基于Creo中央空調管道保溫棉自動設計和裝配研究

郅永亮， 徐梅， 莊志凡

（特靈科技亞太研發中心，江蘇 太倉 215400）

0 引言

在進行中央空調制冷管道設計時，為了防止冷氣或者熱量沿管道壁泄漏導致性能下降，通常需在其外表面安裝保溫棉。由于這類管道保溫棉通常是非標件，研發人員需要根據其具體直管及彎頭形狀依次進行保溫棉組件結構設計。同時，在完成設計時需一并生成原材料零件進行下料，設計示例如圖1所示。

圖1 保溫棉設計示例圖

由此可見，基于管道創建保溫棉零件和組裝的流程比較繁瑣，可探索一種自動設計及裝配技術來提升效率。而在實際運用中，管道特征參數提取是實現設計自動化的關鍵要素。在目前已知的一些提取方法中：人為進行幾何特征測量直觀可控，但效率較低；利用CAD軟件的API函數進行檢索高效且準確，然而由于管道建模方法多樣，必須通過不斷迭代算法來實現通用性，且檢索易造成算力的浪費。另外，由于管道的結構多變，進行自動配合時各保溫棉零件基于整體的默認方向難以判定，影響裝配約束的準確性。

因此本文提出一種自動設計及裝配的方法，依托Creo設計平臺，旨在解決此類零件相關參數獲取及裝配算法設計的技術難點。原理如圖2所示，以參數化三維模型作為模板，同時提取管道參數并建立統一的解析幾何數學模型來提取其他設計參數，再借助編程與相關自動宏技術通過一定規則的配合算法及參數的驅動在裝配體中完成零件設計與裝配，兼顧了產品設計過程中的標準化及參數化。

圖2 空調管道保溫棉自動裝配設計原理

圖2中，曲率半徑僅為便于下文數學模型中的描述，此處即管道折彎半徑。

1 參數化模板設計

對保溫棉零件進行統一模板設計是實現自動裝配的基礎之一。其設計的要點通常包括科學的基準面設定、簡易的特征樹搭建、材料及渲染屬性的正確配置等；其次，為了便于自動化設計時參數調用和后期變更管理，還需定義與管道參數關聯的驅動尺寸及一些原材料相關的從動尺寸，如表1所示，并建立一定的參數關系式來確保設計的合理性[1]。

表1 模板參數驅動尺寸表

2 管道設計參數提取

在建立保溫棉及其裝配所需的管道參數中，除了外徑、曲率半徑便于提取以外，其余信息則可通過測量各個笛卡爾坐標路徑并建立解析幾何模型進行轉換獲取。下文以一段外徑為D、曲率半徑為R 及路徑坐標集

2.1 彎頭角度提取數學模型

相鄰兩直管段之間的彎頭角度可通過空間內兩向量之間的夾角得出，如圖3所示，向量的方向沿管道路徑方向，已知各向量的頂點坐標，兩相鄰向量之間的夾角可通過3個點的坐標的余弦定理得出。

圖3 管道彎頭角度向量示意圖

式中，Xin指第n個空間點的i維度值，如X21指第1個空間點的2維度的值。

2.2 直管長度提取數學模型

如圖4所示，相鄰的路徑點坐標之間的直線長度LAB可由距離公式求出，然而直管長度部分還需由LAB移除相鄰所有彎頭段直角邊得出，彎頭段的直角邊長度由曲率半徑R與1/2彎頭角度α正切值的乘積得出。其中，首段直管段n=1與末段直管段n=nmax只需移除相鄰一端的彎頭部分，而中間的直管段需移除兩端的彎頭。因此，由這個原理可得第n段直管長度提取模型：

圖4 直管長度計算原理圖

2.3 彎頭空間轉角提取數學模型

相鄰彎頭的空間旋轉夾角是裝配體組裝時唯一一類待求的參數，一般通過兩彎頭所在的三維空間平面法向量夾角得出[2]，如圖5所示。而彎頭角度旋轉方向則由它所在平面的任一點坐標向量與法向量內積正負來決定，即相當于判定平面方程常量D是否大于0。對本例管道來說，可求解BCD彎頭平面法向量相對于ABC彎頭法向量夾角及方向，主要公式如下：

圖5 管道空間平面示意圖

式中：（a1，b1，c1）、（a2，b2，c2）為ABC和BCD平面的法向量坐標X、Y、Z方向值；D2為BCD平面方程的常量。

因此，可得第n個彎頭相對n-1個彎頭的空間轉角一般式：

其中，第n個彎頭平面法向量（a（n），b（n），c（n））及平面方程常量D（n）的一般式如下：

3 自動裝配的算法

自動裝配的算法研究的主要內容包括保自動裝配的配合算法和裝配體的參數自動化算法，目的是為了實現保溫棉設計及裝配流程的自動化。下文主要從這兩個角度并結合Creo平臺來闡述具體的思路和方法。

3.1 自動裝配的配合算法

裝配工序條件循環算法。在設計工序算法時通?？紤]采用自上而下的原理進行裝配，即先創建一個空白裝配體，再依次新建基于模板的直管和彎頭的保溫棉零件并進行約束的整個過程。同時，為了精準控制工序的動態流程，需要引入變量Q 及 循 環 條 件Q ≤Qmax，其中Qmax為總折彎數。當Q≤Qmax時，判定還未完成管道所有部分保溫棉的組裝，則繼續執行下一段的組裝，并同時進行Q的累加和判定直到條件識別結果為否，來結束整個裝配體搭建，如圖6所示。

圖6 裝配工序算法流程圖

預設模式下基于特征ID的保溫棉零件約束。在進行每個零件約束之前，將它的默認坐標系與已裝配零件的坐標系進行臨時的重合來實現方向及位置的預設，該方法能夠輔助判定零件的相對方向，為后續約束的進一步定義創造已知條件，降低了裝配算法的難度[3]。對于不同零件類型的配合，其參考零件坐標系及約束有所差異。除此之外，定義約束時還需要獲取兩零件配合的點、線、面元素，在Creo中將這些幾何元素轉化為特征ID，以便于計算機系統進行識別和分類[4]。

原材料零件自生成。在配合的過程中需要同時添加原材料零件，由于它與設計零件存在一定的關聯關系，且相關特征又儲存在設計模板中，因此在完成設計模型時可利用自動宏通過激活原材料零件特征創建族表子零件，來快速地完成原材料的自生成。

3.2 裝配體的參數自動化算法

1）參數提取自動化。在進行自動裝配時，需創建一定的計算機自動化算法規則，快速提取管道全面的參數，以便運用到保溫棉CAD模型中。主要原理是依次通過調用區間［1，nmax］路徑序號n坐標的方式來批量獲取每一位置的直管、彎頭、組裝的參數信息，而在對每一類參數進行分析運算提取時，又將章節2中的3種提參數學模型分別作為獨立模塊運行，來提升算法調試及維護的便捷性。

2）參數驅動自動化。將管道參數依次用Creo自動宏同步至裝配體及加載完畢的零件來完成設計的最終環節。其中配合參數（空間轉角）會同步至裝配體驅動具體的約束條件，而零件設計尺寸（如直管長度，彎頭角度等）則直接驅動模型中的參數表，這種方法在提高自動化效率的同時還保證了宏的模塊化和參數化創建。

具體的參數自動化算法流程示例如圖7所示。

4 自動裝配程序設計

結合上述自動裝配的配合算法及裝配體參數自動化的算法，能夠設計一套綜合的自動裝配程序，其內容包括：用戶端應用程序的創建來方便用戶輸入（便于參數錄入）；參數處理并返回相關值到用戶端（參數表可視化）；調用自動宏作為執行單元自動生成裝配（按鈕控件）。自動裝配用戶界面示例如圖8所示。

圖8 自動裝配用戶界面示例圖

5 結語

通過上述的這種自動裝配的理論能夠簡化參數特征的識別與測量，同時利用計算機實現復雜的運算及建模流程，對于管道類的裝配具有一定的借鑒意義。需要注意的是，路徑笛卡爾坐標主要是基于常規管道特征進行測量提取，而對于一些變徑管道及變曲率管道尚未有深入的研究。