周桐，徐思豪，程哲，楊中源

(中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

在實(shí)船項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中舾裝專業(yè)需要確定若干自制件結(jié)構(gòu)物,例如,常規(guī)船舶中的雷達(dá)桅、前桅、燈桅、舵等，特殊的如集裝箱船中的綁扎橋，都是典型的舾裝專業(yè)自制件[1]。這些自制件本質(zhì)上都是由板材，骨材焊接而成的結(jié)構(gòu)物，但其設(shè)計(jì)不同于船舶結(jié)構(gòu)，自制件中還包含了大量的舾裝件，例如，欄桿、直梯、斜梯、眼板、燈具等[2]。見圖1。

圖1 典型自制件(雷達(dá)桅，前桅)示意

物料清單(bill of material,BOM)包含了企業(yè)的核心數(shù)據(jù)，是產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(product data management，PDM)系統(tǒng)的重要管理對象[3]。設(shè)計(jì)物料清單(engineering bill of material,EBOM)，是產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的BOM形式，主要反映產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和物料項(xiàng)的設(shè)計(jì)屬性[4]。在船舶BOM生成研究上，很多學(xué)者做了大量的研究[5-7]。

在船舶舾裝產(chǎn)品設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中，將產(chǎn)生大量的圖紙文件，其中包含眾多的設(shè)計(jì)信息，這些信息是后期各個(gè)設(shè)計(jì)階段的數(shù)據(jù)依據(jù)和基礎(chǔ)。然而，在當(dāng)前的設(shè)計(jì)模式下，船舶舾裝設(shè)計(jì)人員仍舊只能面對原始圖紙，手工進(jìn)行設(shè)備、構(gòu)件等信息的統(tǒng)計(jì)，并手工導(dǎo)出各種物料清單(BOM)。這種工作模式下，不但設(shè)計(jì)人員的工作十分繁重，而且設(shè)計(jì)過程的準(zhǔn)確率也難以保證。因此，在當(dāng)前形勢下，提出了一種基于CATIA二次開發(fā)的定制化舾裝自制件BOM生成方法，將結(jié)構(gòu)樹重組過程自動(dòng)化的同時(shí)提高舾裝自制件信息導(dǎo)出的快捷性與準(zhǔn)確性，使得CATIA在船舶舾裝設(shè)計(jì)中不僅作為一種三維建模工具，而且在方案制定、設(shè)備選型、圖紙生成、物料統(tǒng)計(jì)及設(shè)計(jì)管理等各設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中都能發(fā)揮強(qiáng)大的技術(shù)支持作用的協(xié)同工作平臺(tái)。

1 舾裝自制件CATIA三維模型分析

CATIA軟件是法國Dassault System(達(dá)索)公司開發(fā)的CAD/CAE/CAM一體化軟件[8]，同時(shí)CATIA軟件在二次開發(fā)方面具有較強(qiáng)的開放性，本文采用EKL語言進(jìn)行開發(fā)，用戶可以按照自己的需要，進(jìn)行有針對性的功能定制開發(fā)[9]。基于CATIA V6進(jìn)行舾裝自制件的三維設(shè)計(jì)時(shí)，依據(jù)設(shè)計(jì)要求和個(gè)人組織信息的習(xí)慣，設(shè)計(jì)人員會(huì)在建模過程中產(chǎn)生一個(gè)完整的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)樹，但是當(dāng)通過三維模型繪制二維圖紙時(shí)，出于件號統(tǒng)計(jì)規(guī)則需要重新將結(jié)構(gòu)樹中的對象重新定義件號，此外還需要基于軟件出圖時(shí)定義件號標(biāo)注的功能要求重新按照件號重組一個(gè)出圖結(jié)構(gòu)樹。設(shè)計(jì)過程產(chǎn)生的建模EBOM與輸出圖紙時(shí)用于統(tǒng)計(jì)與標(biāo)注件號的出圖BOM之間包含相同的子集元素，但卻具有不同的結(jié)構(gòu)層次，若進(jìn)行人工調(diào)整，必然會(huì)導(dǎo)致效率低下，準(zhǔn)確性差等問題。

船舶舾裝自制件的設(shè)計(jì)是船舶整體設(shè)計(jì)的重要一環(huán)，為此CATIA V6提供了Gen. Wireframe & Surface(GSD)和Structure Design(SDD)模塊?；A(chǔ)設(shè)計(jì)模塊主要實(shí)現(xiàn)了舾裝自制件的整體造型功能，通過設(shè)置CATIA V6的Data Setup中結(jié)構(gòu)資源數(shù)據(jù)配置，可以快速生成自制件的板結(jié)構(gòu)(平臺(tái)、圍壁、立柱封板等)，筋結(jié)構(gòu)，肘板結(jié)構(gòu)，立柱結(jié)構(gòu)，并且賦予了相應(yīng)的Category類別屬性，材料屬性和筋的規(guī)格屬性。

知識工程(knowledge based engineering，KBE)是建立設(shè)計(jì)知識的模型，用戶可將企業(yè)知識、標(biāo)準(zhǔn)及己有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)嵌入到設(shè)計(jì)模型中，使得設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中不必關(guān)心建模過程，將精力投入到設(shè)計(jì)創(chuàng)新中，在船舶設(shè)計(jì)中提供了較多知識工程手段和方法。例如，綁扎橋的梯子、欄桿和眼板，均屬于形狀相似而幾何尺寸不同的模型，若每次都采用軟件原生功能重新建立模型，導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員將大量的精力投入重復(fù)操作工作中，導(dǎo)致建模效率低下。可采用CATIA V6工程模板工具，通過分析模型組成和幾何參數(shù)，結(jié)合圖紙資料，利用草圖工具繪制幾何草圖，通過約束將草圖尺寸與參數(shù)相關(guān)聯(lián)，同時(shí)利用參數(shù)化建模的方式形成完整模型，將典型的舾裝件建立為一個(gè)工程模板，存入預(yù)先建立的目錄中。建模人員可以快速調(diào)用工程模板完成整個(gè)綁扎橋舾裝件的建模工作，也讓后續(xù)編程中可以快速查找到舾裝構(gòu)件。為之后的舾裝自制件自動(dòng)編寫件號和生成BOM建立了基礎(chǔ)。

舾裝自制件綁扎橋整體的CATIA三維模型見圖2，以綁扎橋三維模型為例，分析三維模型搭建結(jié)構(gòu)。綁扎橋三維模型一級結(jié)構(gòu)樹見圖3，Skeleton(三維零件)中存放綁扎橋的骨架模型，作為建立各構(gòu)件的參照大表面，即整個(gè)三維模型的主要支持面，方便后續(xù)的結(jié)構(gòu)快速建模；Layout(三維零件)中存放綁扎橋建模所需的所有草圖、輪廓，定位點(diǎn)，參考面等設(shè)計(jì)信息，即主要的建模中間過程存放節(jié)點(diǎn)；Structure(物理產(chǎn)品)中存放綁扎橋的所有的結(jié)構(gòu)件；Outfitting(物理產(chǎn)品)中存放綁扎橋的所有的舾裝件。

圖2 綁扎橋三維模型

圖3 綁扎橋一級結(jié)構(gòu)樹

綁扎橋的二級結(jié)構(gòu)樹中將結(jié)構(gòu)件和舾裝件進(jìn)一步的細(xì)分:①體現(xiàn)了建模思路和建模歸類;②在BOM二次開發(fā)中程序可通過名稱將同一類型的不同構(gòu)件加以區(qū)分。如圖4所示，綁扎橋模型將結(jié)構(gòu)件(見圖4a))分為立柱封板、方鋼、側(cè)板、剪力墻、平臺(tái)和肘板；舾裝件(見圖4b))分為欄桿、梯子和眼板。如圖5所示,綁扎橋的部分三級節(jié)點(diǎn)，其中圖5a)展示了結(jié)構(gòu)件“左側(cè)方柱”的三級結(jié)構(gòu)樹，圖5b)展示了舾裝件“欄桿”的三級結(jié)構(gòu)樹，其命名為原生功能自動(dòng)生成，較為隨意并且其不能體現(xiàn)設(shè)計(jì)思路，不符合BOM的命名要求。

圖4 綁扎橋二級結(jié)構(gòu)樹

圖5 綁扎橋三級結(jié)構(gòu)樹

相較于傳統(tǒng)二維圖紙，三維模型具有可視化程度高、設(shè)計(jì)信息集成度高等特點(diǎn)，綁扎橋三維模型中，集成了構(gòu)件規(guī)格、類型、重量等眾多設(shè)計(jì)信息，若能將這些信息加以整合和利用，必將提高設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)確性和設(shè)計(jì)效率。為此，本文提出一種基于CATIA二次開發(fā)的綁扎橋三維模型設(shè)計(jì)信息集成工具，具有模型結(jié)構(gòu)樹重組,件號自動(dòng)編制,BOM表自動(dòng)生成等功能，幫助設(shè)計(jì)人員快速檢查和確認(rèn)設(shè)計(jì)方案。

2 信息結(jié)構(gòu)分析

在設(shè)計(jì)過程中，考慮BOM輸出參數(shù)結(jié)果和三維模型的聯(lián)動(dòng)，BOM信息來源于三維設(shè)計(jì)模型，因此,需要通過程序提取CATIA模型中的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息，保持BOM信息與CATIA三維模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)聯(lián)動(dòng)顯得尤為重要。

如圖6所示，CATIA三維模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以分為2類：①結(jié)構(gòu)模型；②舾裝件模型。結(jié)構(gòu)模型中根據(jù)結(jié)構(gòu)類型可分為實(shí)體板類、實(shí)體筋類、實(shí)體柱類，其中實(shí)體板類對應(yīng)BOM中類型的板和方柱，實(shí)體筋類對應(yīng)骨材，實(shí)體柱類對應(yīng)角鋼。板類含有屬性：最大長度、最大寬度、厚度、材料和重量，筋類含有屬性：截面規(guī)格、材料和重量。綁扎橋中共存在3類舾裝件：①梯子；②欄桿；③眼板，通過CATIA工程模板工具，舾裝件作為一個(gè)三維零件整體存在唯一屬性重量。

圖6 CATIA三維模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

綁扎橋BOM信息結(jié)構(gòu)分為7類：①類型，綁扎橋中共分為方柱、板材、扁鋼、角鋼、梯子、欄桿和眼板；②件號，根據(jù)構(gòu)件類型，用戶可設(shè)置初始件號，相同構(gòu)件屬于同一件號；③尺寸，其中方柱表示格式為“截面寬度×截面寬度×厚度L=方柱長度”，板類表達(dá)格式為“厚度×最大寬度×最大長度”，角鋼表達(dá)格式為“腹板高度×面板寬度×厚度L=角鋼長度”，舾裝件表達(dá)格式為“ASSEMBLY”；④材料；⑤單個(gè)重量；⑥數(shù)量；⑦同一件號構(gòu)件總重。

通過分析綁扎橋三維模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和BOM信息結(jié)構(gòu)，三維模型和BOM之間存在聯(lián)動(dòng)關(guān)系，BOM信息都可以從三維模型中提取得到，三維模型的屬性特征也可以反映BOM信息。BOM二次開發(fā)的技術(shù)路線從二者的信息結(jié)構(gòu)出發(fā)，將舾裝自制件設(shè)計(jì)信息快捷準(zhǔn)確得導(dǎo)出。

3 二次開發(fā)技術(shù)路線

為了實(shí)現(xiàn)舾裝自制件各構(gòu)件的自動(dòng)編寫件號和自動(dòng)生成BOM，結(jié)合建模思路背景，進(jìn)入CATIA V6的Engineering Rule Capture模塊，使用Action功能以EKL為語言編寫該程序語言，EKL提供了大量的API函數(shù)，EKL可以進(jìn)行從簡單到復(fù)雜的二次開發(fā)工作，而且和原系統(tǒng)的結(jié)合非常緊密，非常有利于用戶的使用和集成，是進(jìn)行客戶化、個(gè)性化設(shè)計(jì)的強(qiáng)有力的工具。

3.1 信息分類

BOM所需的信息已經(jīng)儲(chǔ)存在CATIA三維模型中，但是這些數(shù)據(jù)還是沒有經(jīng)過處理的原始信息數(shù)據(jù)，存在一定的冗余，并且在數(shù)據(jù)格式和內(nèi)容等方面無法滿足BOM輸出要求，因此，需要將有價(jià)值的數(shù)據(jù)做提取處理。依據(jù)CATIA三維模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，程序從綁扎橋總結(jié)點(diǎn)出發(fā)，使用Children接口函數(shù)，根據(jù)物理產(chǎn)品的名稱區(qū)分出結(jié)構(gòu)件和舾裝件。每個(gè)結(jié)構(gòu)件通過類型和命名作為區(qū)分項(xiàng)，分別歸為了方柱集合、板集合、筋集合和角鋼集合。舾裝件通過預(yù)先定義的名稱分為梯子集合、欄桿集合和眼板集合。

3.2 數(shù)據(jù)清洗和編寫件號

數(shù)據(jù)清洗和編寫件號是船舶舾裝自制件信息數(shù)據(jù)處理工作。編寫件號是指在經(jīng)過清洗和分類的船舶各構(gòu)件后，程序按照設(shè)計(jì)人員預(yù)設(shè)的初始號碼對相同構(gòu)件進(jìn)行編號。清洗后的各構(gòu)件的信息與從三維模型中提取出來的原始數(shù)據(jù)不同，最重要的一點(diǎn)區(qū)別是名稱、類型和尺寸屬性從原來的零散數(shù)據(jù)變成現(xiàn)在滿足BOM要求的數(shù)據(jù)，其流程見圖7。

圖7 數(shù)據(jù)處理流程

從流程圖可知，程序的核心主要包括：①提取構(gòu)件屬性，可使用API接口函數(shù)Extract，批量提取各構(gòu)件所需屬性;②合并重復(fù)項(xiàng)，使用函數(shù)RemoveDuplicates實(shí)現(xiàn)該功能;③編寫件號，CATIA三維模型的V_Name通過EKL中對字符串的處理函數(shù)自動(dòng)寫入件號;④數(shù)據(jù)重構(gòu)，經(jīng)過清理后的信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫的臨時(shí)空間中，對照BOM信息結(jié)構(gòu)，重新排列組合構(gòu)件屬性從而得到符合BOM的構(gòu)件屬性;⑤結(jié)構(gòu)樹重構(gòu)，按照件號順序重新排列各構(gòu)件在結(jié)構(gòu)樹上的位置，設(shè)計(jì)人員可快速方便查找相應(yīng)構(gòu)件，并且符合CATIA舾裝自制件出圖時(shí)定義件號標(biāo)注的功能要求，所反映的不僅是產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)信息，而且反映了信息組成的框架。

3.3 BOM輸出

EKL API接口CreateSheet可以在指定路徑創(chuàng)建表格，首先創(chuàng)建表頭，其中信息包括件號、尺寸、類型、材料、單個(gè)構(gòu)件重量、件數(shù)和同件號構(gòu)件總重。讀取整理好的各件號屬性，使用SetCell函數(shù)依次寫入BOM表中，并在EKL中統(tǒng)計(jì)出總重輸入到BOM中，實(shí)現(xiàn)了BOM的自動(dòng)生成。整個(gè)程序架構(gòu)見表1。

表1 程序架構(gòu)

4 BOM的自動(dòng)生成工具應(yīng)用案例

本文以12 690 t集裝箱船綁扎橋?yàn)槔?，在建立CATIA V6三維模型的基礎(chǔ)上，為了使得各類型構(gòu)件辨識清晰，操作人員可以自定義各類型構(gòu)件初始件號，如圖8綁扎橋BOM的自動(dòng)生成工具操作界面所示，方柱初始件號、板初始件號、筋初始件號、角鋼初始件號、欄桿初始件號、梯子初始件號和眼板初始件號可供操作人員手動(dòng)定義，并且各舾裝構(gòu)件的件號前綴也可以自定義，從而實(shí)現(xiàn)了三維模型件號與傳統(tǒng)件號命名的統(tǒng)一。

圖8 綁扎橋BOM的自動(dòng)生成工具操作界面

在定義完初始參數(shù)和BOM存放路徑的情況下，輸入值只需選取綁扎橋模型的最高節(jié)點(diǎn)，即可完成12 690 TEU綁扎橋BOM的自動(dòng)生成，綁扎橋BOM Excel表格部分結(jié)果見圖9。三維結(jié)構(gòu)樹的命名也根據(jù)件號重新命名，相較圖5的各構(gòu)件雜亂命名方式，三維模型更能反映BOM特征，其重命名和結(jié)構(gòu)樹重構(gòu)效果見圖10。

圖9 綁扎橋BOM部分展示

圖10 各構(gòu)件重命名和結(jié)構(gòu)樹重組

為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，保證所有構(gòu)件統(tǒng)計(jì)到BOM中，并且所有類型構(gòu)件總重與手工CAD統(tǒng)計(jì)結(jié)果的誤差控制在一定范圍內(nèi)，各類構(gòu)件的總重?cái)?shù)據(jù)驗(yàn)證見表2?？梢园l(fā)現(xiàn)本次綁扎橋BOM自動(dòng)生成二次開發(fā)工具，滿足基本的業(yè)務(wù)需求。

表2 各類構(gòu)件總重?cái)?shù)據(jù)驗(yàn)證

CATIA V6出圖模塊能根據(jù)用戶在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中輸入的相關(guān)參數(shù)，自動(dòng)生成符合需求的物料清單，并且可注釋對應(yīng)件號，件號的獲取則是通過其名稱，所以這也是重命名件號的重要應(yīng)用。該案例中，已將各構(gòu)件名稱自動(dòng)編寫成相應(yīng)件號，在物料統(tǒng)計(jì)和標(biāo)注時(shí)可快速正確引用，便利了舾裝件出圖件號標(biāo)注。綁扎橋局部圖紙見圖11。

圖11 綁扎橋局部

5 結(jié)論

1)通過基于CATIA V6的二次開發(fā)，使得該軟件不僅作為一種舾裝自制件的三維顯示工具，而且在抓取信息、邏輯推理、物料統(tǒng)計(jì)乃至BOM的設(shè)計(jì)與生成等各環(huán)節(jié)中都能發(fā)揮出計(jì)算機(jī)人工智能技術(shù)的強(qiáng)大支撐作用。

2)實(shí)現(xiàn)了運(yùn)用計(jì)算機(jī)的智能識別代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工查找，用計(jì)算機(jī)的快速統(tǒng)計(jì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工填表，使得船舶舾裝件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與物料統(tǒng)計(jì)環(huán)節(jié)更加快速和準(zhǔn)確，提高了設(shè)計(jì)效率。

3)可以在企業(yè)船舶各專業(yè)設(shè)計(jì)過程的BOM生成環(huán)節(jié)中推行CATIA V6二次開發(fā)技術(shù)，有效減少統(tǒng)計(jì)誤差，加快統(tǒng)計(jì)速度，縮短統(tǒng)計(jì)周期，降低統(tǒng)計(jì)成本，為企業(yè)利益的最大化提供保障。