鐵道車輛規(guī)范驅(qū)動(dòng)三維布管技術(shù)研究*

曹楚君，黃樂艷

（湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南衡陽 421002）

0 引言

利用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行管道的三維設(shè)計(jì)的方法越來越令人青睞。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，三維管道設(shè)計(jì)能十分形象地布置管道，能布置出合理的管道固定位置，能對(duì)管道與其他零件之間的干涉進(jìn)行檢查，能輸出完整的鋼管折彎參數(shù)與物料信息。

對(duì)于管道的三維設(shè)計(jì)方面研究文獻(xiàn)也有許多，文獻(xiàn)[1-2]提出在Pro/E軟件環(huán)境下的液壓管道三維布管的方法。其中文獻(xiàn)[1]較為系統(tǒng)地提出三維布管設(shè)計(jì)的流程，對(duì)主要的流程節(jié)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的闡述，并且給出液壓膠管設(shè)計(jì)實(shí)例。文獻(xiàn)[2]提出在Pro/E軟件環(huán)境中的非規(guī)范驅(qū)動(dòng)三維布管技術(shù)[2]。

文獻(xiàn)[3-4]提出在SolidWorks軟件下進(jìn)行三維管路布置設(shè)計(jì)的思路與方法[3-4]。

文獻(xiàn)[5-6]以AutoCAD或CATIA軟件作為程序開發(fā)平臺(tái)，利用VBA技術(shù)開發(fā)程序，實(shí)現(xiàn)三維管道的自動(dòng)布置。重點(diǎn)研究開發(fā)三維管道自動(dòng)布置程序。

文獻(xiàn)[7]提出利用三維配管建模軟件——PDS軟件，設(shè)計(jì)站內(nèi)通信設(shè)備及線纜敷設(shè)的方法。

文獻(xiàn)[8]提出利用二次開發(fā)后的PDMS軟件Spooler模塊在三維環(huán)境下進(jìn)行斷管，并直接抽取管線生產(chǎn)設(shè)計(jì)圖紙的配管加工設(shè)計(jì)新方法。

本文作者研究利用CREO軟件的Piping管道設(shè)計(jì)模塊，重點(diǎn)研究規(guī)范驅(qū)動(dòng)管道設(shè)計(jì)方法。并以70 T鐵道貨車制動(dòng)系統(tǒng)為例，進(jìn)行三維布管。

1 CREO/Piping管道設(shè)計(jì)模塊簡(jiǎn)介

CREO軟件的Piping管道設(shè)計(jì)模塊是專業(yè)的三維管路設(shè)計(jì)模塊。該模塊提供規(guī)范驅(qū)動(dòng)和非規(guī)范驅(qū)動(dòng)兩種管道設(shè)計(jì)方式。

規(guī)范驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方式包含管道設(shè)計(jì)規(guī)范和參數(shù)化建模，該方法可以定制適合于企業(yè)的管道設(shè)計(jì)規(guī)范，有利于提高公司標(biāo)準(zhǔn)化、系列化與模塊化水平。該方法可用于通常設(shè)備管道設(shè)計(jì)，也特別適合于工廠、化工、造船和航空等大型管道系統(tǒng)的管路設(shè)計(jì)。

圖1 規(guī)范驅(qū)動(dòng)三維布管典型流程

非規(guī)范驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方式主要采用手工的方式創(chuàng)建管路系統(tǒng)，通常用于工業(yè)機(jī)床、工程機(jī)械等設(shè)備的液壓與氣壓系統(tǒng)的管路設(shè)計(jì)。

2 規(guī)范驅(qū)動(dòng)三維布管典型流程

通常管道有鋼管與膠管兩種布管方式。因鋼管具有系統(tǒng)布置美觀、流道阻力小、耐疲勞、耐高溫及價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，被大多數(shù)管道系統(tǒng)所采用。規(guī)范驅(qū)動(dòng)也正適合于鋼管管道設(shè)計(jì)。本文作者只研究規(guī)范驅(qū)動(dòng)方式下鋼管三維布管，其典型流程如圖1所示雙點(diǎn)劃線框部分。

圖1中，創(chuàng)建骨架模型、產(chǎn)品庫、創(chuàng)建管道組件、組裝骨架模型、創(chuàng)建布管組件和復(fù)制幾何等步驟，文獻(xiàn)[1]中已經(jīng)詳細(xì)敘述[1]，這里不再重復(fù)。

2.1 2D示意圖設(shè)計(jì)

2D示意圖中通常包括管道管徑、長(zhǎng)度與走向信息，包括各種管接頭與閥門布置狀態(tài)、型號(hào)明細(xì)等信息，可為三維布管提供參考。2D示意圖可以采用CREO的Schema-tics模塊繪制，然后導(dǎo)出XML文件。通過此文件導(dǎo)入到CREO的Piping管道設(shè)計(jì)模塊，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)驅(qū)動(dòng)三維布管[9]，這種方式稱為自動(dòng)布管。2D示意圖設(shè)計(jì)也可以采用AutoCAD軟件來繪制，但它不能自動(dòng)驅(qū)動(dòng)三維布管，這種方式稱為半自動(dòng)布管。

2.2 管道規(guī)范數(shù)據(jù)庫

管道規(guī)范數(shù)據(jù)庫中存放用于創(chuàng)建規(guī)范驅(qū)動(dòng)管道系統(tǒng)的所有管道庫和類別文件，以及所有工程數(shù)據(jù)文件。數(shù)據(jù)庫中只有兩種類型的文件，一種是Pro/TABLE格式的表文件，擴(kuò)展名為.ptd，這些文件定義管道設(shè)計(jì)中所有規(guī)范。另一種文件為CREO模型文件，擴(kuò)展名為.prt和.asm，體現(xiàn)所有管接頭的幾何形狀。第一種管道規(guī)范數(shù)據(jù)庫文件又包含主目錄文件、管接頭庫文件和工程數(shù)據(jù)文件3個(gè)文件組。

2.2.1 主目錄文件

主目錄文件儲(chǔ)存管道建模所需的全部基礎(chǔ)設(shè)計(jì)信息，其數(shù)據(jù)源由工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、慣例及制造商目錄確定。這些文件存放在CREO安裝目錄 extpiping_datamaster_catalog文件夾中，數(shù)據(jù)庫中提供13類主目錄文件，如表1所示。每類主目錄文件又有多個(gè)文件，用戶可以根據(jù)需要新建。

需要修改和新建主目錄文件時(shí)，可以用CREO自帶的Pro/TABLE軟件打開，修改或新增數(shù)據(jù)記錄?；驈?fù)制現(xiàn)有文件，參照現(xiàn)有文件的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行修改。

2.2.2 管接頭庫文件

CREO管道設(shè)計(jì)中的管接頭泛指安裝到管道上的三通、法蘭、接頭、閥門、墊片和彎頭等所有附件。管接頭庫文件實(shí)際上是關(guān)聯(lián)參數(shù)的管接頭幾何模型文件。創(chuàng)建管接頭庫文件時(shí)，除了創(chuàng)建管接頭幾何模型外，還需要?jiǎng)?chuàng)建和修改與之相關(guān)聯(lián)的主目錄文件，其步驟如下。

表1 主目錄文件類型

第一步，創(chuàng)建管接頭幾何體。利用CREO軟件進(jìn)行零件建模，與普通模型創(chuàng)建方法相同。例如，這里創(chuàng)建了一個(gè)法蘭模型，文件名為tbt1250_dn.prt，存放在CREO安裝目錄 extpiping_datafittinglibflange文件夾中。

第二步，創(chuàng)建管接頭端口。端口用于管接頭與管道相連接或法蘭面間相連。在管接頭與其他元件的所有接合面中心位置創(chuàng)建坐標(biāo)系。并且，坐標(biāo)系Z軸的都垂直于各接合面，正方向指向管接頭外側(cè)，如圖2所示。在法蘭模型兩端分別創(chuàng)建了名為PROT0、PROT1的坐標(biāo)系。若所創(chuàng)建的管接頭有多個(gè)端口，坐標(biāo)系的命名依次類推。

第三步，指定入口端。在坐標(biāo)系中添加相應(yīng)的參數(shù)來指定入口端。在入口端坐標(biāo)系中定義SIZE與END_TYPE參數(shù)，在出口端坐標(biāo)系中定義NEW_SIZE與END_TYPE參數(shù)。對(duì)于等徑接頭，出口端參數(shù)可以省略；對(duì)于變徑接頭，則必須定義。若管接頭為三通接頭，則還需在分支出口端坐標(biāo)系添加BRANCH_SIZE與END_TYPE參數(shù)。這些參數(shù)中，SIZE、NEW_SIZE、BRANCH_SIZE均表示管接頭端口處的公稱直徑；END_TYPE表示端面連接類型。圖2中，在法蘭模型的PROT0坐標(biāo)系上定義SIZE與END_TYPE參數(shù)，參數(shù)值分別為SIZE=10A，END_TYPE=BW。

圖2 管道幾何模型文件

第四步，定義管接頭類型。管接頭類型參數(shù)是與庫文件關(guān)聯(lián)的管接頭代碼，管道設(shè)計(jì)的管接頭類型由FITTING_CODE參數(shù)定義，其參數(shù)值如表2所示。法蘭模型中，定義FITTING_CODE=FLANGE。

表2 管接頭類型

第五步，創(chuàng)建族表，族表能生成系列化零件，減少管接頭幾何模型文件的數(shù)量。在族表中加入定義入口端和管接頭類型的參數(shù)，驅(qū)動(dòng)幾何模型的尺寸參數(shù)，以及質(zhì)量參數(shù)MP_DENSITY、PRO_MP_ALT_MASS。并創(chuàng)建若干個(gè)基于參數(shù)與尺寸驅(qū)動(dòng)的實(shí)例文件。例如，法蘭模型創(chuàng)建5個(gè)實(shí)例文件，族表中也加入上述參數(shù)。如圖3所示。

圖3 族表

第六步，創(chuàng)建和修改主目錄文件。創(chuàng)建一個(gè)新的管接頭庫文件，需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)對(duì)應(yīng)的管接頭主目錄文件；并且要修改與管接頭相關(guān)的管道主目錄文件Piping_mcat_dir.ptd，管道材料主目錄文件Piping_material.ptd，以便這些文件能檢索到新建的管接頭庫文件。

對(duì)于法蘭模型，創(chuàng)建的管接頭主目錄文件名為tbt1250_dn.ptd。文件內(nèi)容如圖4所示。從圖4中可以看出，管接頭主目錄文件內(nèi)容與圖3族表的內(nèi)容相似，實(shí)際上是族表的Pro/TABLE表文件形式。

圖4 管接頭主目錄文件

管接頭主目錄文件中的參數(shù)含義如表3所示。

表3 管接頭主目錄文件參數(shù)

對(duì)于法蘭模型，在管道主目錄文件piping_mcat_dir.ptd文件中新增內(nèi)容如表4所示，文件中其余項(xiàng)目不用修改。

表4 管道主目錄文件新增內(nèi)容

其中，F(xiàn)LANGE表示管接頭類型；TBT1250表示管接頭名稱，在三維布管時(shí)，插入管接頭操作時(shí)，該名稱出現(xiàn)在對(duì)話框的選擇欄中，供選擇使用。fitting/TBT1250_DN表示管接頭主目錄文件存放位置及名稱；pipeod/od_steel表示所要與管接頭配對(duì)的管道的外部直徑庫文件；combined_size_code表示管接頭入口端、出口端及分支端公稱直徑的組合形式庫文件代碼。CFA表示管接頭安裝螺栓與螺母型號(hào)代碼。

按照同樣方式修改管道材料主目錄文件piping_material.ptd。這里不再敘述。

至此，一個(gè)完整的法蘭類型的管接頭庫文件已經(jīng)創(chuàng)建，可以在三維布管時(shí)調(diào)用。

2.2.3 工程數(shù)據(jù)文件

工程數(shù)據(jù)文件同樣是Pro/TABLE格式的表文件。它的數(shù)據(jù)來自管道與管接頭主目錄文件，是從主目錄文件中篩選出來的、用戶選定的設(shè)計(jì)規(guī)范。例如，管道主目錄文件中，有鋼、銅、不銹鋼和鋁4種不同材質(zhì)的管道規(guī)范文件，用戶采用鋼質(zhì)管道進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)將質(zhì)管道規(guī)范檢索出來，形成一條檢索記錄；同理，用戶可以選擇需用到的管接頭、保溫材料等主目錄文件，形成記錄。這些記錄一并保存到用戶的工程數(shù)據(jù)文件中。用戶在進(jìn)行管道設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)從工程數(shù)據(jù)文件獲得管道相關(guān)數(shù)據(jù)，并動(dòng)態(tài)地填充管道設(shè)計(jì)對(duì)話框，供設(shè)計(jì)者選用。工程數(shù)據(jù)文件中未引用的規(guī)范文件、管接頭文件不能選用。

工程數(shù)據(jù)文件可以通過Piping管道設(shè)計(jì)模塊中“定義管道規(guī)范”對(duì)話框進(jìn)行定義，保存后自動(dòng)生成Pro/TABLE格式的數(shù)據(jù)文件。

2.3 管道布線

在Piping管道設(shè)計(jì)中，通過“創(chuàng)建管道”對(duì)話框定義規(guī)范化管線。在對(duì)話框中，定義管線所遵循的規(guī)范、管線的公稱直徑等生成一個(gè)管線文件。再采用“布線管道”工具，根據(jù)管道的實(shí)際走向進(jìn)行繪制出管道的軌跡。繪制軌跡時(shí)，軌跡的起點(diǎn)和終點(diǎn)選取預(yù)先定義的坐標(biāo)系作為參照。并利用2D示意圖數(shù)據(jù)，通過坐標(biāo)系推移，選取參考點(diǎn)、線、面等方式定義軌跡的走向[1]。通過規(guī)范驅(qū)動(dòng)管道布線后，70 T鐵道貨車制動(dòng)系統(tǒng)管道布線如圖5所示。

圖5 70T鐵道貨車制動(dòng)系統(tǒng)管道布線（局部）

2.4 插入管接頭

在Piping管道設(shè)計(jì)模塊中，通過“插入管接頭”打開對(duì)話框，該對(duì)話框中可以選取管接頭的類型、定義管接頭放置位置及方位，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)工程數(shù)據(jù)文件，自動(dòng)檢索合適的管接頭，插入到指定位置。插入管接頭的過程同樣需要遵循2D示意圖數(shù)據(jù)。70 T鐵道貨車制動(dòng)系統(tǒng)管接頭分布如圖6所示。

圖6 70 T鐵道貨車制動(dòng)系統(tǒng)管接頭分布（局部）

2.5 生成管道實(shí)體

規(guī)范驅(qū)動(dòng)的管道軌跡繪制好以后，可以打開“管道實(shí)體”工具，選擇所需要生成實(shí)體的管線。生成管道的實(shí)體模型。通過實(shí)體模型，可以進(jìn)一步檢查管道是否與其他元件相干涉。管道實(shí)體模型形象地反映了現(xiàn)場(chǎng)裝配中管道的實(shí)際走向，可以比較形象指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)裝配[1]。

2.6 檢查設(shè)計(jì)規(guī)范與繪圖

當(dāng)管道設(shè)計(jì)完成后，通過Piping管道設(shè)計(jì)模塊中的“管道檢查規(guī)則”對(duì)話框，對(duì)生成的管道進(jìn)行檢查。如檢查管接頭的缺失、最小折彎段、折彎半徑等是否符合規(guī)范等。也可以對(duì)照2D示意圖檢查管道管徑，長(zhǎng)度，走向等。所有管道檢查正確無誤后，可以創(chuàng)建管道安裝工程圖與單根管線等軸測(cè)圖，以及輸出管道的折彎信息。

管道安裝工程圖就是普通的裝配工程圖紙，圖紙上有各管道、管接頭的明細(xì)，球標(biāo)等。單根管線等軸測(cè)圖為ISOGEN格式的文件，擴(kuò)展名為.pcf。這種文件需要另外的管道設(shè)計(jì)軟件才能打開，如alias I-Run軟件。由于篇幅有限，不對(duì)其展開敘述。

3 結(jié)論

本文作者對(duì)CREO軟件Piping管道設(shè)計(jì)模塊的研究，總結(jié)出一種規(guī)范驅(qū)動(dòng)三維布管方法，對(duì)方法中的各步驟進(jìn)行闡述，重點(diǎn)分析管道規(guī)范數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)與修改方法。規(guī)范驅(qū)動(dòng)三維布管技術(shù)可推廣到鐵道車輛、工廠、船艦與航空管道的布置。