摘 要：在管系零件圖方面，船廠一直采用第三方軟件來進行處理，效率和準確度都不高。本文利用CATIA軟件的開發(fā)工具CATIA CAA進行二次開發(fā)，研究開發(fā)了與管系零件圖相關(guān)的內(nèi)容，填補了CATIA系統(tǒng)在管系零件圖方面的空白，對提高船廠三維設計的效率和軟件開發(fā)應用推廣做出了較大的貢獻。

關(guān)鍵詞：CAA；管加工；先焊后彎；小票；CATIA

中圖分類號：U662.9 文獻標識碼：A

1 前言

1.1 CATIA管系設計的應用

CATIA（Computer Aided Tri-dimensional Interface Application）是法國Dassault Systemes 公司開發(fā)的CAD/CAM/CAE/PDM 一體化軟件，廣泛用于航空、航天、汽車、船舶及電子工業(yè)。

CATIA系統(tǒng)在管系設計方面提供了“Piping and Instrumentation Diagrams”和“Piping Design”兩個主要模塊，其中前者是做原理圖設計的，后者主要用于管系的布放和建模，如圖1所示。

圖1 CATIA設計的一個區(qū)域的管系模型

1.2 CATIA管系設計的局限性

CATIA系統(tǒng)只是提供了管系的建模功能，并不會提供管子零件圖（俗稱“小票”）、安裝圖等結(jié)果文件，而恰恰這些文件才是工廠用來指導加工、安裝、生產(chǎn)和管理的關(guān)鍵文件。我廠自1997年引進CATIA系統(tǒng)進行設計以來，一直采用第三方的軟件系統(tǒng)（如611所的SB3DS系統(tǒng)）將CTAIA的數(shù)據(jù)導出到第三方的軟件系統(tǒng)中，生成零件圖、安裝圖等，但存在下列缺點：

（1）為了保證導入時零件附件庫的一致性，需要準備兩套完全一樣的零件庫，否則會出現(xiàn)導入錯誤；

（2）轉(zhuǎn)換流程是單向的，要修改就必須從CATIA模型開始，然后重新導入到第三方軟件中，因此效率很低，特別是修改的效率很低；

（3）對于工廠彎管工藝的修改，第三方軟件無法做到及時響應。

2 彎管參數(shù)的計算方法

彎管參數(shù)指的是管段的實長、彎管的起彎點、管子的下料長度、彎曲角和旋轉(zhuǎn)角等。求解彎管參數(shù)的方法主要是用計算法，借助計算機的技術(shù)，根據(jù)管子的節(jié)點坐標值應用三角函數(shù)或者矢量法進行計算，本文采用矢量代數(shù)法來進行彎管參數(shù)的計算。

矢量函數(shù)法就是把一根管子上的每個管段看作是一個矢量，并根據(jù)各管段的坐標值，運用矢量、數(shù)量積、矢量積推導一組公式。用這些公式計算，不需要做投影變換，也不需要求解三角形和中間參數(shù)，可大大減輕計算工作量。

如圖2所示，根據(jù)右手法則建立空間直角坐標系，坐標系的三個方向分別表示船舶的首尾、左右、上下。

圖2 管子在直角坐標系中的矢量表示

2.1 管段實長Li的求解公式

對應矢量的模Li即為管段的實長：

（1）

式中：

2.2 彎曲角α的求解公式

彎管過程中，彎模轉(zhuǎn)過的圓心角稱為彎曲角α，也就是兩矢量的夾角。兩相鄰管段的夾角叫做成形角 β，這里α+β=180，如圖2所示。

（i=1，2…n-2） （2）

2.3 管子的下料長度L的求解公式

下料長度就是彎制成形的管子的總長，理論上它是直管段長度和彎頭圓弧長度的總長。實際上在彎制管子時，彎頭部分的圓弧長度因材料塑性變形等原因會有伸長，所以實際下料長度比理論略短一些，這里我們僅考慮理論的下料長度，其下料長度的計算示意圖，見圖3。

管子彎頭的弧長 ：

圖3 下料長度的計算示意圖

2.4 旋轉(zhuǎn)角 的求解公式

兩相鄰矢量所確定的平面的法線向量的夾角 稱為管子的旋轉(zhuǎn)角，其求解公式為：

（i=1，2…n-2 ） （6）

式中：

旋轉(zhuǎn)方向的判別：轉(zhuǎn)向判斷根據(jù)三向量的混合積，若相對矢量—Ai，——Ai+1，—Ai+2組成右手系，其值為正，為逆轉(zhuǎn)；其值為負，則為順轉(zhuǎn)（自首端向尾看）。

（7）

若P>0，逆時針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角為負；若P<0，順時針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角為證；若P=0，則為平面彎曲。

2.5 先焊后彎初始轉(zhuǎn)角的計算

先焊后彎工藝是在彎管前將兩端法蘭焊在直管上，然后進行彎曲，彎曲后即成成品。這樣就不需要彎曲后再進行兩次畫線、兩次切割和法蘭定位、焊接等工序。管加車間在加工管子時有法蘭單眼和雙眼的概念，法蘭雙眼是當法蘭平面垂直于水平面的時候，最上端相鄰兩螺孔中心的連線平行于水平面。目前民用船舶絕大部分選擇的是四進制法蘭，在制造安裝時均規(guī)定為法蘭雙眼。

如圖4所示，將相鄰螺孔中心線移到管中心P1點，ab//cd，通過cd和管子的第二個節(jié)點P2組成一個平面ABCD，這個平面與法蘭平面永遠是垂直的，而此平面與通過P1P2P3組成的平面ABEF之間的夾角 就組成了法蘭的初始角。

圖4 法蘭初始轉(zhuǎn)角

先焊后彎工藝還要計算法蘭的相對轉(zhuǎn)角（法蘭預轉(zhuǎn)角），這個角度是為直管段的時候焊接法蘭用的，就是在彎管前焊接法蘭時，將兩端的法蘭預先旋轉(zhuǎn)一個角度，經(jīng)過彎管操作后，就能夠保證兩個法蘭都是雙眼的位置。很明顯，管子彎曲的法蘭的相對轉(zhuǎn)角同法蘭的初始角和管子的旋轉(zhuǎn)角有關(guān)系，根據(jù)幾何推導有：

相對轉(zhuǎn)角： （8）

3 基于CAA技術(shù)的管系零件圖的開發(fā)

3.1 CAA介紹

3.1.1 CATIA的二次開發(fā)方式

CATIA系統(tǒng)提供了多種二次開發(fā)接口，二次開發(fā)方式主要有兩種：一種是采用自動化對象編程技術(shù)，一種是采用開放的基于構(gòu)件的應用編程接口（簡稱CAA）技術(shù)，此項目采用CAA開發(fā)技術(shù)來完成。

3.1.2 CAA V5的原理和架構(gòu)

CAA采用面向?qū)ο蟮某绦蛘Z言，開發(fā)過程可看作是其組件對象的組合和擴展。CAA架構(gòu)可以用圖5表示。

圖5 CAA V5架構(gòu)

3.2 管子零件圖

管系后處理系統(tǒng)生成的管子零件圖主要是以三向投影視圖和軸測圖來表示管子的幾何信息，以圖表的形式說明其它的加工、統(tǒng)計信息，如圖6所示為其中一張的零件圖圖樣。

圖6 零件圖圖樣

3.3 本程序的主要特點

本程序具有的特點：

（1）操作簡單，無需人工干預；

（2）生成的圖冊信息完整，可以按照托盤或者圖號來出圖，一次性可以完成多份圖紙，所生成的圖紙無需做任何修改，簽名后即可發(fā)放施工部門；

（3）生成的速度較快，經(jīng)過統(tǒng)計，200張的小票可以控制在8 min以內(nèi)完成，效率高；

（4）集成了先焊后彎程序，將彎管焊接變成了直管焊接，大大縮短了加工時間，提高了彎管制作的效率。

4 應用情況

本文研究開發(fā)的管系零件圖系統(tǒng)，已投入到船廠的設計和生產(chǎn)實際中，效果良好，據(jù)統(tǒng)計可節(jié)約20%的設計工時。此系統(tǒng)的開發(fā)既實現(xiàn)了提高生產(chǎn)設計效率的目的，又適應了現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，并為深入開發(fā)更復雜的輔助程序打下了堅實的基礎(chǔ)，為企業(yè)降低了用工成本，提高了市場競爭力。目前，此系統(tǒng)已經(jīng)完全替代了原來的第三方軟件，在國（下轉(zhuǎn)第頁）（上接第頁）內(nèi)外同行業(yè)中處在比較前沿的位置，替補了CATIA系統(tǒng)在管系后處理方面的空白，對船廠三維設計的深化和推廣做出了較大的貢獻。

5 結(jié)束語

管系零件圖以及后續(xù)管系后處理系統(tǒng)的開發(fā)，需要開發(fā)者對CATIA管系設計模塊、CAA開發(fā)技術(shù)、管系加工和安裝工藝有比較充分的了解，還需要開發(fā)者掌握相關(guān)的算法和輸出規(guī)則。其中，CAA開發(fā)技術(shù)的掌握比較困難，涉及到了CATIA核心的開發(fā)技術(shù)，需要開發(fā)者具有比較扎實的CAD開發(fā)技術(shù)和經(jīng)驗。另外，由于每個廠的管加工和安裝工藝的不同，對輸出數(shù)據(jù)的要求也不同，因此，需要開發(fā)中能夠深入了解生產(chǎn)設計有關(guān)管系專業(yè)的內(nèi)容。

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