基于三维研制模式的设计模型跨平台转换技术

颜家勇 周莹皓 乐 毅 张加波



基于三维研制模式的设计模型跨平台转换技术

颜家勇 周莹皓 乐 毅 张加波

（北京卫星制造厂，北京 100094）

在全三维研制模式下，产品数据传递的主要载体是带有制造信息的三维设计模型。分析了全三维研制模式下，模型应当具备四个要素才能满足制造信息的完整性。通过调研发现，没有同时满足这四要素的模型格式能够在不同CAD/CAM平台间传递，导致制造信息的传递出现障碍。因此提出基于主模型的并行传递模式，解决了设计模型四要素在制造阶段的完整表达，由主模型派生出轻量化模型和各类工艺模型的转换方法，并成功应用于部分型号产品的全三维研制。

全三维研制；轻量化模型；工艺模型；参数化重构

1 引言

三维设计模型是目前取代二维图样，在设计与制造之间传递信息的主要表达方式。当前大多数行业已使用三维软件设计，而制造部门大都是以二维图纸作为依据，进行物料下发、工艺准备、车间流转、机加成形和集成装配。使用三维模型作为制造依据可以简化设计阶段三维转二维的过程，如何避免制造环节再次发生三维转二维的现象，有必要研究制造阶段如何利用设计三维模型。然而，设计模型有时并不能完全适用于制造过程，主要体现在：

a. 不同CAD/CAM平台模型如何交换；

b. 如何对设计数据，如曲线、曲面、模型特征保密；

c. 如何使用设计模型快速制备钣金、成形件；

d. 如何给车间操作者提供简洁的模型浏览器，同时不会更改模型本身。

本文将解决全三维研制模式下，如何实现模型在不同CAD/CAM平台的传递，并实现模型数据在制造阶段的有效利用。

2 设计模型四要素及跨平台转换问题

2.1 全三维模式下设计模型四要素

与二维图样对比分析可知，三维设计模型应当同时具备模型几何、装配关系、标注和属性等四个方面的要素，才能够将设计意图完整、准确地表达[1]，如图1所示：

a. 模型几何：产品定义数据中表达设计产品的几何元素；

b. 装配关系：模型几何之间的相互约束和位置关系；

c. 标注：无需手工或外部处理即可见的尺寸、公差、注释、文本和符号；

d. 属性：表达产品定义或产品模型特征所需的不可见的尺寸、公差、注释、文本或符号，但这些信息可查询得到。

如果在制造阶段需要使用设计模型，则设计模型的四个要素应当具备以下特征：

a. 模型几何：坐标系、形状、比例和单位在制造方的CAD/CAM系统中不改变，并能够在模型几何上查询，进行工装、钣金、数控程序等工艺设计；

b. 装配关系：各零、部件的约束关系和相对位置不发生变化；

c. 标注：设计模型所有标注应可见，包括中、英文、数字、标点符号和特殊字符，根据GB/T24734—2009数字化产品定义数据通则的要求，模型几何与标注间关联，能够高亮显示；所有投影、剖切和轴侧视图与转换前模型保持一致；

d. 属性：能够正确显示制造部门所需的属性值。

图1 三维CAD模型的四个要素

2.2 跨平台转换下的模型格式问题

通过调研和大量的转换测试后发现，没有同时满足这四要素的模型格式可以在不同CAD/CAM平台间传递，测试结果如表1所示。

表1 三维模型向其它格式转换后的部分指标满足情况

转换方式模型几何装配关系标注属性 精度与比例工艺建模能力约束关系相对位置字符显示与模型几何关联投影剖切视向剖切面 Pro/E->pvz√××√√√√√√√√ Pro/E->JT√××√××√×××× Pro/E->3dxml无法转换 CATIA->3dxml√××√√√√√√√√ CATIA-> JT√××√××√×××× CATIA->pvz无法转换 NX-> JT√××√√√√√√√√ NX->3dxml无法转换 NX->pvz无法转换 Pro/E->STEP√√×√××××××× CATIA->STEP√√×√××××××× NX->STEP√√×√×××××××

注：1.以上测试基于的版本为Pro/E5.0 M110，Siemens NX8.0、CATIA V5R16；2.部分转换方式使用了专用工具，以保证获得转换后的最佳情况。

标准中间格式无法转换标注和属性。STEP[2]、IGES等中性标准格式，以及CATIA、Pro/E、Siemens NX之间相互直读模型基本能够较好地满足模型几何与转配关系的转换要求，但在标注和属性方面除了个别尺寸能够转换外（借助了单独的转换工具），有投影、剖切要求的标注转换均存在失败情况，远不能满足工程化的要求。这主要是由于：在三维模型上标注和接口仍属于一个新领域，GB/T 24734—2009数字化产品定义数据通则只提及标注的样式，未提及标注的接口协议，缺乏对标注转换接口开发的参考依据；CAD软件公司出于商业利益的考虑，不开放接口甚至加密了标注数据，以防止用户可以随意更换其它公司的软件产品反而给自己造成损失。

轻量化模型能够转换标注和属性，但无法在不同CAD平台间传递。主流CAD软件公司轻量化模型软件能够很好的支持自己的三维模型格式，并能够通过去除模型的建模历史，保密设计数据，并最大程度缩减存储空间。PTC公司的轻量化模型模式*.pvz、达索公司的*.3dxml和西门子公司的*.jt，提供了价格便宜甚至是免费的轻量化模型查看软件。

3 轻量化模型转换

通过对表1分析，由于轻量化模型能够完整地保留标注和属性，且模型精度满足测量查询，因此轻量化模型作为车间现场模型能够显示所有制造信息，可以代替二维图样在车间传递。PTC公司的Pro/E（Creo View），Siemens公司的Teamcenter Visualization以及达索公司的3DVIA Composer为轻量化模型的实时浏览提供了非常便捷的软件界面，界面中允许对模型进行查看、检索和批注，如图2所示，但不会对模型本身编辑和修改，为建模历史和设计核心参数提供了保护。

图2 轻量化模型查看界面

4 制造模型转换

4.1 中性格式制造模型转换

标准中间模型STEP、IGES能够在各CAD软件平台间传递。工装设计、数控编程时对模型几何的精度和装配关系的正确性更有意义，如图3所示，主流CAD软件所支持的STEP AP203和A214转换协议为此提供了良好的保证。此外，Siemens NX、PTC Creo和CATIA都能够相互读取对方的模型格式。不基于建模历史的建模技术——同步建模和直接建模技术使得在没有历史的模型上进行二次编辑成为可能[4]。

图3 模型数控程序编制

4.2 模型结构树转换

工艺设计时确实需要设计建模历史即模型结构树，若重新建模工作量很大，虽然主流CAD软件的内部架构不同，但由于对产品数据交换需求确实存在，不少提供产品数据转换服务的公司，如美国Trans Magic公司、英国Theorem solution公司，推出了商业化的专用数据转换工具软件和修补软件。如Siemens PLM公司在其Teamcenter平台上开发的Content Migration Manager（CMM）插件能够将目前主流的CAD模型，如CATIA、Pro/E和Ideas进行转换，并保留建模历史信息（草图、拉伸、阵列等特征）和装配信息。如图4所示，Pro/E模型通过CMM转换得到了具有建模历史的NX格式模型，在该模型基础上进行修补后可以减少重复建模的工作量。

a 转换前的pro/E模型 b 转换后待修补的NX模型

4.3 制造模型参数化重构

以成形方式（钣金、模具成形）制造的零件无法直接使用中性格式或采用结构树转换并修补的模型进行工艺操作，只能据设计模型的尺寸重建展开的工艺模型。手工重建依然工作量巨大。但对于较成熟、类型相似的零件可采用参数化重构的方式创建工艺模型。如图5所示，通过二次开发，提取整体壁板的Pro/E设计参数，将设计参数导入到Siemens NX系统中，系统会根据这些设计参数完成对整体壁板展开工艺模型的自动化重构。通过参数的直接导入避免了手工输入存在错误的风险，极大减少了重复建模的工作量。

a 设计模型及设计参数

b 制造模型及参数化重构

图5 整体壁板制造模型参数化重构

5 跨平台模型转换解决方案

5.1 基于主模型的跨平台传递方式

解决了模型格式的转换后，就可以实现基于主模型（设计模型）向制造和装配数据的并行传递，而不再是基于二维图样的串行传递，不同角色的操作者（设计、工艺、调度、车间操作、检验）可以在同一个系统下同时查看和编辑。如图6所示。轻量化模型由于完整保留了模型几何、装配关系、标注和属性四要素，可以作为设计图样在整个制造过程中传递。而工艺模型和检测模型由于只偏重对模型几何和装配关系的精确性的要求，使用中性格式、结构树转换、工艺模型重构这三类方式可解决不同CAD软件中的模型传递。

图6 基于主模型的跨平台模型传递方式

5.2 设计模型批量化转换

设计模型应尽可能进行自动化转换，以避免人工介入而产生质量隐患。通过配置模型转换服务器，实现设计模型向轻量化模型、中性格式模型的批量化转换，并将转换后的模型直接保存在服务器上进行受控管理，当设计模型版本更新时，设置触发机制对派生模型进行更新或通知工艺人员进行版本确认。PTC公司Creo Elements/Pro Distributed Batch插件、Siemens公司NX Translator插件通过服务器端配置，可以实现模型的批量化自动转换，并将模型直接保存在服务器上进行受控管理，如图7所示。

a Pro/E分布式批量模型转换器 b 转换后的受控设计模型和轻量化模型

5.3 跨平台传递在航天产品中的应用

通过对三维设计模型组成、格式转换和工程化应用研究，逐步解决了基于设计主模型在跨CAD平台的型号应用，打通了结构板、端框、桁条、管路、支架和壁板等多类机械产品跨平台模型传递的技术路线，实现了航天结构机构类产品以三维模型向制造下游传递的可行性，对模型组织管理和批量化传递进行深入研究，实现了模型传递与转换的自动化和批量化，保证了产品数据的完整和正确。表2为目前航天结构机构产品三维主模型的格式，以及跨平台转换后的轻量化模型格式和工艺模型格式。

表2 航天主要结构机构产品三维模型的格式一览表

模型种类主模型格式轻量化模型格式工艺模型格式（方法） 结构板（二维装配体）*.part(Pro/E)*.pvz*.part(NX)、*.dwg 端框、连接框（三维机加件）*.part(Pro/E)*.pvz*.stp、*.step、模型结构树转换 仪器支架（三维机加件）*.part(Pro/E)、*.CATpart*.pvz*.3dxml*.stp、*.step、模型结构树转换 桁条、管路（三维钣金件）*.part(Pro/E)*.pvz模型结构树转换 整体壁板（三维钣金件）*.part(Pro/E)*.pvz参数化重构

6 结束语

转换后的三维模型是工艺编制、车间生产的依据。设计制造模型转换不仅是一项技术，更是一项包含软件与系统、人员与分工、流程及规范的系统性工程。通过开展研究，解决全三维研制模式下，产品数据的跨平台传递和使用问题，实现了模型数据的有效性管理，提高了制造过程的模型重用能力，为基于全三维航天器产品数字化工程应用奠定基础。

1 GB/T 24734.1—2009 数字化产品定义数据通则[S]

2 SCRA. STEP application handbook version 3[R]，2006

3 张宝源，席平. 三维标注技术发展概况[J]. 工程图学学报，2011(4)：74～79

4 杨双荣，胡沙，李建军. CAD数据交换与互操作性的研究[J]. 计算机工程与设计，2010，31(7)：1580～1584

5 Sharma K J, Bowonder B. The making of boeing 777: a case study in concurrent engineering[J]. International Journal of Manufacturing Technology and Management,2004(6): 254～264

6 陈月根. 航天器数字化设计基础[M]. 北京：中国科学技术出版社，2010

Technology of Design Modeling Exchange between Different CAD/CAM Platforms Based on Full Three-Dimensional Manufacturing Mode

Yan Jiayong Zhou Yinghao Yue Yi Zhang Jiabo

(Beijing Spacecrafts, Beijing 100094)

3Ddesign model with product manufacturing information (PMI) is the major carrier of product data transformation on full 3D manufacturing mode. Integrity of PMI transformation needs four model factors. The survey results show that design model with whole four factors can’t be transformed completely between different CAD/CAM platforms. A parallel passing mode based on master model is proposed in this paper. Modeling exchange methods such as lightweight model exchange and process model exchange can be used to express the four factors perfectly at the manufacturing stage, and this method is successfully used in full 3D manufacturing of some products.

full 3D manufacturing mode；lightweight model；process model；parametric reconstruction

颜家勇（1985），工程师，机械制造专业；研究方向：数字化制造技术研究与应用。

2017-04-27