基于Creo二次開發(fā)的液壓管路智能設(shè)計系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

(1.三一重工股份有限公司, 湖南 長沙 410100；2.青島森科信息技術(shù)有限公司，山東 青島 266011)

引言

液壓管路是液壓系統(tǒng)中傳輸工作流體的管道，是工程機(jī)械設(shè)備不可或缺的組成部分，其設(shè)計質(zhì)量直接影響產(chǎn)品的性能和可靠性[1-4]。當(dāng)前，液壓管路的設(shè)計過程和模式正在朝著全三維設(shè)計、協(xié)同設(shè)計和并行設(shè)計的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的二維設(shè)計結(jié)合現(xiàn)場取樣的設(shè)計方法已經(jīng)不能滿足復(fù)雜液壓管路的設(shè)計要求[5-7]。為此，Creo軟件提供了Pro/ping通用液壓管路設(shè)計模塊，但此模塊在應(yīng)用于復(fù)雜管路設(shè)計問題時往往面臨以下問題：

(1) 設(shè)計基礎(chǔ)模型庫和設(shè)計數(shù)據(jù)庫資源匱乏，影響設(shè)計質(zhì)量與效率；

(2) 設(shè)計同時存在膠管與鋼管的管路路徑時，步驟復(fù)雜繁瑣，設(shè)計效率低下；

(3) 設(shè)計過程中存在“一物多碼”問題，即由于Creo底層機(jī)制上的限制同一根膠管的不同裝配形態(tài)只能分配不同的圖號，導(dǎo)致在報表輸出時產(chǎn)生編碼錯誤；

(4) 軟件的輔助設(shè)計功能較弱，對設(shè)計師操作要求高。

二次開發(fā)是指在通用三維設(shè)計軟件的基礎(chǔ)上，通過軟件開發(fā)的方式將設(shè)計經(jīng)驗(yàn)、設(shè)計流程和思路固化到軟件的操作過程中，從而得到一種適用于本企業(yè)或本行業(yè)的專用工業(yè)設(shè)計軟件，目前在航天等行業(yè)已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用[8]。因此需要針對復(fù)雜液壓管路設(shè)計問題利用Creo軟件進(jìn)行二次開發(fā)，以解決現(xiàn)有模塊中的不足。

本研究結(jié)合液壓管路系統(tǒng)的設(shè)計要求和工程實(shí)踐，主要從資源庫管理、管路路徑設(shè)計和報表輸出3方面進(jìn)行研究，并提出總體解決方案。研究的主要目標(biāo)包括如下幾點(diǎn)：

(1) 構(gòu)建資源豐富的管路設(shè)計信息資源庫和基礎(chǔ)三維模型庫，提高設(shè)計效率與質(zhì)量;

概言之，商標(biāo)戲仿概念的界定應(yīng)當(dāng)以商標(biāo)與商標(biāo)符號關(guān)系的厘清為基礎(chǔ)。本文認(rèn)為，商標(biāo)戲仿的概念應(yīng)作廣義與狹義之分，二者區(qū)分的重點(diǎn)在于是否包含僅僅針對符號組合所展現(xiàn)的文化表達(dá)所進(jìn)行的戲仿行為。應(yīng)當(dāng)區(qū)分對商標(biāo)的符號性使用與商標(biāo)性使用，商標(biāo)性使用應(yīng)嚴(yán)格限定在商標(biāo)實(shí)際使用于商品或服務(wù)的過程中。對商標(biāo)符號的戲仿應(yīng)屬廣義的商標(biāo)戲仿范疇，該種戲仿一般不涉及商業(yè)性行為，一般社會公眾均可自發(fā)進(jìn)行。相應(yīng)地，狹義的商標(biāo)戲仿指的是在他人在申請注冊或?qū)嶋H使用的商標(biāo)中滑稽模仿他人商標(biāo)，其戲仿行為不再只追求在文化上娛樂公眾的效果，而是通過戲仿行為實(shí)現(xiàn)特定的比較、聯(lián)系以及指示商品來源的目的。

(2) 實(shí)現(xiàn)管路路徑的快速設(shè)計與靈活調(diào)整，提高設(shè)計效率;

(3) 可以便捷地進(jìn)行管路信息的報表輸出，并解決“一物多碼”的問題;

(4) 增強(qiáng)輔助設(shè)計功能，在管件及連接件選型過程中提供選用優(yōu)先級，實(shí)現(xiàn)智能設(shè)計。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于Creo的液壓管路智能設(shè)計系統(tǒng)的系統(tǒng)框架如圖1所示。系統(tǒng)由支撐層和應(yīng)用層組成。支撐層以操作系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)平臺為基礎(chǔ)，包括模型類資源庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類資源庫和用戶信息管理庫3類資源庫。設(shè)計模型類資源庫通過產(chǎn)品生命周期管理(Product Lifecycle Management，PLM)系統(tǒng)管理和維護(hù)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類資源庫通過單機(jī)數(shù)據(jù)庫SQlite負(fù)責(zé)管理和維護(hù)。系統(tǒng)可自動建立設(shè)計模型類資源庫和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類資源庫之間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，通過選擇管道件的代號然后由程序自動檢索對應(yīng)模型并完成裝配。應(yīng)用層以Creo2.0為基礎(chǔ)，主要包括接口信息管理模塊、管路路徑設(shè)計管理模塊、管件選型模塊、報表輸出模塊和工程圖輸出模塊。應(yīng)用層通過云服務(wù)平臺調(diào)用支撐層中的資源庫數(shù)據(jù)完成接口信息管理、管路路徑設(shè)計和管件選型任務(wù)。

圖1 系統(tǒng)框架

1.2 工作流程

液壓管路的設(shè)計有其固有的設(shè)計流程，正確規(guī)范的設(shè)計流程會調(diào)高設(shè)計的效率和質(zhì)量。本系統(tǒng)參考多年的液壓管路設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合三維設(shè)計特點(diǎn)和Creo軟件功能限制，制定系統(tǒng)工作流程的規(guī)劃，工作流程如圖2所示。首先根據(jù)液壓管路設(shè)計模型配置所需的資源庫數(shù)據(jù)，將管件接口數(shù)據(jù)導(dǎo)入，實(shí)現(xiàn)模型與數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)；然后再進(jìn)行管路的路徑設(shè)計，并完成管路模型的三維繪制；最后進(jìn)行報表以及工程圖的輸出，完成液壓管路的設(shè)計任務(wù)。

圖2 工作流程

2 子模塊設(shè)計

2.1 資源庫管理模塊

設(shè)計資源庫是管路三維設(shè)計的基礎(chǔ)和保障，管路設(shè)計資源庫可以分為模型類資源庫、數(shù)據(jù)庫以及用戶信息管理庫3種類型。模型類資源庫主要用來管理液壓元件和管路附屬件三維模型數(shù)據(jù)，提供標(biāo)準(zhǔn)化模型且支持模型的添加與更改；基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類資源庫主要用來管理管件選型及材料數(shù)據(jù)；用戶信息管理庫主要用來管理用戶信息。資源庫管理模塊具體包含的內(nèi)容如表1所示。通過設(shè)計豐富的庫資源提高了設(shè)計的質(zhì)量，為液壓管路粗略設(shè)計提升為精細(xì)化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

表1 資源庫管理模塊

2.2 管路路徑設(shè)計模塊

本模塊實(shí)現(xiàn)管道的路徑設(shè)計與調(diào)整，其便捷性和精確性直接影響管路設(shè)計的效果。為保證管路路徑設(shè)計的效率與質(zhì)量，提出剛性約束與柔性約束相結(jié)合的技術(shù)方案。采用剛性鏈模型[9]對管路進(jìn)行建模，即將管件視為多個連桿與運(yùn)動副組成的機(jī)構(gòu)，剛性鏈模型示意圖如圖3所示。

圖3 剛性鏈模型示意圖

首先設(shè)計者可以選定若干剛性節(jié)點(diǎn)對管路進(jìn)行剛性約束，即剛性節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為已知量。2個相鄰的剛性節(jié)點(diǎn)間由許多個等距柔性節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，柔性節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值的求解是路徑設(shè)計的關(guān)鍵問題。取2個相鄰剛性節(jié)點(diǎn)為研究對象，可將該管件段視為由n-1段連桿與n個節(jié)點(diǎn)組成的機(jī)構(gòu)。在管件離散過程中進(jìn)行等分處理，即假設(shè)每根桿件的長度均為d，則節(jié)點(diǎn)i的坐標(biāo)由3個變量所決定：分別繞xi軸、yi軸和zi軸的轉(zhuǎn)動角度αi，βi,γi。由于硬管無法發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，故各轉(zhuǎn)動角度均為0，即2個剛性節(jié)點(diǎn)間的連線即為硬管管路路徑。由于軟管材質(zhì)是均勻的，故各節(jié)點(diǎn)處轉(zhuǎn)角應(yīng)相等，即:

α0=α1=…=αn-1=α

(1)

β0=β1=…=βn-1=β

(2)

(3)

根據(jù)D-H坐標(biāo)變換[10-12]，節(jié)點(diǎn)qi在坐標(biāo)系O0中的坐標(biāo)計算公式為：

q0=0A11A2…i-1Ai(d,α,β,γ)qi,i=1,2,…,n

(4)

式中，i-1Ai表示坐標(biāo)系Oi-1與Oi間的D-H變換矩陣。對于軟管各柔性節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的確定，首先根據(jù)設(shè)定好的管路長度L與離散的管件細(xì)分段數(shù)n確定每段管路的長度d=L/n；然后將2個剛性節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值帶入式(4)，解得各節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角α,β,γ；最后利用式(4)求得各節(jié)點(diǎn)在坐標(biāo)系O0中的坐標(biāo)。

對于硬管的路徑設(shè)計，首先在管軸上添加或指定管軸剛性節(jié)點(diǎn)(控制點(diǎn))；然后通過帶尺寸刻度的剛性節(jié)點(diǎn)拖拽操作調(diào)整管件長度。對于軟管的路徑設(shè)計，采用了軟管與硬管聯(lián)合設(shè)計的理念。首先利用硬管管路設(shè)計的操作確定管件的長度；然后將管件材質(zhì)從硬管切換為軟管，此時管件長度無法調(diào)整；最后在軟管段添加、調(diào)整剛性節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)軟管的柔性調(diào)整，此時軟管會根據(jù)剛性節(jié)點(diǎn)所確定的既有幾何約束動態(tài)求解軟管的路徑曲線(各柔性節(jié)點(diǎn))。軟管路徑設(shè)計過程中，若需要調(diào)節(jié)管長，則切換至硬管設(shè)計模式，此時管件上剛性節(jié)點(diǎn)可自由拖動，完成管長的調(diào)整操作。

2.3 報表輸出模塊

針對報表輸出過程中的“一物多碼”問題，首先設(shè)計工具中會自動分析并生成軟管三維模型的標(biāo)準(zhǔn)代號；然后遍歷所有軟管并依次檢索后臺標(biāo)準(zhǔn)軟管數(shù)據(jù)庫中是否存在相近的標(biāo)準(zhǔn)軟管，若存在則將編號修改為與相近標(biāo)準(zhǔn)軟管的編號；最后輸出軟管物料報表。軟管報表輸出流程圖如圖4所示。

3 應(yīng)用實(shí)例與應(yīng)用效果

3.1 應(yīng)用實(shí)例

本節(jié)將描述本系統(tǒng)應(yīng)用于具體液壓管路設(shè)計的一個應(yīng)用實(shí)例，以展現(xiàn)系統(tǒng)操作過程和重要模塊的操作界面及效果。

首先在資源庫中選取設(shè)計所需要的模型，操作界面如圖5所示。界面分為組織結(jié)構(gòu)樹、實(shí)例詳細(xì)信息列表、數(shù)據(jù)編輯區(qū)、模型示意圖和快速工具欄5個部分。組織結(jié)構(gòu)樹以樹的形式組織各種類型的設(shè)計資源，方便快速查看；實(shí)例詳細(xì)信息羅列資源的詳細(xì)信息，支持自動排序，方便數(shù)據(jù)查詢；數(shù)據(jù)編輯區(qū)實(shí)現(xiàn)對資源數(shù)據(jù)的編輯，支持下拉列表選擇，提高編輯效率；模型示意圖結(jié)合二維數(shù)據(jù)，直觀準(zhǔn)確地展現(xiàn)模型特征；快速工具欄可根據(jù)不同的權(quán)限配置，方便設(shè)計者使用。

圖4 軟管報表輸出流程

圖5 資源庫界面

然后進(jìn)行管路接口信息的輸入。利用管路接口信息管理模塊實(shí)現(xiàn)對管路接口信息的輸入，采用固定格式的EXCEL表格文件，把管路設(shè)計的接口信息導(dǎo)入。管路接口信息主要包括：管路名稱、起端代號、終端代號、硬管管材、軟管管材、硬管連接樣式和接頭輕重型。管路接口信息表單如圖6所示。

圖6 管路接口信息表單

然后進(jìn)行管路的路徑設(shè)計，系統(tǒng)提供控制點(diǎn)的添加和拖動操作以及管路區(qū)段的類型切換(軟管和硬管的切換)，方便設(shè)計人員統(tǒng)一進(jìn)行管路路徑規(guī)劃與調(diào)整，管路路徑設(shè)計效果圖如圖7所示。

圖7 管路路徑設(shè)計效果圖

然后進(jìn)行軟管的選型設(shè)計，系統(tǒng)會依據(jù)設(shè)計給定界限值，在標(biāo)準(zhǔn)軟管庫中自動查詢出與其所設(shè)計軟管接近的標(biāo)準(zhǔn)軟管，并根據(jù)庫存數(shù)量、價格等信息將物料按優(yōu)先級依次顯示在界面中，供設(shè)計人員查看選擇。軟管選型設(shè)計界面如圖8所示。

圖8 軟管選型設(shè)計界面

最后進(jìn)行管路規(guī)范化報表輸出，按照企業(yè)配置的報表模板，實(shí)現(xiàn)管路的各種信息報表的輸出，報表輸出界面如圖9所示。

3.2 應(yīng)用效果

為驗(yàn)證本系統(tǒng)的可靠性和高效性，將本系統(tǒng)應(yīng)用于一個設(shè)計項(xiàng)目中，并與傳統(tǒng)設(shè)計模式(單純利用Creo軟件自帶的Pro/ping通用液壓管路設(shè)計模塊)進(jìn)行對比，設(shè)計工時對比如圖10所示，由圖中數(shù)據(jù)可知，應(yīng)用本系統(tǒng)進(jìn)行液壓管路模型設(shè)計較傳統(tǒng)設(shè)計模式，在鋼管設(shè)計、膠管設(shè)計、選型與報表和工程圖出圖這幾方面，設(shè)計效率均有較大提高，原因有如下幾點(diǎn)： 庫資源的豐富使得大多數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)模型可以直接調(diào)用，無需重新建模；利用固定格式的EXCEL表格文件進(jìn)行接口信息的導(dǎo)入，便于數(shù)據(jù)的輸入與管理；采用了軟管與硬管聯(lián)合設(shè)計的理念，使用剛性約束與柔性約束相結(jié)合的技術(shù)手段，提高了管件路徑設(shè)計的效率；提供管件選型優(yōu)先級，提高了設(shè)計者的選型效率；傳統(tǒng)設(shè)計模式由于“一物多碼”問題需要對生成的報表進(jìn)行手動修改，而本系統(tǒng)可以直接輸出正確的報表。

圖9 報表輸出界面

圖10 傳統(tǒng)設(shè)計模式與應(yīng)用本系統(tǒng)的設(shè)計效率對比

管路的設(shè)計質(zhì)量可以由改圖通知單的數(shù)量體現(xiàn)，對于該設(shè)計項(xiàng)目，傳統(tǒng)設(shè)計模式的改圖通知單數(shù)量為57，而應(yīng)用本系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計改圖通知單數(shù)量僅為3，數(shù)量減少94.7 %，說明應(yīng)用本系統(tǒng)較傳統(tǒng)設(shè)計模式設(shè)計質(zhì)量有了很大提高。原因在于豐富的模型庫資源和精確的管路路徑設(shè)計使得本系統(tǒng)能夠建立液壓管路1∶1全三維數(shù)字化樣機(jī)模型，進(jìn)而通過干涉檢查等手段提前避免設(shè)計錯誤或遺漏，而傳統(tǒng)設(shè)計模式無法做到這一點(diǎn)。

對比測試表明除設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量有了明顯提升以外，設(shè)計的精細(xì)化程度有了很大提高。一方面豐富且標(biāo)準(zhǔn)的三維模型資源庫使得設(shè)計模型較傳統(tǒng)設(shè)計模式更為準(zhǔn)確，另一方面系統(tǒng)解決了軟管路徑的設(shè)計問題，使得所設(shè)計的軟管管路模型更貼近實(shí)際情況。

4 結(jié)論

液壓管路的設(shè)計是工程機(jī)械三維設(shè)計中最困難的部分之一，借鑒Creo二次開發(fā)的技術(shù)與方法，本研究提出了完整的液壓管路設(shè)計解決方案。構(gòu)建管路資源庫使得設(shè)計過程規(guī)范化，提出剛性約束與柔性約束相結(jié)合的技術(shù)手段和軟硬管聯(lián)合設(shè)計的理念，實(shí)現(xiàn)了管路路徑的快速設(shè)計與靈活調(diào)整。管件選型模塊提供物料選擇優(yōu)先級，實(shí)現(xiàn)了管件的快速選型，體現(xiàn)了系統(tǒng)的智能化。報表輸出系統(tǒng)通過對軟管與后臺標(biāo)準(zhǔn)膠管數(shù)據(jù)進(jìn)行對比并自動分配修改編號，解決了“一物多碼”問題。將本研究成果應(yīng)用于實(shí)際設(shè)計項(xiàng)目中，并與傳統(tǒng)設(shè)計模式進(jìn)行對比，應(yīng)用效果驗(yàn)證了本設(shè)計的可靠性和高效性?？傊?，本研究所使用技術(shù)手段和設(shè)計理念，為工程行業(yè)解決全三維設(shè)計難題提供了全新的思路和方向。

對于后續(xù)的改進(jìn)工作，會逐步實(shí)現(xiàn)與企業(yè)資源計劃(Enterprise Resource Planning，ERP)、財務(wù)、人力資源(Human Resource，HR)等系統(tǒng)的集成，打通產(chǎn)品設(shè)計的信息流、物資流和資金流，實(shí)現(xiàn)真正意義上的基于模型的系統(tǒng)工程。