，方便下游系统的调用，并增加校验功能，通过系统的自动排查，实现基于系统的全自动化三维模型结构化管理。

2 模型设计管理标准

基于PDM 的三维模型结构化管理在产品设计阶段需要考虑系统提取模型信息的可实现性[1]，首先自顶向下先确定产品结构树的整体结构和命名、编码规则，然后确定每种类别的模型应有的属性信息，最后进行完整的审批签署。

2.1 产品结构树创建标准

产品结构树由规划部分和实体部分组成。规划部分反映型号的研制分工，包括型号层、系统层、产品分类层和产品层。实体部分在产品层之下，挂接产品三维模型，反映产品的装配关系。实体部分包含三维模型、设计文件、研试文件、基线等反映产品设计意图的数据，是直接指导生产制造的设计文件，也是发送给制造端PDM 系统的数据来源。由于整发产品的数据量较大，可按装配特点，分为总体装配结构树和部段装配结构树。由于总体装配在实际装配过程中对电缆、仪器、部段对接接口的关注度较高，对零件的装配信息需求不大，所以总体装配树可构建成最底层节点为部段轻量化模型的结构树。部段装配在实际装配过程中关注零件结构信息，所以部段装配树的所有节点必须包含全产品信息的实体模型。产品结构树的定义规则如图1 所示。

图1 产品结构树规则

2.2 三维模型命名标准

三维模型结构化管理中，系统区分三维模型的类别主要依靠模型的命名，所以三维模型的命名必须制定相应标准并严格执行。模型文件的名称由产品代号、产品图号、类别名、阶段号、文件格式五部分组成，具体如图2 所示。其中类别名明确模型的类别，如骨架模型为SKEL、轻量化模型为LIGHT、电缆模型为HRS 等。文件格式用于区分建模软件是CATIA 还是CREO。阶段号用于标记产品模型所处的阶段，在创建模型结构树时可通过判断阶段号避免高阶段装配模型引用低阶段模型的错误。

图2 命名规则

2.3 三维模型属性信息填写标准

模型属性信息的正确填写，直接影响系统提取信息转换为结构化数据的成功率，所以在设计模型时，需按标准填写模型的属性信息。按模型的类别如标准件需填写规格、分类等，零件需填写材料、加工方法等，如图3 所示。将这些信息提取、汇总成统一格式的属性单元，并与模型同时传递给下游制造端PDM 系统。

图3 模型属性信息

3 基于PDM 平台的管理标准

PDM 的主要任务是电子化管理设计三维模型，同时进行过程管理。过程管理是对三维模型的整个接收过程进行控制[2]，并使三维模型中任何不符合标准的信息都被筛查出来，从整体上提高模型质量，提高模型后续的利用率。

3.1 设计数据接收管理

3.1.1 数据传递过程管理

为了能够更好的接收和管理上游设计平台下发的设计数据，需要从术语运用、接口实现方面提供标准化与规范化的定义，并以此为基础实现不同平台之间的数据传递。设计数据传递过程如图4 所示。产品三维模型设计完成后，在上游设计平台完成审批工作，将所有数据以数据增量的形式，打包成符合标准的数据包发送到中间服务器上，并在中间服务器的数据库表单中记录信息，制造端PDM 平台定时读取中间服务器数据库表单，将新写入的数据包下载并导入到平台，然后将结果回写到表单中，到此数据传递过程结束。

图4 设计数据传递过程

3.1.2 数据包标准格式

数据包是否符合规范是设计数据传递成功与否的重要因素。数据包由两个部分组成：三维模型和导入文件。导入文件中需要包含模型本身的信息和装配信息。以CATIA 数据为例，文件中包含模型版本、属性、类型、物理地址以及子装配件的管理信息，具体如图5 所示。

图5 导入文件信息

3.2 模型结构树构建管理

设计模型进入制造端的PDM 系统后，需要在系统内重新构建设计结构树。结构树的构建必须符合零部件装配层次关系，结构层次应按部段、模块进行划分，尽可能满足产品的可装配要求，并具备完整性[3]。除产品骨架模型外，所有在实际生产中用到的零件均应在结构树上体现。产品设计结构树的属性与模型属性不同，产品设计结构树的属性应对这类属性单独定义，如零件在产品结构树上的数量、加工工艺路线等。结构树构建完成后固定为基线用于历史数据保存和状态追溯。

3.3 数据校验标准

设计数据包中的数据是产品质量的基础，数据不完整或数据格式不正确，都将会导致系统提取设计数据失败或产生错误，最终导致设计数据不正确[4]。所以需要对每个进入系统的数据包进行数据校验。数据进入系统前的标准校验流程如图6 所示。

图6 数据校验流程图

校验程序是在数据导入前对数据包执行的标准校验，校验的范围包括数据的完整性、对应性、唯一性，并按检查结构分为数据可导入和不能导入两类。不能通过校验程序的数据将错误提示形成校验日志并通知系统管理员手动处理，排除错误后再次执行校验程序；通过校验程序的数据，直接执行数据导入程序，并将校验过程中的风险提示一同记录到导入日志中，便于后续追溯。

通过将三维模型构建管理标准嵌入到PDM 平台中，实现了跨网域同时接收三个不同设计平台的三维产品数据，并以相同结构形式在PDM 平台中重建产品结构树，通过数据校验程序提前发现数据错误、格式差异以及遗漏项目，直接避免了原来设计数据源不统一、数据内容杂乱等问题，目前该模式已应用到所有基于三维设计的产品数据管理中，达到了真正的数据统一管理。