基于特征參數化方法的異構CAD衛星三維協同布局設計

王耀東 魏強 李學林 王新翔

(中國空間技術研究院通信衛星事業部，北京 100094)

隨著衛星系統復雜度的提高，跨地域、跨CAD平臺的衛星協同布局設計日趨頻繁。然而，由于不同CAD系統之間存在著異構性，如數據格式的不一致性、數據描述和存儲方法的差異性，造成CAD系統間模型和數據交換困難。為此，國際上的一些組織建立了CAD數據交換標準，如產品模型數據交互規范(Standard for the Exchange of Product Model Data，STEP)[1-2]，是目前應用最廣、幾何數據表達最完善的基于中性模型的數據交換標準之一，但應用于衛星協同布局過程中，存在著以下不足。

(1)雖能有效轉換幾何模型，但是MBD三維模型中的三維標注、物理特性等非幾何信息無法轉換，導致工程實際中仍然延用二維圖紙。

(2)該標準實際上是一種異步協同模式[3]，要求完成完整的模型數據后，再共享給其他用戶，因此無法進行實時的協同設計。

(3)模型數據量較大時，轉換耗費時間較長[4]，對計算機硬件要求較高，數據量在2～3 Gbyte的衛星布局模型，往往耗時1個小時以上，且容易發生系統癱瘓或網絡阻塞的情況。

這些也是異構CAD協同設計過程中遇到的普遍問題，文獻[5]提出了一種邊界表示模型的流化傳輸方法，該方法是把三維實體模型基于實際應用進行分割，把得到的分割體分別編碼并將其傳輸，通過這種方法實現邊界表示的流化傳輸，一定程度上提高了復雜模型的傳遞效率，但是模型屬性和參數等非幾何信息無法同步轉換；文獻[6]通過構造領域本體，屏蔽異構信息，初步實現了共享CAD造型，但只是針對特定CAD系統和特征，不具有普適性；文獻[7]提出了通過語義等價和語義模擬在應用本體和產品數據統一表示本體之間建立映射關系，以定義造型功能映射集合為基礎，實現數據交換可保存高層設計意圖，但是它需要為每個CAD系統編寫插件，比較繁瑣。本文提出了一種基于特征參數化方法的異構CAD模型轉換方法，將幾何特征以及材料、物理特性等非幾何特征均進行了參數化、數值化，通過XML將參數表單進行跨CAD系統的轉換，并結合STEP的中性模型，實現參數和幾何模型的同步轉換并關聯，從而實現模型的跨平臺批量轉換和布局的實時協同。

1 特征參數化方法

1.1 設備MBD三維模型特征定義及分類

所謂特征是指具有一定工程語義的幾何形狀或參數[8]。由于工程語義的種類不同，特征也被分為不同的種類。MBD三維模型(以下簡稱三維模型)是衛星協同布局設計的前提，不但包含機、電、熱以及布局位置等幾何相關特征，還包含尺寸、材料、物理特性等非幾何屬性特征，表1為特征分類及具體內容。

表1 模型特征分類及內容

1.2 特征參數化

基于STEP中性模型的異構CAD三維模型轉換僅是幾何邊界等低層語義特征，但是隨著MBD技術的出現，基于模型定義了三維標注、質量、材料、熱容等諸多信息，這對異構CAD三維模型數據的交換提出了挑戰。此外，從目前數字化技術的發展趨勢來看，模型化的目的是機器直接讀取模型并執行，盡量避免人為參與。因此，提出特征參數化方法，即將幾何特征與非幾何特征進行參數化、結構化，程序上保證幾何特征與結構化參數嚴格對應，從而實現同一個特征的幾何化和參數化兩種表示方式，模型轉換時進行分層抽象與傳遞。

特征進行參數化需要建立統一的參考坐標系R，原則是選取其中一個安裝孔作為坐標系原點，安裝底面與XOY面平行，Z軸垂直底面向上，模型位于坐標系的第一象限內。基于R坐標系，模型特征的參數示例見表2。

表2 模型特征參數化示例

續 表

布局特征的參數化[9]是指將設備模型在衛星的布局信息進行參數化的過程，在CAD系統內進行艙內的儀器設備布局后，可以得出每臺設備模型R坐標系坐標原點在衛星機械坐標系下的坐標值(x,y,z),以及設備模型R坐標系相對于衛星機械坐標系旋轉矩陣，再進一步將矩陣進行簡化，將矩陣轉換成歐拉角(α,β,γ)，為保證歐拉角的唯一性，確定歐拉角的輸出順序為繞衛星機械坐標系Z軸、Y軸、X軸進行換算，最后輸出設備模型R坐標系相對于衛星機械坐標系的旋轉向量T=[α,β,γ]，表3為布局特征參數化后的結果。由表3可知，每臺設備三維模型中有唯一的R坐標系與之對應，通過位置坐標和歐拉角共計6個參數，可以確定的描述每臺設備三維模型的空間布局信息，按照約定的設備代號，可以實現跨平臺的布局信息共享。

表3 布局特征參數化

2 異構CAD間協同布局

2.1 異構CAD設備三維模型數據轉換

三維模型經過特征參數化定義后，模型數據由幾何模型和特征參數化參數兩部分構成，如圖1所示。

圖1 三維模型數據構成Fig.1 3D model data structure

模型的轉換從幾何模型與特征參數化參數兩個層面進行轉換，其中，幾何主要面向對象是人，而參數化主要面向對象是計算機，在目標CAD系統中重新將幾何與參數組合，具體實現邏輯見圖2。

模型幾何數據轉換的方法是以STEP的中性格式進行轉換，同時將裝配體模型收縮成零件模型，以減小模型轉換的數據量。其次，在模型幾何轉換的過程中需要參考每臺模型的R坐標系，作為異構系統間的共同基準，而在CAD系統的建模過程中，默認以絕對坐標系作為定位基準，因此，需要使R坐標系相對于模型來說與絕對坐標系重合，成為定位基準，其幾何變換矩陣是一個4×4的矩陣，即

(1)

參數信息的轉換主要依靠XML技術實現，除了描述數據對象外，部分地描述了處理它們的計算機程序的行為。基本思路是：在底層異構CAD模型數據格式和XML格式之間建立內在的映射關系，將異構參數數據發布為XML文檔，再根據XML技術實現XML的交換，讀取轉換后的XML以獲取原模型信息，實現特征參數化參數的完整轉換。

2.2 異構CAD協同布局流程

衛星傳統異構CAD協同布局方法是三維模型和二維圖紙聯合的模式，二維圖紙作為正式依據，三維作為設計驗證手段，首先進行三維模型的格式轉換，然后將二維圖紙的設備機、電、熱信息逐臺添加到三維模型，雙方主要基于二維布局圖紙進行布局信息的協同和受控傳遞。二維、三維并存的布局流程，模型轉換僅進行幾何數據轉換，其他MBD定義信息采用二維圖紙進行傳遞，存在著如引言中所述的問題，三維模型轉換和二維圖紙屬性信息添加工作量極大，且數據源不統一。

基于特征參數化方法的異構CAD協同布局過程中，將三維模型作為協同的唯一數據源，取消二維圖紙，并通過XML表單傳遞機電熱特征參數和布局特征參數，實現異構CAD間三維模型共享和布局模型的同步，實現了實時協同布局設計，具體實現過程如圖3所示。

圖3 基于特征參數化方法的協同布局過程

3 工程應用

本文以某衛星研制過程中的單機三維模型轉換以及布局模型協同為例，將單機三維模型批量從Pro/E系統導入到CATIA系統，即將Pro/E模型轉換為CATIA模型，同時，實現布局裝配的復雜模型在兩套異構CAD系統間同步自動創建。本實例基于CAD系統二次開發技術，以Microsoft Visual Studio 2008和VB6.0作為開發平臺進行實施。從Pro/E模型轉換到具有特征參數化參數的CATIA三維模型(見圖4)，在該模型的結構樹的非幾何信息中，包含所有特征的參數化信息以及相應的數值，同時，該屬性信息與三維模型幾何互相關聯。

圖4 特征參數化后三維模型Fig.4 Digital prototype of equipment after transferred

基于特征參數化方法，將產品物理特性、三維標注等非幾何信息進行了參數化，轉換過程中信息不會丟失，進而取消了二維圖紙的信息傳遞，實現了全三維模型的批量轉換，顯著提高了效率，二維三維并存的模型轉換方法與全三維模型轉換方法的步驟及耗時對比見表4，對于一般東方紅4號平臺衛星載荷艙內約500臺設備，節省的總時間很可觀。

表4 二維三維并存的模型轉換方法與全三維模型轉換方法步驟及耗時對比

單機設備三維模型經過批量轉換到CATIA系統后，即可基于統一的CATIA系統內進行實時的協同布局。CATIA系統內進行初步的儀器設備布局后，按照布局特征參數化提取方法，生成XML表單，共享給Pro/E系統，驅動單機三維模型自動裝配，自動創建與CATIA系統完全一致的布局模型，避免了原有的互相傳遞復雜的布局裝配模型，因此布局三維裝配模型的單次轉換的時間也由原來的1 h以上大幅度壓縮至5 min以內。對于布局迭代與更新，通過XML表單的差異比對，可以識別出布局變化的信息，進行個別模型的布局信息的更新，同時對XML版本進行控制，即實現了異構CAD系統的實時協同布局設計。

4 結束語

基于特征參數化的異構CAD模型批量轉換以及協同布局方法具有普適性和可推廣性，對任何異構CAD平臺之間協同均可以應用，該思路也可以為其他異構信息化系統的協同問題提供借鑒。該方法解決了基于STEP中性模型的異構CAD衛星協同布局的過程中的問題。

(1)實現了單機設備三維模型批量的幾何和非幾何特征同步轉換，信息無丟失，三維模型作為唯一數據源，取消了二維圖紙。

(2)通過對布局特征進行參數化，每臺設備模型的布局特征通過參數進行確定，通過XML表單實現了布局信息的實時共享，通過版本差異自動比對，快速定位布局變動位置，實現CAD系統協同布局設計。

(3)對于布局完成的整星復雜模型，無需進行全部模型數據的轉換，只需傳遞XML布局表單，可驅動異構CAD系統內的單機設備模型進行整星模型的快速重建，對于布局迭代更新，只對增量模型進行更新，整星布局模型交互時間縮短為5 min以內。