卫星数字样机多版本差异分析关键技术研究与应用

吴剑锋、陈瑞启、万峰、邢香园、赵文浩、王治

（上海卫星装备研究所，上海 200240）

1 引言

当前基于MBD模型的产品研制模式在航空航天等行业逐渐推广，为了深入应用产品三维设计模型，各行业针对本行业的产品三维模型开展了快速设计[、三维模型智能化标注、设计模型特征检查、和几何公差检查、基于MBD模型的工序模型构建、基于特征的工艺设计以及基于模型工装协同变更等一系列研究并取得良好的应用效果，但是针对设计模型版本差异比对的研究还处于初步阶段。目前卫星设计阶段已经基本实现基于三维模型定义设计意图并采用PDM系统对设计数据进行管理和控制，同时卫星制造单位可以通过本单位的PDM系统接收设计单位发放的卫星三维模型数据。卫星型号研制具有设计与制造装配并行、设计状态多变等特点，针对卫星设计更改设计师除了对模型进行升版修改外还会出文档更改单用于描述变更前后模型之间的差异要点以协助工艺和制造人员进行相应的工艺和实物更改，但是文字很难准确描述零件几何拓扑信息、装配BOM层级等三维模型的变更，工艺人员通过浏览更改单和三维模型无法快速准确获悉更改版本间的差异。

针对上述问题，开展卫星数字样机多版本差异分析关键技术研究与实现，基于PDM系统基线功能，对接收到的卫星各个版本的数字样机模型进行版本控制，对Creo软件进行二次开发，分别对零件、装配、线缆和管路等专业的三维模型设计差异分析流程和算法，协助工艺和制造人员快速定位更改内容并进行工艺分析，大大提高了工艺设计效率。

2 系统总体架构设计

结合卫星制造单位采用PDM系统接收卫星设计单位三维设计模型和使用Creo软件浏览三维设计模型信息的实际情况，基于PDM系统和Creo软件构建系统总体架构，系统具有智能识别、分类查看、差异项高亮显示、显示过滤、结果统计和导出报告等特点，架构如图1所示，系统架构三大部分简要介绍如下。

（1）PDM三维模型版本控制。基于PDM系统三维模型管理和基线控制的功能，在解析和导入三维模型数据包的同时，为每一个模型数据包创建对应的数据基线并把模型数据包内的所有三维模型投放到基线中并对基线进行锁定防止修改。

图1 数字样机多版本差异分析系统功能架构

（2）Creo模型差异性分析。Creo分析的内容包括各类模型通用的基本属性、模型参数等，也包括模型特征、装配元件、线轴、电缆信息和管路信息等不同专业模型特有的内容。

（3）应用场景。系统的主要应用场景有在PDM系统内针对不同基线的基线内数据比较和在Creo软件中开展的零件、装配、线缆和管路等4类专业模型的差异性分析。

基于Creo软件二次开发实现的数字样机模型差异分析工具软件的应用流程如图2所示，软件应用要点如下。

图2 三维模型差异分析软件应用流程

（1）读入两个版本的模型，选择差异分析的类型。

（2）依次对基本属性、模型参数和三维注释进行分析。

（3）零件分析还可以进行模型特征、几何差异分析。

（4）装配模型可以进行装配元件差异分析。

（5）线缆、管道可以进行本专业相关的线轴、电缆和管线库分析。

（6）输出结果。

3 系统关键实现技术

3.1 模型版本控制与基线间数据差异比较

卫星三维设计模型采用PDM系统进行过程和版本控制，三维模型检入到PDM系统后会自动映射生成BOM结构，通过某一BOM节点可以获取该节点下所有子模型的最新版本，但要获取特定历史版本的三维模型，则需要应用PDM系统的基线功能进行控制，在一个基线中可以固化特定编号和版本的三维模型和三维模型的集合。

卫星设计单位采用PDM系统进行卫星设计三维模型管理和版本控制，设计数据受控后发放到制造单位PDM系统进行管理和控制，为了准确控制和获取设计单位每一次发放的三维模型，制造单位开发了基于PDM基线的模型版本控制功能，原理如图3所示。当制造单位PDM系统接收到设计单位发放的模型包时，首先进行数据解析导入，然后创建一个“设计数据发放基线”，最后把解析后的模型数据投入基线中，这样模型版本如何变化，都能通过该基线准确完整地获取该次发放的特定版本的三维模型数据。

图3 基于基线的模型版本控制

3.2 基于布尔运算的零件几何差异分析

零件三维模型主要支持工艺师开展零件加工工艺设计，当零件发生变更时，需要快速地辨析零件几何差异并直观地展示出来，支持工艺人员快速地修改工艺。经过分析，零件发生更改时基准坐标系是不会更改的，从而可以利用两个零件的基准坐标系把模型组合，设计基于零件几何模型进行布尔运算从而得到零件几何差异的算法，算法主要要点有：

（1）读入基准零件和比较零件模型并获取两个零件的基准坐标系，按照基准坐标系重合的约束把两个零件装配在一起。

（2）获取基准零件和比较零件的模型拓扑边界，用两个的模型的拓扑边界进行“差”布尔运算。

（3）比较零件比基准零件多的部分是增加部分用红色展示，比较模型比基准模型少的部分是减少部分用蓝色表示，两个模型重合部分用灰色表示。

3.3 基于递归遍历算法装配模型差异分析

当设计装配模型发生变更时，工艺人员主要希望快速获悉下列信息。

（1）装配元件的变化情况（增加或减少），主要用于调整备料。

（2）装配约束关系的变化，主要用于调整实际装配位置。

（3）有时还需要知道参与装配的零件的差异，用于指导零件加工。

为了快速获悉装配模型的差异信息，设计基于递归算法的装配模型差异分析流程，流程要点如下。

（1）递归获取装配模型树的BOM层级信息，主要是每一层级的模型名称和数量信息，并约定模型名称一致的模型才是同一个模型的不同版本。

（2）比较BOM各层级模型名称信息，当比较模型与基础模型的各层级模型名称差异超过一个阀值（如30%）时，则认为两个模型差异过大，不具备做具备差异分析的条件，终止分析。

（3）当模型名称层级低于阀值时，则从上往下逐层比较直接子集的元件的类型、数量、装配约束关系和空间位置的差异。

（4）递归向子集按（3）的要求分析差异，当子集是零件时，如需要分析零件差异时则按零件差异分析的算法进行分析。

（5）输出最终的结果。

4 系统实现与应用

基于上述研究，依托PDM系统和Creo软件自主开发实现了卫星数字样机多版本差异分析系统，经多个卫星型号试点应用，目前该系统已经在全部基于三维模型设计的卫星型号上推广应用，设计更改快速辨识率达到98%以上，应用效果显著。系统实现了基线间数据比较、零件几何差异比较、装配模型差异比较等几部分功能。

4.1 基线间数据比较

选取某个部套产品的两个版本的设计数据基线，两个基线包含的数据的基本信息如图4所示。

图4 某产品的两个设计数据基线

对两个基线内的数据进行差异比较，截取比较报告一部分如图5所示。

图5 某产品两个设计数据基线差异比较结果

4.2 零件几何差异比较

选取某型号零件“连杆”的基准模型和比较模型如图6所示，重点比较零件的几何差异。

图6 基准模型和比较模型

通过对两个模型进行布尔运算，差异结果如图7所示，红色部分为比较模型比基准模型增加的部分，黄色部分为比较模型比基准模型减少的部分。

图7 模型几何差异分析结果

4.3 装配模型差异比较

选择某卫星的某块安装板的基础模型和比较模型，比较结果如图8所示。在分析结果展示页面通过不同颜色和符号显示新增、删除和变化项，对于有三维模型的比较项，点击时会在模型界面中高亮显示方便定位查找。

图8 装配模型差异分析结果

5 结语

本文针对卫星工艺与制造过程对卫星设计更改模型的更改要点快速辨识和定位的迫切需求，开展了卫星数字样机多版本差异系统研究，介绍了系统的体系架构与关键实现技术，形成了PDM系统控基线、Creo软件分析差异的系统并实现卫星型号推广应用。该系统的应用大幅提高了工艺人员对卫星设计更改模型的工艺性分析能力。