衛星數字樣機多版本差異分析關鍵技術研究與應用

吳劍鋒、陳瑞啟、萬峰、邢香園、趙文浩、王治

（上海衛星裝備研究所，上海 200240）

1 引言

當前基于MBD模型的產品研制模式在航空航天等行業逐漸推廣，為了深入應用產品三維設計模型，各行業針對本行業的產品三維模型開展了快速設計[、三維模型智能化標注、設計模型特征檢查、和幾何公差檢查、基于MBD模型的工序模型構建、基于特征的工藝設計以及基于模型工裝協同變更等一系列研究并取得良好的應用效果，但是針對設計模型版本差異比對的研究還處于初步階段。目前衛星設計階段已經基本實現基于三維模型定義設計意圖并采用PDM系統對設計數據進行管理和控制，同時衛星制造單位可以通過本單位的PDM系統接收設計單位發放的衛星三維模型數據。衛星型號研制具有設計與制造裝配并行、設計狀態多變等特點，針對衛星設計更改設計師除了對模型進行升版修改外還會出文檔更改單用于描述變更前后模型之間的差異要點以協助工藝和制造人員進行相應的工藝和實物更改，但是文字很難準確描述零件幾何拓撲信息、裝配BOM層級等三維模型的變更，工藝人員通過瀏覽更改單和三維模型無法快速準確獲悉更改版本間的差異。

針對上述問題，開展衛星數字樣機多版本差異分析關鍵技術研究與實現，基于PDM系統基線功能，對接收到的衛星各個版本的數字樣機模型進行版本控制，對Creo軟件進行二次開發，分別對零件、裝配、線纜和管路等專業的三維模型設計差異分析流程和算法，協助工藝和制造人員快速定位更改內容并進行工藝分析，大大提高了工藝設計效率。

2 系統總體架構設計

結合衛星制造單位采用PDM系統接收衛星設計單位三維設計模型和使用Creo軟件瀏覽三維設計模型信息的實際情況，基于PDM系統和Creo軟件構建系統總體架構，系統具有智能識別、分類查看、差異項高亮顯示、顯示過濾、結果統計和導出報告等特點，架構如圖1所示，系統架構三大部分簡要介紹如下。

（1）PDM三維模型版本控制。基于PDM系統三維模型管理和基線控制的功能，在解析和導入三維模型數據包的同時，為每一個模型數據包創建對應的數據基線并把模型數據包內的所有三維模型投放到基線中并對基線進行鎖定防止修改。

圖1 數字樣機多版本差異分析系統功能架構

（2）Creo模型差異性分析。Creo分析的內容包括各類模型通用的基本屬性、模型參數等，也包括模型特征、裝配元件、線軸、電纜信息和管路信息等不同專業模型特有的內容。

（3）應用場景。系統的主要應用場景有在PDM系統內針對不同基線的基線內數據比較和在Creo軟件中開展的零件、裝配、線纜和管路等4類專業模型的差異性分析。

基于Creo軟件二次開發實現的數字樣機模型差異分析工具軟件的應用流程如圖2所示，軟件應用要點如下。

圖2 三維模型差異分析軟件應用流程

（1）讀入兩個版本的模型，選擇差異分析的類型。

（2）依次對基本屬性、模型參數和三維注釋進行分析。

（3）零件分析還可以進行模型特征、幾何差異分析。

（4）裝配模型可以進行裝配元件差異分析。

（5）線纜、管道可以進行本專業相關的線軸、電纜和管線庫分析。

（6）輸出結果。

3 系統關鍵實現技術

3.1 模型版本控制與基線間數據差異比較

衛星三維設計模型采用PDM系統進行過程和版本控制，三維模型檢入到PDM系統后會自動映射生成BOM結構，通過某一BOM節點可以獲取該節點下所有子模型的最新版本，但要獲取特定歷史版本的三維模型，則需要應用PDM系統的基線功能進行控制，在一個基線中可以固化特定編號和版本的三維模型和三維模型的集合。

衛星設計單位采用PDM系統進行衛星設計三維模型管理和版本控制，設計數據受控后發放到制造單位PDM系統進行管理和控制，為了準確控制和獲取設計單位每一次發放的三維模型，制造單位開發了基于PDM基線的模型版本控制功能，原理如圖3所示。當制造單位PDM系統接收到設計單位發放的模型包時，首先進行數據解析導入，然后創建一個“設計數據發放基線”，最后把解析后的模型數據投入基線中，這樣模型版本如何變化，都能通過該基線準確完整地獲取該次發放的特定版本的三維模型數據。

圖3 基于基線的模型版本控制

3.2 基于布爾運算的零件幾何差異分析

零件三維模型主要支持工藝師開展零件加工工藝設計，當零件發生變更時，需要快速地辨析零件幾何差異并直觀地展示出來，支持工藝人員快速地修改工藝。經過分析，零件發生更改時基準坐標系是不會更改的，從而可以利用兩個零件的基準坐標系把模型組合，設計基于零件幾何模型進行布爾運算從而得到零件幾何差異的算法，算法主要要點有：

（1）讀入基準零件和比較零件模型并獲取兩個零件的基準坐標系，按照基準坐標系重合的約束把兩個零件裝配在一起。

（2）獲取基準零件和比較零件的模型拓撲邊界，用兩個的模型的拓撲邊界進行“差”布爾運算。

（3）比較零件比基準零件多的部分是增加部分用紅色展示，比較模型比基準模型少的部分是減少部分用藍色表示，兩個模型重合部分用灰色表示。

3.3 基于遞歸遍歷算法裝配模型差異分析

當設計裝配模型發生變更時，工藝人員主要希望快速獲悉下列信息。

（1）裝配元件的變化情況（增加或減少），主要用于調整備料。

（2）裝配約束關系的變化，主要用于調整實際裝配位置。

（3）有時還需要知道參與裝配的零件的差異，用于指導零件加工。

為了快速獲悉裝配模型的差異信息，設計基于遞歸算法的裝配模型差異分析流程，流程要點如下。

（1）遞歸獲取裝配模型樹的BOM層級信息，主要是每一層級的模型名稱和數量信息，并約定模型名稱一致的模型才是同一個模型的不同版本。

（2）比較BOM各層級模型名稱信息，當比較模型與基礎模型的各層級模型名稱差異超過一個閥值（如30%）時，則認為兩個模型差異過大，不具備做具備差異分析的條件，終止分析。

（3）當模型名稱層級低于閥值時，則從上往下逐層比較直接子集的元件的類型、數量、裝配約束關系和空間位置的差異。

（4）遞歸向子集按（3）的要求分析差異，當子集是零件時，如需要分析零件差異時則按零件差異分析的算法進行分析。

（5）輸出最終的結果。

4 系統實現與應用

基于上述研究，依托PDM系統和Creo軟件自主開發實現了衛星數字樣機多版本差異分析系統，經多個衛星型號試點應用，目前該系統已經在全部基于三維模型設計的衛星型號上推廣應用，設計更改快速辨識率達到98%以上，應用效果顯著。系統實現了基線間數據比較、零件幾何差異比較、裝配模型差異比較等幾部分功能。

4.1 基線間數據比較

選取某個部套產品的兩個版本的設計數據基線，兩個基線包含的數據的基本信息如圖4所示。

圖4 某產品的兩個設計數據基線

對兩個基線內的數據進行差異比較，截取比較報告一部分如圖5所示。

圖5 某產品兩個設計數據基線差異比較結果

4.2 零件幾何差異比較

選取某型號零件“連桿”的基準模型和比較模型如圖6所示，重點比較零件的幾何差異。

圖6 基準模型和比較模型

通過對兩個模型進行布爾運算，差異結果如圖7所示，紅色部分為比較模型比基準模型增加的部分，黃色部分為比較模型比基準模型減少的部分。

圖7 模型幾何差異分析結果

4.3 裝配模型差異比較

選擇某衛星的某塊安裝板的基礎模型和比較模型，比較結果如圖8所示。在分析結果展示頁面通過不同顏色和符號顯示新增、刪除和變化項，對于有三維模型的比較項，點擊時會在模型界面中高亮顯示方便定位查找。

圖8 裝配模型差異分析結果

5 結語

本文針對衛星工藝與制造過程對衛星設計更改模型的更改要點快速辨識和定位的迫切需求，開展了衛星數字樣機多版本差異系統研究，介紹了系統的體系架構與關鍵實現技術，形成了PDM系統控基線、Creo軟件分析差異的系統并實現衛星型號推廣應用。該系統的應用大幅提高了工藝人員對衛星設計更改模型的工藝性分析能力。