液體火箭發(fā)動機異構(gòu)CAD三維模型裝配技術(shù)分析與應(yīng)用

林 源,熊莉芳,胡海峰

(西安航天動力研究所,陜西 西安 710100)

0 引言

在液體火箭發(fā)動機研制過程中,采用CAD、PLM、ERP、MES等信息化技術(shù)可以改進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)品制造信息的表達(dá)模式,尤其是MBD技術(shù)的引入,將傳統(tǒng)產(chǎn)品制造由二維圖紙轉(zhuǎn)變?yōu)槿S設(shè)計模型?；谌S模型定義是將產(chǎn)品相關(guān)的屬性定義、設(shè)計、工藝、制造等信息都定義在產(chǎn)品三維模型中的數(shù)字化設(shè)計方法,確保產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)的正確性和唯一性[1]。采用基于MBD技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)品三維模型的定義,同時采用產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)實現(xiàn)產(chǎn)品BOM結(jié)構(gòu)信息的自動生成,設(shè)計信息模型化表達(dá)和工藝信息的結(jié)構(gòu)化提取,實現(xiàn)液體火箭發(fā)動機全過程的數(shù)據(jù)管理,有效解決了產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)制造一體化問題。這一新型制造過程可以提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量,降低發(fā)動機的研制成本,縮短研制周期[2]。

CAD三維建模技術(shù)的引入,改進(jìn)了產(chǎn)品信息表達(dá)手段,但是圍繞不同的CAD建模工具,帶來了三維建模工具和規(guī)范不統(tǒng)一等問題。根據(jù)目前三維建模技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀,三維建模工具沒有形成統(tǒng)一的建模規(guī)范,不同三維建模工具之間數(shù)據(jù)格式互不兼容,三維模型不能相互調(diào)用、裝配,BOM結(jié)構(gòu)信息等也難以跨軟件傳遞[3-4]。在產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理方面,這種多CAD建模軟件不僅帶來了異構(gòu)模型使用困難的問題,也造成產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)難以管控,跨軟件、跨部門以及跨地域協(xié)作效率低等問題[5]。以液體火箭發(fā)動機設(shè)計總裝為例,整機裝配包含1萬多個零部件,總裝三維模型大小超過15 GB,整個三維建模過程非常復(fù)雜,涉及科室及廠所之間的協(xié)同[6]。在Teamcenter系統(tǒng)中,異構(gòu)模型之間互相裝配,產(chǎn)品BOM結(jié)構(gòu)信息不能同步,需要耗費大量的人力進(jìn)行三維模型重新轉(zhuǎn)換及創(chuàng)建,不僅出錯率高,還不利于產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)的管控[7-8]。

為了解決異構(gòu)CAD三維模型協(xié)同設(shè)計所面臨的問題,實現(xiàn)異構(gòu)三維模型之間的信息整合,提高產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計效率,進(jìn)行了基于Teamcenter液體火箭發(fā)動機異構(gòu)CAD三維模型的裝配技術(shù)研究,突破了多CAD三維模型信息的提取、面向協(xié)同設(shè)計集成框架、三維模型輕量化處理等關(guān)鍵技術(shù),滿足了異構(gòu)CAD三維設(shè)計協(xié)同,實現(xiàn)產(chǎn)品BOM結(jié)構(gòu)信息的自動更新以及零部件技術(shù)狀態(tài)管控,實現(xiàn)跨軟件平臺、跨部門、跨地域產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計[9]。

1 產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是異構(gòu)CAD三維模型裝配的基礎(chǔ)。異構(gòu)CAD三維模型裝配數(shù)據(jù)通過產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的管理和維護。管理數(shù)據(jù)主要包括異構(gòu)CAD三維模型以及裝配過程數(shù)據(jù)。異構(gòu)CAD三維模型數(shù)據(jù)是產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中重要的產(chǎn)品數(shù)據(jù)對象,它包含了零部件屬性信息、幾何信息以及零部件之間的裝配關(guān)系等。以Teamcenter為產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),NX8.5和Pro/E 4.0為異構(gòu)三維模型設(shè)計工具,底層數(shù)據(jù)庫采用Oracle11。零部件三維模型創(chuàng)建完成后,通過NX或Pro/E集成接口將三維模型導(dǎo)入Teamcenter系統(tǒng)中進(jìn)行管理,系統(tǒng)可以自動提取零部件信息并生成產(chǎn)品BOM結(jié)構(gòu)信息,實現(xiàn)Teamcenter與Pro/E和NX等異構(gòu)CAD三維設(shè)計軟件的集成,將Teamcenter數(shù)據(jù)存儲和管理能力與CAD強大的三維建模集成在一起,確保產(chǎn)品研制數(shù)據(jù)的一致性和完整性[10-11]。

1.1 三維模型設(shè)計

三維模型設(shè)計是開展異構(gòu)CAD三維模型裝配的基礎(chǔ)工作。首先需要制定三維設(shè)計模板、三維建模設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、三維標(biāo)注規(guī)范等工作,然后根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計方案進(jìn)行三維建模和三維標(biāo)注。三維模型創(chuàng)建完成后維護三維模型的屬性信息,如表1所示。

1.2 異構(gòu)CAD集成

Pro/E集成設(shè)計將Teamcenter集成接口內(nèi)嵌在Pro/E建模環(huán)境中,可以實現(xiàn)三維模型的創(chuàng)建、裝配、簽入、簽出及屬性更新等功能,實現(xiàn)產(chǎn)品BOM結(jié)構(gòu)的自動生成和更新,并與Teamcenter系統(tǒng)進(jìn)行信息同步更新[2]。在Pro/E與Teamcenter集成環(huán)境下保存Pro/E裝配件時,自動根據(jù)Pro/E三維裝配結(jié)構(gòu)在Teamcenter中生成對應(yīng)的產(chǎn)品BOM結(jié)構(gòu),設(shè)計修改三維模型重新保存后,產(chǎn)品BOM結(jié)構(gòu)自動進(jìn)行更新[12]。

NX集成設(shè)計是將NX三維建模與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理結(jié)合起來。首先數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)啟動NX集成建模環(huán)境進(jìn)行三維模型設(shè)計,該功能可以快速進(jìn)行三維設(shè)計模板調(diào)用、三維模型的創(chuàng)建和裝配,三維模型裝配過程記錄了零部件之間的裝配關(guān)系,同時實現(xiàn)對產(chǎn)品BOM結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建和更新,可以將信息保存到Teamcenter系統(tǒng)中,并自動生成產(chǎn)品BOM結(jié)構(gòu)信息。

2 異構(gòu)CAD模型裝配

解決異構(gòu) CAD 三維模型裝配問題,首先需要解決三維模型裝配信息的統(tǒng)一。由于異構(gòu) CAD 三維模型的特征屬性、幾何、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等存在差異,導(dǎo)致異構(gòu)三維模型無法互相進(jìn)行裝配。異構(gòu)三維模型裝配首先需要一個主導(dǎo)的CAD設(shè)計平臺,異構(gòu)模型中來自于該主導(dǎo)平臺的模型稱為當(dāng)前模型,并非來自于該主導(dǎo)平臺的模型稱為外部模型[13]。顯然,要將外部模型裝配到主裝配體中,需要以標(biāo)準(zhǔn)交換格式作為媒介。在Teamcenter集成環(huán)境實現(xiàn)NX與Pro/E模型的三維模型裝配,主要有以下兩種模式。

1)輕量化模型裝配。采取多種CAD同時支持的輕量化JT格式進(jìn)行裝配,即NX模型和Pro/E模型在保存時同時生成對應(yīng)的JT文件,并進(jìn)行裝配[14]。輕量化模型是對三維模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換,并且保留了三維模型裝配關(guān)系和幾何信息,層次性體現(xiàn)裝配體的直屬關(guān)系,每一層都記錄了裝配的信息。關(guān)系性體現(xiàn)了零部件的從屬關(guān)系和不同零件之間的裝配約束信息等。Pro/E環(huán)境中裝配NX模型時,就是采用了輕量化模型進(jìn)行裝配。

2)中間格式裝配。中間格式轉(zhuǎn)換是將發(fā)動機的三維模型轉(zhuǎn)換成中間過渡格式,然后將過渡格式再轉(zhuǎn)換成另一種三維設(shè)計工具格式的三維模型。例如,將NX文件轉(zhuǎn)換成STEP文件,然后再轉(zhuǎn)成Pro/E三維模型進(jìn)行裝配。

2.1 JT格式裝配

在Teamcenter集成設(shè)計環(huán)境中,采用輕量化模型JT格式文件進(jìn)行三維模型裝配,通過配置三維模型的集成接口,實現(xiàn)在NX和Pro/E環(huán)境中三維模型保存到Teamcenter系統(tǒng)時,同時保存JT格式文件,此時三維模型與JT文件版本保持一致。

2.1.1 Pro/E異構(gòu)裝配

在Pro/E集成環(huán)境中進(jìn)行三維模型裝配時,打開Pro/E的三維模型,通過調(diào)用插入組件的方式,調(diào)用Teamcenter系統(tǒng)中的三維模型。需要裝配的零部組件為NX三維模型時,在Teamcenter插入裝配組件的彈窗中不顯示NX模型,只顯示輕量化JT文件,通過裝配JT的方式進(jìn)行三維模型的裝配[15-16]。三維模型裝配完成后,通過Pro/E集成接口進(jìn)行裝配件的保存,Teamcenter根據(jù)三維模型裝配關(guān)系自動生成產(chǎn)品BOM結(jié)構(gòu)信息,設(shè)計發(fā)生變更,BOM結(jié)構(gòu)信息自動更新。在Teamcenter中生成BOM時,接口可以自動將骨架等非裝配結(jié)構(gòu)進(jìn)行排除,并且在同一裝配下同一個零部件裝配多個時,將會在BOM結(jié)構(gòu)中進(jìn)行合并,數(shù)量以級乘的形式進(jìn)行顯示[17]。

若執(zhí)行裝配操作的用戶對NX零件在Teamcenter中有寫權(quán)限,在保存時,會同步在該零部件下生成Pro/E三維模型,再次打開時,會調(diào)用之前生成的Pro/E三維模型;若無寫權(quán)限,保存時無法在NX零件下生成Pro/E模型,再次打開三維模型時,直接調(diào)用輕量化JT模型。

2.1.2 NX異構(gòu)裝配

在NX集成環(huán)境中打開NX三維模型,需要裝配的零部組件為Pro/E三維模型時,通過裝配的添加組件功能,在集成環(huán)境中打開Pro/E組件對象,選擇對應(yīng)的JT文件,完成裝配操作[18]。同樣,在NX集成環(huán)境中,三維模型裝配完成,點擊“保存”可自動根據(jù)裝配結(jié)構(gòu)在Teamcenter生成BOM結(jié)構(gòu),設(shè)計變更后,BOM信息自動更新,在同一裝配下同一個零部件裝配多個時,將會在BOM中進(jìn)行合并,數(shù)量以級乘的形式進(jìn)行顯示。

若執(zhí)行裝配操作的用戶對Pro/E零件在Teamcenter中有寫權(quán)限,在保存時,會同步在該零組件下生成一個NX的零件圖,再次打開時,會調(diào)用生成的NX模型;若無寫權(quán)限,則保存時無法在Pro/E零件下生成NX模型,再次打開時,直接調(diào)用JT模型。通過采用異構(gòu)CAD三維模型裝配技術(shù)可以實現(xiàn)液體火箭發(fā)動機重要零部件的裝配,如圖1所示。

圖1 異構(gòu)CAD三維模型裝配Fig.1 Heterogeneous CAD 3D model assembly

2.2 STEP格式裝配

2.2.1 STEP格式轉(zhuǎn)換

STEP格式是三維模型數(shù)據(jù)交換的國際標(biāo)準(zhǔn),Pro/E與NX都支持STEP格式的轉(zhuǎn)換,Pro/E與NX轉(zhuǎn)換STEP的特征保留情況如表2所示。

表2 Pro/E與NX轉(zhuǎn)換STEP特征情況

2.2.2 STEP格式裝配

基于Teamcenter集成設(shè)計環(huán)境,采用STEP中間格式進(jìn)行NX與Pro/E三維模型之間的互相裝配、產(chǎn)品BOM結(jié)構(gòu)自動生成。將NX和Pro/E三維模型轉(zhuǎn)換為STEP中間格式,然后通過在模型對象下新建STEP文件數(shù)據(jù)集的方式,手動將STEP文件上傳至Teamcenter,并掛在對應(yīng)的零件下面。

Pro/E裝配STEP格式,手動從Teamcenter下載NX零件的STEP文件到本地,再使用STEP文件完成裝配操作,使用Teamcenter集成菜單中的保存功能,將三維模型裝配保存至Teamcenter。Pro/E使用NX零件的STEP文件進(jìn)行裝配后,在保存至Teamcenter的過程中會因為對NX零件無寫權(quán)限而無法將Pro/E模型保存至NX零件下,但是可以在Teamcenter中生成BOM結(jié)構(gòu)關(guān)系。

NX裝配STEP格式,在NX環(huán)境裝配時,手動從Teamcenter將Pro/E零件的STEP文件下載到本地。打開NX環(huán)境,使用STEP文件在本地完成裝配操作并保存至本地,再打開NX集成環(huán)境,使用“裝配導(dǎo)入至Teamcenter”功能將裝配保存至Teamcenter。NX使用Pro/E零件的STEP文件進(jìn)行裝配后,保存至TC的過程中,如果對Pro/E零件具有寫權(quán)限,可以將NX模型保存至Pro/E零組件下,同時更新BOM結(jié)構(gòu)關(guān)系。

2.3 三維模型變更

在同一CAD軟件內(nèi)部,零部件更改后,只要原先依賴的裝配基準(zhǔn)存在,可以實現(xiàn)自適應(yīng)重新裝配,這一特性稱為自適應(yīng)裝配。對于異構(gòu)CAD三維模型,由于CAD軟件的封閉性和互不兼容性,裝配后的編輯、調(diào)整操作顯然只能在之前的格式上進(jìn)行,否則會丟失所有參數(shù)。因此,對子零部件進(jìn)行任何更改之后,設(shè)計人員都需要重新執(zhí)行格式轉(zhuǎn)換和裝配。由于格式轉(zhuǎn)換過程中難以保證上次所使用的裝配基準(zhǔn),很可能需要重新進(jìn)行裝配工作[19]。

由于模型在發(fā)生更改并重新保存之后,JT文件會實時更新以保持與模型一致。因此,以JT為媒介的裝配方法,當(dāng)外部模型發(fā)生更改時,只需要打開當(dāng)前模型進(jìn)行編輯、調(diào)整操作;以STEP為媒介的裝配方法,當(dāng)外部模型發(fā)生更改時,需要打開當(dāng)前模型重新執(zhí)行格式轉(zhuǎn)換、上傳、裝配和導(dǎo)入,具體自適應(yīng)裝配流程如圖2所示。

圖2 異構(gòu)CAD模型自適應(yīng)裝配流程Fig.2 Adaptive assembly process of heterogeneous CAD model

3 應(yīng)用效果

基于Teamcenter異構(gòu)CAD三維模型裝配方法在某新型液體發(fā)動機研制過程中得到了廣泛應(yīng)用,通過采用輕量化模型和中間格式進(jìn)行裝配實現(xiàn)異構(gòu)CAD三維模型的裝配和管理,達(dá)到了以下應(yīng)用效果。

1)能夠自動生成和更新產(chǎn)品BOM結(jié)構(gòu)化信息,零部件的變更能夠自動更新到異構(gòu)CAD三維模型裝配中,并且能夠從異構(gòu)裝配體的零部件自動鏈接到實際三維模型進(jìn)行編輯,建立了完整的CAD數(shù)據(jù)封裝與更新機制[20]。

2)提出了異構(gòu) CAD 三維模型裝配方法,通過該方法裝配的三維模型不但保留了三維模型之間的裝配關(guān)系,還保留了三維模型的幾何信息,為后續(xù)工藝虛擬裝配提供了必要的數(shù)據(jù)。

3)異構(gòu)CAD三維模型輕量化生成及瀏覽技術(shù)可實現(xiàn)對發(fā)動機整機三維模型的快速輕量化處理和可視化查看,以“一次輕量化,處處可使用”為目標(biāo),整合多種輕量化和快速查看技術(shù),做到對復(fù)雜三維模型的快速傳輸和查看。

4)建立了支持異構(gòu)CAD三維模型裝配協(xié)同設(shè)計平臺,支持多CAD異構(gòu)數(shù)據(jù)協(xié)同與共享,可對三維模型進(jìn)行技術(shù)狀態(tài)管控和變更管理,實現(xiàn)了某新型液體發(fā)動機異構(gòu)CAD三維模型BOM結(jié)構(gòu)信息與產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)整合共享。

4 結(jié)束語

通過對液體火箭發(fā)動機異構(gòu)CAD三維模型裝配技術(shù)的研究,基于MBD技術(shù)實現(xiàn)了發(fā)動機三維模型的屬性定義,將傳統(tǒng)產(chǎn)品制造由二維圖紙轉(zhuǎn)變?yōu)槿S設(shè)計模型,并將產(chǎn)品相關(guān)的屬性定義、設(shè)計、仿真等信息都定義在三維模型中,確保產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)的正確性和唯一性。采用異構(gòu)CAD三維模型輕量化格式進(jìn)行零部件裝配,在一定程度上,從產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理和操作層次打破異構(gòu)CAD三維設(shè)計軟件兼容性的壁壘,構(gòu)建異構(gòu)CAD三維模型的統(tǒng)一裝配環(huán)境,實現(xiàn)零組件標(biāo)識與溯源、異構(gòu)三維模型的自適應(yīng)裝配以及產(chǎn)品BOM結(jié)構(gòu)化信息的整合。在統(tǒng)一環(huán)境下,實現(xiàn)異構(gòu)CAD三維模型BOM結(jié)構(gòu)信息的自動更新和同步,以及發(fā)動機產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)管控和變更管理。滿足了某新型液體火箭發(fā)動機跨軟件平臺、跨部門、跨地域協(xié)同研制要求,提高了產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量,縮短了產(chǎn)品研制周期。