基于CAA技術的管系零件圖的開發應用

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軟件的開發工具CATIA CAA進行二次開發，研究開發了與管系零件圖相關的內容，填補了CATIA系統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應用推廣做出了較大的貢獻。

關鍵詞：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。

CATIA系統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設計的一個區域的管系模型

1.2 CATIA管系設計的局限性

CATIA系統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”）、安裝圖等結果文件，而恰恰這些文件才是工廠用來指導加工、安裝、生產和管理的關鍵文件。我廠自1997年引進CATIA系統進行設計以來，一直采用第三方的軟件系統（如611所的SB3DS系統）將CTAIA的數據導出到第三方的軟件系統中，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，否則會出現導入錯誤；

（2）轉換流程是單向的，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 彎管參數的計算方法

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

矢量函數法就是把一根管子上的每個管段看作是一個矢量，并根據各管段的坐標值，運用矢量、數量積、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，可大大減輕計算工作量。

如圖2所示，根據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 稱為管子的旋轉角，其求解公式為：

（i=1，2…n-2 ） （6）

式中：

旋轉方向的判別：轉向判斷根據三向量的混合積，若相對矢量—Ai，——Ai+1，—Ai+2組成右手系，其值為正，為逆轉；其值為負，則為順轉（自首端向尾看）。

（7）

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

2.5 先焊后彎初始轉角的計算

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 法蘭初始轉角

先焊后彎工藝還要計算法蘭的相對轉角（法蘭預轉角），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一個角度，經過彎管操作后，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角同法蘭的初始角和管子的旋轉角有關系，根據幾何推導有：

相對轉角： （8）

3 基于CAA技術的管系零件圖的開發

3.1 CAA介紹

3.1.1 CATIA的二次開發方式

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

3.1.2 CAA V5的原理和架構

CAA采用面向對象的程序語言，開發過程可看作是其組件對象的組合和擴展。CAA架構可以用圖5表示。

圖5 CAA V5架構

3.2 管子零件圖

管系后處理系統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，簽名后即可發放施工部門；

（3）生成的速度較快，經過統計，200張的小票可以控制在8 min以內完成，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

本文研究開發的管系零件圖系統，已投入到船廠的設計和生產實際中，效果良好，據統計可節約20%的設計工時。此系統的開發既實現了提高生產設計效率的目的，又適應了現代信息技術的發展，并為深入開發更復雜的輔助程序打下了堅實的基礎，為企業降低了用工成本，提高了市場競爭力。目前，此系統已經完全替代了原來的第三方軟件，在國（下轉第頁）（上接第頁）內外同行業中處在比較前沿的位置，替補了CATIA系統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 結束語

管系零件圖以及后續管系后處理系統的開發，需要開發者對CATIA管系設計模塊、CAA開發技術、管系加工和安裝工藝有比較充分的了解，還需要開發者掌握相關的算法和輸出規則。其中，CAA開發技術的掌握比較困難，涉及到了CATIA核心的開發技術，需要開發者具有比較扎實的CAD開發技術和經驗。另外，由于每個廠的管加工和安裝工藝的不同，對輸出數據的要求也不同，因此，需要開發中能夠深入了解生產設計有關管系專業的內容。

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