基于PDM平臺的三維模型構建標準化管理研究

胡曉婭 劉蘇 張博旸

（首都航天機械有限公司，北京，100076）

文 摘：基于PDM（產品數據管理）平臺的三維模型結構標準化管理，能夠有效解決航天產品全面數字化過程中出現的三維模型管理和模型信息傳遞等問題。基于PDM 平臺，開展三維模型結構標準化管理，從產品設計源頭出發，采用若干面向PDM 的三維模型結構化管理方法，形成標準化的操作流程，結合信息手段將校驗功能嵌入到平臺中，為三維模型結構化管理標準化提供保障。

近來年，隨著科研生產數字化能力建設的推進，航天企業開始全面深入推進航天產品三維數字化工程研制體系建設，型號設計部門全面實行全三維產品設計。航天產品設計模式的重大轉變，使得制造單位接收到的設計數據從初期的零件制造和部段裝配以二維圖紙為主、總體裝配以三維模型輔助的形式，過渡到三維模型全面取代二維圖紙的階段。但是作為擁有從零件到總體裝配全生產鏈的制造單位，需要面對多個設計部門、多型號設計并存、復雜程度差異大等特點，導致制造單位需要接收并管理多個數據平臺發放的不同三維設計軟件設計的三維模型。產品設計數據是產品制造的唯一依據，產品設計數據的準確性直接影響產品質量。目前在產品設計數據管理中存在的問題，對產品質量的追求以及數字化制造技術，對設計數據的管理模式提出了跨越式的發展要求，基于統一系統平臺的結構化設計數據管理模式的實施勢在必行。

1 三維設計數據管理面臨的問題及需求

1.1 三維設計數據管理面臨的問題

從構建航天產品三維數字化工程研制體系這一未來發展方向來看，建設和使用統一的數據管理平臺是體系構建的基礎。其具有良好的兼容性，外部可以對接多種應用平臺，內部可以管理多種數據類型，同時準確的獲取、管理并傳遞相關的信息，實現設計數據的精準把控。通過PDM 數據平臺管理設計數據的方法，并非直接將數據集中管理那么簡單，而是需要從數據的源頭入手，從設計、傳遞、導入到建立結構為止，對各階段工作統一規則，形成標準化管理，才能使平臺對不同平臺的不同數據實現精準的信息提取和管控。目前三維設計數據管理主要存在以下問題。

a）設計軟件不同導致設計平臺差異大。由于航天產品種類較多，導致設計方式不同。傳統的航天產品，使用自頂向下的設計方式，多采用Windchill 管理平臺+CREO 軟件設計。具有復雜曲面的產品則更多地采用VPM 管理平臺+CATIA 軟件設計。這就需要制造端的PDM 平臺具備接收這兩大平臺的數據的功能，并在接收之后創建相同形式的結構樹，以相同的展示和信息提取方式用于后續的生產，而目前不能做到完全的統一。

b）模型類別多。在三維模型建模過程中，為了方便生產計劃制訂、物資準備、工藝流程規劃等，除了傳統的裝配模型和零件模型外，特別標注出統一箭體整體設計的骨架模型、方便物流提前備貨的標準件、元器件模型、記錄工藝信息的標記模型、示意裝配位置的輕量化模型等，這需要制造端的PDM 平臺自動識別出這些模型的類別，并按類別提取相應的模型信息存儲。

c）模型屬性待統一。每個類別的模型除了必須具備的如圖號、名稱、版本等屬性外，不同的種類還有其特有的屬性信息。比如標準件模型有分類、規格等屬性，零件模型有材料標準、硬度、加工方法、研制階段等屬性。這需要設計與制造部門共同進行約定，并通過平臺間的傳遞和校驗功能實現模型屬性參數的精確管理。

1.2 三維設計數據管理的需求

通過PDM 平臺管理三維模型并使之成為結構化數據，需要對傳統的、面向人工制造的設計方法進行改革，同時對各類信息加以系統校驗輔助，形成從設計規范到接收管理的一套技術標準，全面打通三維數字化設計和制造鏈路，為數據驅動生產打下良好基礎。

應從三維模型建模階段開始，對三維模型的類別以及每種類別的模型屬性信息進行詳細分類，最終形成具備可識別數據信息的設計數據。在系統平臺方面，對PDM 平臺進行針對性設計，使之可同時對接多個設計數據管理平臺，準確識別設計數據類別，根據不同類別存儲、構建模型結構，提取模型屬性信息，結構化存儲，方便下游系統的調用，并增加校驗功能，通過系統的自動排查，實現基于系統的全自動化三維模型結構化管理。

2 模型設計管理標準

基于PDM 的三維模型結構化管理在產品設計階段需要考慮系統提取模型信息的可實現性[1]，首先自頂向下先確定產品結構樹的整體結構和命名、編碼規則，然后確定每種類別的模型應有的屬性信息，最后進行完整的審批簽署。

2.1 產品結構樹創建標準

產品結構樹由規劃部分和實體部分組成。規劃部分反映型號的研制分工，包括型號層、系統層、產品分類層和產品層。實體部分在產品層之下，掛接產品三維模型，反映產品的裝配關系。實體部分包含三維模型、設計文件、研試文件、基線等反映產品設計意圖的數據，是直接指導生產制造的設計文件，也是發送給制造端PDM 系統的數據來源。由于整發產品的數據量較大，可按裝配特點，分為總體裝配結構樹和部段裝配結構樹。由于總體裝配在實際裝配過程中對電纜、儀器、部段對接接口的關注度較高，對零件的裝配信息需求不大，所以總體裝配樹可構建成最底層節點為部段輕量化模型的結構樹。部段裝配在實際裝配過程中關注零件結構信息，所以部段裝配樹的所有節點必須包含全產品信息的實體模型。產品結構樹的定義規則如圖1 所示。

圖1 產品結構樹規則

2.2 三維模型命名標準

三維模型結構化管理中，系統區分三維模型的類別主要依靠模型的命名，所以三維模型的命名必須制定相應標準并嚴格執行。模型文件的名稱由產品代號、產品圖號、類別名、階段號、文件格式五部分組成，具體如圖2 所示。其中類別名明確模型的類別，如骨架模型為SKEL、輕量化模型為LIGHT、電纜模型為HRS 等。文件格式用于區分建模軟件是CATIA 還是CREO。階段號用于標記產品模型所處的階段，在創建模型結構樹時可通過判斷階段號避免高階段裝配模型引用低階段模型的錯誤。

圖2 命名規則

2.3 三維模型屬性信息填寫標準

模型屬性信息的正確填寫，直接影響系統提取信息轉換為結構化數據的成功率，所以在設計模型時，需按標準填寫模型的屬性信息。按模型的類別如標準件需填寫規格、分類等，零件需填寫材料、加工方法等，如圖3 所示。將這些信息提取、匯總成統一格式的屬性單元，并與模型同時傳遞給下游制造端PDM 系統。

圖3 模型屬性信息

3 基于PDM 平臺的管理標準

PDM 的主要任務是電子化管理設計三維模型，同時進行過程管理。過程管理是對三維模型的整個接收過程進行控制[2]，并使三維模型中任何不符合標準的信息都被篩查出來，從整體上提高模型質量，提高模型后續的利用率。

3.1 設計數據接收管理

3.1.1 數據傳遞過程管理

為了能夠更好的接收和管理上游設計平臺下發的設計數據，需要從術語運用、接口實現方面提供標準化與規范化的定義，并以此為基礎實現不同平臺之間的數據傳遞。設計數據傳遞過程如圖4 所示。產品三維模型設計完成后，在上游設計平臺完成審批工作，將所有數據以數據增量的形式，打包成符合標準的數據包發送到中間服務器上，并在中間服務器的數據庫表單中記錄信息，制造端PDM 平臺定時讀取中間服務器數據庫表單，將新寫入的數據包下載并導入到平臺，然后將結果回寫到表單中，到此數據傳遞過程結束。

圖4 設計數據傳遞過程

3.1.2 數據包標準格式

數據包是否符合規范是設計數據傳遞成功與否的重要因素。數據包由兩個部分組成：三維模型和導入文件。導入文件中需要包含模型本身的信息和裝配信息。以CATIA 數據為例，文件中包含模型版本、屬性、類型、物理地址以及子裝配件的管理信息，具體如圖5 所示。

圖5 導入文件信息

3.2 模型結構樹構建管理

設計模型進入制造端的PDM 系統后，需要在系統內重新構建設計結構樹。結構樹的構建必須符合零部件裝配層次關系，結構層次應按部段、模塊進行劃分，盡可能滿足產品的可裝配要求，并具備完整性[3]。除產品骨架模型外，所有在實際生產中用到的零件均應在結構樹上體現。產品設計結構樹的屬性與模型屬性不同，產品設計結構樹的屬性應對這類屬性單獨定義，如零件在產品結構樹上的數量、加工工藝路線等。結構樹構建完成后固定為基線用于歷史數據保存和狀態追溯。

3.3 數據校驗標準

設計數據包中的數據是產品質量的基礎，數據不完整或數據格式不正確，都將會導致系統提取設計數據失敗或產生錯誤，最終導致設計數據不正確[4]。所以需要對每個進入系統的數據包進行數據校驗。數據進入系統前的標準校驗流程如圖6 所示。

圖6 數據校驗流程圖

校驗程序是在數據導入前對數據包執行的標準校驗，校驗的范圍包括數據的完整性、對應性、唯一性，并按檢查結構分為數據可導入和不能導入兩類。不能通過校驗程序的數據將錯誤提示形成校驗日志并通知系統管理員手動處理，排除錯誤后再次執行校驗程序；通過校驗程序的數據，直接執行數據導入程序，并將校驗過程中的風險提示一同記錄到導入日志中，便于后續追溯。

通過將三維模型構建管理標準嵌入到PDM 平臺中，實現了跨網域同時接收三個不同設計平臺的三維產品數據，并以相同結構形式在PDM 平臺中重建產品結構樹，通過數據校驗程序提前發現數據錯誤、格式差異以及遺漏項目，直接避免了原來設計數據源不統一、數據內容雜亂等問題，目前該模式已應用到所有基于三維設計的產品數據管理中，達到了真正的數據統一管理。