基于Creo二次開發的液壓管路智能設計系統的研究與應用

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

引言

液壓管路是液壓系統中傳輸工作流體的管道，是工程機械設備不可或缺的組成部分，其設計質量直接影響產品的性能和可靠性[1-4]。當前，液壓管路的設計過程和模式正在朝著全三維設計、協同設計和并行設計的方向發展，傳統的二維設計結合現場取樣的設計方法已經不能滿足復雜液壓管路的設計要求[5-7]。為此，Creo軟件提供了Pro/ping通用液壓管路設計模塊，但此模塊在應用于復雜管路設計問題時往往面臨以下問題：

(1) 設計基礎模型庫和設計數據庫資源匱乏，影響設計質量與效率；

(2) 設計同時存在膠管與鋼管的管路路徑時，步驟復雜繁瑣，設計效率低下；

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

(4) 軟件的輔助設計功能較弱，對設計師操作要求高。

二次開發是指在通用三維設計軟件的基礎上，通過軟件開發的方式將設計經驗、設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或本行業的專用工業設計軟件，目前在航天等行業已經有了廣泛的應用[8]。因此需要針對復雜液壓管路設計問題利用Creo軟件進行二次開發，以解決現有模塊中的不足。

本研究結合液壓管路系統的設計要求和工程實踐，主要從資源庫管理、管路路徑設計和報表輸出3方面進行研究，并提出總體解決方案。研究的主要目標包括如下幾點：

(1) 構建資源豐富的管路設計信息資源庫和基礎三維模型庫，提高設計效率與質量;

概言之，商標戲仿概念的界定應當以商標與商標符號關系的厘清為基礎。本文認為，商標戲仿的概念應作廣義與狹義之分，二者區分的重點在于是否包含僅僅針對符號組合所展現的文化表達所進行的戲仿行為。應當區分對商標的符號性使用與商標性使用，商標性使用應嚴格限定在商標實際使用于商品或服務的過程中。對商標符號的戲仿應屬廣義的商標戲仿范疇，該種戲仿一般不涉及商業性行為，一般社會公眾均可自發進行。相應地，狹義的商標戲仿指的是在他人在申請注冊或實際使用的商標中滑稽模仿他人商標，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現特定的比較、聯系以及指示商品來源的目的。

(2) 實現管路路徑的快速設計與靈活調整，提高設計效率;

(3) 可以便捷地進行管路信息的報表輸出，并解決“一物多碼”的問題;

(4) 增強輔助設計功能，在管件及連接件選型過程中提供選用優先級，實現智能設計。

1 系統總體設計

1.1 系統架構

基于Creo的液壓管路智能設計系統的系統框架如圖1所示。系統由支撐層和應用層組成。支撐層以操作系統與網絡平臺為基礎，包括模型類資源庫、基礎數據類資源庫和用戶信息管理庫3類資源庫。設計模型類資源庫通過產品生命周期管理(Product Lifecycle Management，PLM)系統管理和維護，基礎數據類資源庫通過單機數據庫SQlite負責管理和維護。系統可自動建立設計模型類資源庫和基礎數據類資源庫之間的數據關聯，通過選擇管道件的代號然后由程序自動檢索對應模型并完成裝配。應用層以Creo2.0為基礎，主要包括接口信息管理模塊、管路路徑設計管理模塊、管件選型模塊、報表輸出模塊和工程圖輸出模塊。應用層通過云服務平臺調用支撐層中的資源庫數據完成接口信息管理、管路路徑設計和管件選型任務。

圖1 系統框架

1.2 工作流程

液壓管路的設計有其固有的設計流程，正確規范的設計流程會調高設計的效率和質量。本系統參考多年的液壓管路設計經驗，并結合三維設計特點和Creo軟件功能限制，制定系統工作流程的規劃，工作流程如圖2所示。首先根據液壓管路設計模型配置所需的資源庫數據，將管件接口數據導入，實現模型與數據的關聯；然后再進行管路的路徑設計，并完成管路模型的三維繪制；最后進行報表以及工程圖的輸出，完成液壓管路的設計任務。

圖2 工作流程

2 子模塊設計

2.1 資源庫管理模塊

設計資源庫是管路三維設計的基礎和保障，管路設計資源庫可以分為模型類資源庫、數據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據，提供標準化模型且支持模型的添加與更改；基礎數據類資源庫主要用來管理管件選型及材料數據；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容如表1所示。通過設計豐富的庫資源提高了設計的質量，為液壓管路粗略設計提升為精細化設計奠定了基礎。

表1 資源庫管理模塊

2.2 管路路徑設計模塊

本模塊實現管道的路徑設計與調整，其便捷性和精確性直接影響管路設計的效果。為保證管路路徑設計的效率與質量，提出剛性約束與柔性約束相結合的技術方案。采用剛性鏈模型[9]對管路進行建模，即將管件視為多個連桿與運動副組成的機構，剛性鏈模型示意圖如圖3所示。

圖3 剛性鏈模型示意圖

首先設計者可以選定若干剛性節點對管路進行剛性約束，即剛性節點的坐標為已知量。2個相鄰的剛性節點間由許多個等距柔性節點構成，柔性節點坐標值的求解是路徑設計的關鍵問題。取2個相鄰剛性節點為研究對象，可將該管件段視為由n-1段連桿與n個節點組成的機構。在管件離散過程中進行等分處理，即假設每根桿件的長度均為d，則節點i的坐標由3個變量所決定：分別繞xi軸、yi軸和zi軸的轉動角度αi，βi,γi。由于硬管無法發生扭轉變形，故各轉動角度均為0，即2個剛性節點間的連線即為硬管管路路徑。由于軟管材質是均勻的，故各節點處轉角應相等，即:

α0=α1=…=αn-1=α

(1)

β0=β1=…=βn-1=β

(2)

(3)

根據D-H坐標變換[10-12]，節點qi在坐標系O0中的坐標計算公式為：

q0=0A11A2…i-1Ai(d,α,β,γ)qi,i=1,2,…,n

(4)

式中，i-1Ai表示坐標系Oi-1與Oi間的D-H變換矩陣。對于軟管各柔性節點坐標的確定，首先根據設定好的管路長度L與離散的管件細分段數n確定每段管路的長度d=L/n；然后將2個剛性節點坐標值帶入式(4)，解得各節點的轉角α,β,γ；最后利用式(4)求得各節點在坐標系O0中的坐標。

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

2.3 報表輸出模塊

針對報表輸出過程中的“一物多碼”問題，首先設計工具中會自動分析并生成軟管三維模型的標準代號；然后遍歷所有軟管并依次檢索后臺標準軟管數據庫中是否存在相近的標準軟管，若存在則將編號修改為與相近標準軟管的編號；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 應用實例與應用效果

3.1 應用實例

本節將描述本系統應用于具體液壓管路設計的一個應用實例，以展現系統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計所需要的模型，操作界面如圖5所示。界面分為組織結構樹、實例詳細信息列表、數據編輯區、模型示意圖和快速工具欄5個部分。組織結構樹以樹的形式組織各種類型的設計資源，方便快速查看；實例詳細信息羅列資源的詳細信息，支持自動排序，方便數據查詢；數據編輯區實現對資源數據的編輯，支持下拉列表選擇，提高編輯效率；模型示意圖結合二維數據，直觀準確地展現模型特征；快速工具欄可根據不同的權限配置，方便設計者使用。

圖4 軟管報表輸出流程

圖5 資源庫界面

然后進行管路接口信息的輸入。利用管路接口信息管理模塊實現對管路接口信息的輸入，采用固定格式的EXCEL表格文件，把管路設計的接口信息導入。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

然后進行管路的路徑設計，系統提供控制點的添加和拖動操作以及管路區段的類型切換(軟管和硬管的切換)，方便設計人員統一進行管路路徑規劃與調整，管路路徑設計效果圖如圖7所示。

圖7 管路路徑設計效果圖

然后進行軟管的選型設計，系統會依據設計給定界限值，在標準軟管庫中自動查詢出與其所設計軟管接近的標準軟管，并根據庫存數量、價格等信息將物料按優先級依次顯示在界面中，供設計人員查看選擇。軟管選型設計界面如圖8所示。

圖8 軟管選型設計界面

最后進行管路規范化報表輸出，按照企業配置的報表模板，實現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 應用效果

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

圖9 報表輸出界面

圖10 傳統設計模式與應用本系統的設計效率對比

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

對比測試表明除設計效率和設計質量有了明顯提升以外，設計的精細化程度有了很大提高。一方面豐富且標準的三維模型資源庫使得設計模型較傳統設計模式更為準確，另一方面系統解決了軟管路徑的設計問題，使得所設計的軟管管路模型更貼近實際情況。

4 結論

液壓管路的設計是工程機械三維設計中最困難的部分之一，借鑒Creo二次開發的技術與方法，本研究提出了完整的液壓管路設計解決方案。構建管路資源庫使得設計過程規范化，提出剛性約束與柔性約束相結合的技術手段和軟硬管聯合設計的理念，實現了管路路徑的快速設計與靈活調整。管件選型模塊提供物料選擇優先級，實現了管件的快速選型，體現了系統的智能化。報表輸出系統通過對軟管與后臺標準膠管數據進行對比并自動分配修改編號，解決了“一物多碼”問題。將本研究成果應用于實際設計項目中，并與傳統設計模式進行對比，應用效果驗證了本設計的可靠性和高效性?？傊?，本研究所使用技術手段和設計理念，為工程行業解決全三維設計難題提供了全新的思路和方向。

對于后續的改進工作，會逐步實現與企業資源計劃(Enterprise Resource Planning，ERP)、財務、人力資源(Human Resource，HR)等系統的集成，打通產品設計的信息流、物資流和資金流，實現真正意義上的基于模型的系統工程。