一种用于航天器研制过程中异构CAD模型的数据交换方法

摘要

一种用于航天器研制过程中异构CAD模型的数据交换方法，其步骤如下：一：非几何信息定义，确定非几何信息的分类、名称、意义及内容；二：非几何信息提取在源CAD软件中，读取包含非几何信息的源CAD模型，调用非几何信息提取模块提取保存在源CAD模型中的非几何信息，并将其保存到XML文件中；三：初步目标CAD模型生成；四：将非几何信息导入到初步目标CAD模型中，得到最终的目标CAD模型。通过以上步骤，本发明能成功地在异构CAD系统间进行数据的转换，改善了现有技术的缺陷，不仅能传递几何信息，还能传递非几何信息，保证了数据交换的完整性和一致性，从而减少了人为的参与，提高了航天器研制的效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于航天器研制过程中异构计算机辅助设计(CAD)模型的数据交换方法，具体是一种用于航天器研制过程中在异构CAD软件间进行三维模型的数据交换方法，可以同时转换异构CAD模型的几何信息和非几何信息，并实现二者的关联，以满足数据交换及后续工程运用的要求，属于计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)领域。

背景技术

航天器，又称空间飞行器、太空飞行器，是指按照天体力学的规律在太空运行，执行探索、开发、利用太空和天体等特定任务的各类飞行器。航天器设计是一个多学科设计问题，涉及机、电、热、光等许多学科，每个学科采用的软件和硬件平台不同，对几何模型的描述也不一样。此外，20世纪90年代以后，越来越多的航天产品设计部门开始采用实体造型和复杂曲面造型来进行产品设计，来自不同学科的分析软件开始融入产品设计流程，但由于各个部门、各个学科应用软件的不同，造成模型和数据格式不统一，这已经成为制约航天产品快速研制的瓶颈。因此讨论不同CAD软件间进行异构CAD模型的数据交换技术，对于航天器总体设计是极为重要的。

航天器研制的主承包商或总体部门与参与该航天器研制的其他部门，不可能都采用同一种CAD软件，即使同用一种软件，也无法保证大家都采用软件的同一版本。在同一单位内部，由于单位重组或受软件生命周期的影响，软件的升级和替换，也存在着不同CAD软件间模型转换问题。例如在通信卫星研制过程中，机械总体采用CATIA(一款由法国达索公司研发的“计算机辅助设计/制造/工程”一体化软件)进行建模及总装工作的设计建模工作，而西安分院采用Pro/ENGINEER(以下简称Pro/E，美国参数技术公司(PTC)旗下的“计算机辅助设计/制造/工程”一体化软件)进行单机的建模，在机械总体进行总装设计过程中，如需使用西安分院提供的单机三维模型，则涉及到Pro/E软件与CATIA软件间的CAD模型数据转换。

目前，已有的异构CAD模型数据交换方法大多是基于中间文件的方法，如基于STEP (Standard for the Exchange of Product Model Data，产品模型数据交互规范)标准的方法，就是利用STEP中间文件(*.stp)进行异构CAD模型的转换，但是这种方法只能转换模型的几何信息，而不能转换如产品质量特性信息、属性信息、技术要求等非几何信息，并且目前通用的方法不能实现非几何信息与几何信息的关联，企业不得不雇佣更多人员去手工补充这些非几何信息，并手动添加非几何信息与几何信息的关联关系，因而增加了产品的设计周期和开发费用。除此之外，在航天器产品的设计阶段，为了CAD建模的方便，设计人员通常会在CAD模型中建立多个坐标系，而在总装设计过程中，设计人员需要参考的坐标系是原点位于安装孔圆心所在位置的坐标系，该坐标系可以称之为R坐标系，目前通用的转换方法并不能自动识别R坐标系，也不能以R坐标系为基准进行CAD模型的转换，导致转换后的模型不能满足后续工程运用的要求。

发明内容

(一)本发明的目的在于提供一种用于航天器研制过程中异构CAD模型的数据交换方法，以改善现有技术存在的上述缺陷，使得在转换异构CAD模型的过程中，不仅能够交换几何信息，还能够传递非几何信息，并实现非几何信息与几何信息的关联，而且是以R坐标系为基准进行模型的转换，保证数据交换的完整性和一致性，从而减少人为的参与，提高航天器研制的效率。

(二)技术方案

在使用本发明之前需要对CAD模型中的非几何信息进行定义，确定非几何信息的分类、名称、意义及内容。然后在源CAD软件中读取包含非几何信息的源三维CAD模型，调用非几何信息提取模块，将保存在源CAD模型中的非几何信息进行提取，并将其保存到XML(Extensible Markup Language，可扩展标记语言)文件中。然后调用源CAD软件所提供的几何数据交换接口，以R坐标系为基准转换生成初步的目标CAD模型，此时的目标CAD模型只包含几何信息，如果生成的目标CAD模型是组件模型，则需要调用组件转零件模块，将组件模型转换为单个的零件模型。最后调用非几何信息导入模块，读取之前生成的XML文件，并将其中保存的非几何信息导入到初步的目标CAD模型中，并实现非几何信息与几何信息的关联，从而得到最终的目标CAD模型，此时的模型既包含几何信息，又包含非几何信息，并且非几何信息与几何信息关联在一起。

本发明一种用于航天器研制过程中异构CAD模型的数据交换方法，该方法具体步骤(方 法步骤流程图见图1)如下：

步骤一：非几何信息定义

根据具体的实际需求，对CAD模型中的非几何信息进行定义，确定非几何信息的分类、名称、意义及内容；

步骤二：非几何信息提取

在源CAD软件中，读取包含非几何信息的源CAD模型，调用非几何信息提取模块提取保存在源CAD模型中的非几何信息，并将其保存到XML文件中；

步骤三：初步目标CAD模型生成

目前市场上通用的CAD软件都提供几何数据交换接口，用于与其他商业CAD软件进行几何数据的交换；在源CAD软件中调用源CAD软件提供的几何数据交换接口，识别源CAD模型中的R坐标系，并以R坐标系为基准进行模型的转换，将源CAD模型转换为初步的目标CAD模型；如果生成的目标CAD模型是组件模型，则需要调用组件转零件模块，将该组件模型转换为单个的零件模型；

步骤四：将非几何信息导入到初步目标CAD模型中，得到最终的目标CAD模型

调用非几何信息导入模块，在目标CAD软件中打开步骤三中所得到的初步目标CAD模型，再读取步骤二中所得到的XML文件，并将其中保存的非几何信息导入到初步目标CAD模型中，从而得到最终的目标CAD模型，该模型不仅包含几何信息，还包含非几何信息，并且几何信息与非几何信息关联在一起；其中“导入”的操作步骤如非几何信息导入模块所述。其中“几何信息与非几何信息关联在一起”是指几何信息与非几何信息同时存在于最终的目标CAD模型中，并且二者不是分离的，而是关联在一起的，其实现方法如非几何信息导入模块所述。

其中，在步骤一种所述的“CAD模型”，是指用CAD软件创建的三维模型，其中不仅包括了产品几何结构的有关点、线、面、体等各种几何信息，还包含了用于说明零部件设计、管理、制造及检验等的非几何信息。本文其他地方所述的“CAD模型”与此同义。

其中，在步骤一中所述的“非几何信息”，是指用于说明零部件设计、管理、制造及检验等的描述信息，例如产品代号、产品中英文名称、产品质量、转动惯量、技术要求、材料说明等。

其中，在步骤一中所述的“确定非几何信息的分类、名称、意义及内容”的实施方法是，根据具体的实际需求，首先给非几何信息分类，如：产品基础信息、产品质量特性信息等，然后给每一类别下的每条非几何信息命名，给定其所代表的意义，最后根据实际情况给每条 非几何信息赋值，即确定其内容。

其中，在步骤二中所述的“CAD软件”，是指商业计算机辅助设计软件，如法国达索公司的CATIA，美国参数技术公司(PTC)的Pro/E。本文其他地方所述的“CAD软件”与此同义。

其中，在步骤二中所述的“读取”，是指在源CAD软件中打开源CAD模型，并读取其中所包含的信息。

其中，在步骤二中所述的“调用”，是指在程序中，用于将程序的执行交给其他的代码段，通常是一个子例程。本文其他地方所述的“调用”与此同义。

其中，在步骤二中所述的“非几何信息提取模块”，用于提取保存在源CAD模型中的非几何信息，包括以下步骤：

(a)在源CAD软件中读取源CAD模型，获得模型指针；

(b)获取当前CAD模型中的第一条非几何信息；

(c)判断当前处理的非几何信息是否为所需要的信息，“是”则进入(d)，“否”则进入(e)；

(d)将当前处理的非几何信息保存到XML文件中；

(e)获取下一条非几何信息，如果不存在则结束，否则返回(c)。

其中，在步骤二中所述的XML文件的格式如下：

<非几何信息类型i>

<非几何信息1意义＝“”>内容</非几何信息1>

<非几何信息2意义＝“”>内容</非几何信息2>

···

<非几何信息n意义＝“”>内容</非几何信息n>

</非几何信息类型i>

上述的“非几何信息类型i”是指第i类非几何信息，“非几何信息n”是指某种类别下的第n条非几何信息的名称。

其中，在步骤三中所述的“R坐标系”是指在CAD模型中，以“R”命名的，并且原点位于安装孔圆心所在位置的坐标系。

其中，在步骤三中所述的“识别源CAD模型中的R坐标系，并以R坐标系为基准进行模型的转换”，其实现方法包括以下步骤：

(i)在源CAD软件中读取源CAD模型，获得模型指针；

(ii)获取首个特征指针；

(iii)判断该特征是否为坐标系特征，“是”则进入(iv)，“否”则进入(v)；

(iv)判断坐标系特征的名称是否为“R”，“是”则将该坐标系特征的指针传递给模型转换函数，以“R”坐标系为基准进行模型的转换，然后结束，“否”则进入(v)；

(v)获取下一个特征指针，如果为空则结束，否则返回(iii)。

其中，在步骤三中所述的“组件模型”，由若干个零件和部件装配在一起所组成。

其中，在步骤三中所述的“零件模型”，是指机械中不可分拆的单个制件，是机器的基本组成要素，也是机械制造过程中的基本单元。

其中，在步骤三中所述的组件转零件模块，用于将CAD组件模型转换为单个的零件模型。因为组件模型包含多个子元件(子组件或子零件)，文件数量多，查看、传递数据十分不便，转换合并为单个零件后，就便于查看、传递数据；该组件转零件模块的转换方法包括以下步骤：

(A)在源CAD软件中，将初步目标CAD模型的完整路径保存到文本文件中；

(B)在目标CAD软件内，读取步骤(A)中所得到的文本文件，获取初步目标CAD组件模型的完整路径。

(C)在目标CAD软件内，根据步骤(B)中所得到的完整路径，打开读取初步目标CAD组件模型，获得模型指针。

(D)利用目标CAD软件所提供的将组件模型转换为零件模型的接口，将初步目标CAD组件模型转换合并为单个的零件模型。

其中，在步骤四中所述的非几何信息导入模块，用于将XML文件中保存的非几何信息导入到初步目标CAD模型中，并实现非几何信息与几何信息的关联，得到最终的既包含几何信息，又包含非几何信息的目标CAD模型。该非几何信息导入模块的导入方法包括如下步骤：

(I)在目标CAD软件内，打开初始目标CAD模型，获得模型指针；

(II)读取XML文件，获取第一条非几何信息；

(III)获取该条非几何信息的类型、名称、意义和内容，判断该条非几何信息是否包含安装孔的三维(X，Y，Z)坐标值，“是”则根据安装孔的三维(X，Y，Z)坐标值，并以R坐标系为基准，在目标CAD模型中创建点，该点表示安装孔所在的位置，同时该点的三维(X，Y，Z)坐标值写入到产品结构树上，当用鼠标单击产品结构树上的 坐标值时，CAD模型中与之对应的点会高亮显示，从而实现非几何信息与几何信息的关联；“否”则直接将非几何信息写入到CAD模型的产品结构树上。

(IV)获取下一条非几何信息，如果不存在则结束，否则返回(III)；

通过以上步骤，可以成功地在异构CAD系统间进行数据的转换，改善了现有技术的缺陷，使得在转换异构CAD模型的过程中，不仅能够传递几何信息，还能传递非几何信息，并实现了非几何信息与几何信息的关联，而且是以R坐标系为基准进行模型的转换，保证了数据交换的完整性和一致性，从而减少了人为的参与，提高了航天器研制的效率，满足了后续工程运用的要求。

(三)优点及有益效果

本发明提出了一种用于航天器研制过程中异构CAD模型的数据交换方法，与已有技术相比较，效果是积极且明显的。首先本发明在交换异构CAD模型数据的时候，不仅转换了模型的几何信息，还考虑了非几何信息的传递，并实现了非几何信息与几何信息的关联，而且是以R坐标系为基准进行模型的转换，保证了数据交换的完整性和一致性，不需要人员手工添加非几何信息，减少了人为的参与，提高了工作效率的同时还减少了错误率。其次，本方法在转换组件模型时，将组件模型转换合并为单个的零件模型，显著减少了模型的数量，也就减少了数据的传输量，节省了系统的存储空间。最后，本方法的整个流程是程序自动化实现的，操作简便，能够很方便地实现批量操作，节省操作时间，使数据交换更加人性化。

附图说明

图1是本发明所述方法流程图。

图2是CATIA模型中的非几何信息在CATIA模型的结构树。

具体实施方式

下面结合实例对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

本实施例为在某型号卫星的研制过程中，将CAD模型从Pro/E系统导入到CATIA系统，即将Pro/E模型转换为CATIA模型。本实施例基于CAD二次开发技术，以Microsoft Visual Studio 2008和VB6.0作为开发平台进行实施，以下为本发明实施例的具体步骤：

本发明一种用于航天器研制过程中异构CAD模型的数据交换方法，见图1所示，其具体>

步骤一：根据具体的实际需求，对CAD模型中的非几何信息进行定义，确定非几何信息的分类、名称、意义及内容。以某型号卫星的研制过程为例，定义了如表1所示的非几何信息。其中，表1所定义的信息为本实施例的一般形式，故未给出具体内容。表1如下：

步骤二：在Pro/E系统中，读取包含非几何信息的Pro/E模型，Pro/E模型中的非几何信息以参数的形式给出，如果需要查看，就在Pro/E系统内选择菜单栏的“工具-参数”，会弹出 参数对话框，在对话框内即可查看非几何信息，其具体形式如表2所示。表2如下：

名称 值(内容) 说明(意义) CAST_PINDEX XXXXXX 产品代号 CAST_NAME XXXXXX 中文名称 CAST_ENAME XXXXXX 英文名称 CAST_ENAME_ABB XXX 英文简称 CAST_MASS 2.53 产品质量(kg) CAST_CEN_MASS_X 24 X向质心位置(mm) CAST_CEN_MASS_Y 35 Y向质心位置(mm) CAST_CEN_MASS_Z 23.5 Z向质心位置(mm) CAST_INT_CM_X 12.5 过质心X向惯量(kgm2) CAST_INT_CM_Y 16.3 过质心Y向惯量(kgm2) CAST_INT_CM_Z 9.8 过质心Z向惯量(kgm2) CAST_HOLE_DIAMETER 4.6 安装孔直径 CAST_HOLE_QUANTITY 2 安装孔个数 CAST_INS_HOLE_1_X 0 安装孔1X向坐标 CAST_INS_HOLE_1_Y 0 安装孔1Y向坐标 CAST_INS_HOLE_1_Z 0 安装孔1Z向坐标 CAST_INS_HOLE_2_X 70 安装孔nX向坐标 CAST_INS_HOLE_2_Y 0 安装孔nY向坐标 CAST_INS_HOLE_2_Z 48 安装孔nZ向坐标 CAST_LUG_THICK 5 安装耳片厚度(mm) CAST_CONTACT_AREA 6205.9 安装面接触面积(mm2) CAST_GNDBOLTPOS_X -31 接地桩位置X向坐标(mm) CAST_GNDBOLTPOS_Y 35 接地桩位置Y向坐标(mm) CAST_GNDBOLTPOS_Z 0 接地桩位置Z向坐标(mm) CAST_VENTHOLE_QUANTITY 4 透气孔数量 CAST_VENTHOLE_SIZE 4X2.0 透气孔规格 CAST_TMRPOS_X 79 测温点位置X向坐标(mm) CAST_TMRPOS_Y 35 测温点位置Y向坐标(mm) CAST_TMRPOS_Z 0 测温点位置Z向坐标(mm) TTEC_REQUSET_1 表面处理 技术要求1 TTEC_REQUSET_2 黑色温控漆 技术要求2

然后，调用非几何信息提取模块，提取保存在Pro/E模型中的非几何信息，并将其保存到XML文件中，该XML文件的具体格式如下所示：

上述XML文件格式只详细展开了产品基础信息，其他类型的非几何信息未详细展开，但形式与产品基础信息类似。

步骤三：在Pro/E系统中，调用Pro/E系统提供的几何数据交换接口，识别模型中的R坐标系，并以R坐标系为基准进行模型的转换，将Pro/E模型转换为初步的CATIA模型，再判断所生成的CATIA模型是否为组件模型，如果是，则需要调用组件转零件模块，将该组件模型转换合并为单个的零件模型。此步骤主要是生成初步的CATIA模型，并将包含多个子元件(子组件或子零件)的组件模型转换合并为单个的零件模型，减少数据的传输量。

步骤四：调用非几何信息导入模块，在CATIA系统内打开上一步中所得到的初步CATIA模型，再读取步骤二中所得到XML文件，遍历其中的非几何信息，获取非几何信息的类型、名称、意义和内容，最后将这些信息导入初步CATIA模型中，如果某一条非几何信息包含安装孔的三维(X，Y，Z)坐标值，则根据安装孔的三维(X，Y，Z)坐标值，在CATIA模型内创建点，以表示安装孔的位置，这样，即可实现非几何信息与几何信息的关联，从而得到最终的CATIA模型。如图2所示。

图2中CATIA模型中的非几何信息形式只详细展开了产品基础信息，其他类型的非几何信息为详细展开，但形式与产品基础信息类似。