液體火箭發動機異構CAD三維模型裝配技術分析與應用

林 源,熊莉芳,胡海峰

(西安航天動力研究所,陜西 西安 710100)

0 引言

在液體火箭發動機研制過程中,采用CAD、PLM、ERP、MES等信息化技術可以改進傳統產品制造信息的表達模式,尤其是MBD技術的引入,將傳統產品制造由二維圖紙轉變為三維設計模型。基于三維模型定義是將產品相關的屬性定義、設計、工藝、制造等信息都定義在產品三維模型中的數字化設計方法,確保產品設計數據的正確性和唯一性[1]。采用基于MBD技術實現產品三維模型的定義,同時采用產品數據管理系統實現產品BOM結構信息的自動生成,設計信息模型化表達和工藝信息的結構化提取,實現液體火箭發動機全過程的數據管理,有效解決了產品設計和生產制造一體化問題。這一新型制造過程可以提高產品設計質量,降低發動機的研制成本,縮短研制周期[2]。

CAD三維建模技術的引入,改進了產品信息表達手段,但是圍繞不同的CAD建模工具,帶來了三維建模工具和規范不統一等問題。根據目前三維建模技術應用現狀,三維建模工具沒有形成統一的建模規范,不同三維建模工具之間數據格式互不兼容,三維模型不能相互調用、裝配,BOM結構信息等也難以跨軟件傳遞[3-4]。在產品數據管理方面,這種多CAD建模軟件不僅帶來了異構模型使用困難的問題,也造成產品技術狀態難以管控,跨軟件、跨部門以及跨地域協作效率低等問題[5]。以液體火箭發動機設計總裝為例,整機裝配包含1萬多個零部件,總裝三維模型大小超過15 GB,整個三維建模過程非常復雜,涉及科室及廠所之間的協同[6]。在Teamcenter系統中,異構模型之間互相裝配,產品BOM結構信息不能同步,需要耗費大量的人力進行三維模型重新轉換及創建,不僅出錯率高,還不利于產品技術狀態的管控[7-8]。

為了解決異構CAD三維模型協同設計所面臨的問題,實現異構三維模型之間的信息整合,提高產品協同設計效率,進行了基于Teamcenter液體火箭發動機異構CAD三維模型的裝配技術研究,突破了多CAD三維模型信息的提取、面向協同設計集成框架、三維模型輕量化處理等關鍵技術,滿足了異構CAD三維設計協同,實現產品BOM結構信息的自動更新以及零部件技術狀態管控,實現跨軟件平臺、跨部門、跨地域產品協同設計[9]。

1 產品數據管理系統

產品數據管理系統是異構CAD三維模型裝配的基礎。異構CAD三維模型裝配數據通過產品數據管理系統進行統一的管理和維護。管理數據主要包括異構CAD三維模型以及裝配過程數據。異構CAD三維模型數據是產品數據管理系統中重要的產品數據對象,它包含了零部件屬性信息、幾何信息以及零部件之間的裝配關系等。以Teamcenter為產品數據管理系統,NX8.5和Pro/E 4.0為異構三維模型設計工具,底層數據庫采用Oracle11。零部件三維模型創建完成后,通過NX或Pro/E集成接口將三維模型導入Teamcenter系統中進行管理,系統可以自動提取零部件信息并生成產品BOM結構信息,實現Teamcenter與Pro/E和NX等異構CAD三維設計軟件的集成,將Teamcenter數據存儲和管理能力與CAD強大的三維建模集成在一起,確保產品研制數據的一致性和完整性[10-11]。

1.1 三維模型設計

三維模型設計是開展異構CAD三維模型裝配的基礎工作。首先需要制定三維設計模板、三維建模設計標準、三維標注規范等工作,然后根據產品設計方案進行三維建模和三維標注。三維模型創建完成后維護三維模型的屬性信息,如表1所示。

1.2 異構CAD集成

Pro/E集成設計將Teamcenter集成接口內嵌在Pro/E建模環境中,可以實現三維模型的創建、裝配、簽入、簽出及屬性更新等功能,實現產品BOM結構的自動生成和更新,并與Teamcenter系統進行信息同步更新[2]。在Pro/E與Teamcenter集成環境下保存Pro/E裝配件時,自動根據Pro/E三維裝配結構在Teamcenter中生成對應的產品BOM結構,設計修改三維模型重新保存后,產品BOM結構自動進行更新[12]。

NX集成設計是將NX三維建模與數據管理系統的數據管理結合起來。首先數據管理系統啟動NX集成建模環境進行三維模型設計,該功能可以快速進行三維設計模板調用、三維模型的創建和裝配,三維模型裝配過程記錄了零部件之間的裝配關系,同時實現對產品BOM結構的創建和更新,可以將信息保存到Teamcenter系統中,并自動生成產品BOM結構信息。

2 異構CAD模型裝配

解決異構 CAD 三維模型裝配問題,首先需要解決三維模型裝配信息的統一。由于異構 CAD 三維模型的特征屬性、幾何、拓撲結構等存在差異,導致異構三維模型無法互相進行裝配。異構三維模型裝配首先需要一個主導的CAD設計平臺,異構模型中來自于該主導平臺的模型稱為當前模型,并非來自于該主導平臺的模型稱為外部模型[13]。顯然,要將外部模型裝配到主裝配體中,需要以標準交換格式作為媒介。在Teamcenter集成環境實現NX與Pro/E模型的三維模型裝配,主要有以下兩種模式。

1)輕量化模型裝配。采取多種CAD同時支持的輕量化JT格式進行裝配,即NX模型和Pro/E模型在保存時同時生成對應的JT文件,并進行裝配[14]。輕量化模型是對三維模型進行轉換,并且保留了三維模型裝配關系和幾何信息,層次性體現裝配體的直屬關系,每一層都記錄了裝配的信息。關系性體現了零部件的從屬關系和不同零件之間的裝配約束信息等。Pro/E環境中裝配NX模型時,就是采用了輕量化模型進行裝配。

2)中間格式裝配。中間格式轉換是將發動機的三維模型轉換成中間過渡格式,然后將過渡格式再轉換成另一種三維設計工具格式的三維模型。例如,將NX文件轉換成STEP文件,然后再轉成Pro/E三維模型進行裝配。

2.1 JT格式裝配

在Teamcenter集成設計環境中,采用輕量化模型JT格式文件進行三維模型裝配,通過配置三維模型的集成接口,實現在NX和Pro/E環境中三維模型保存到Teamcenter系統時,同時保存JT格式文件,此時三維模型與JT文件版本保持一致。

2.1.1 Pro/E異構裝配

在Pro/E集成環境中進行三維模型裝配時,打開Pro/E的三維模型,通過調用插入組件的方式,調用Teamcenter系統中的三維模型。需要裝配的零部組件為NX三維模型時,在Teamcenter插入裝配組件的彈窗中不顯示NX模型,只顯示輕量化JT文件,通過裝配JT的方式進行三維模型的裝配[15-16]。三維模型裝配完成后,通過Pro/E集成接口進行裝配件的保存,Teamcenter根據三維模型裝配關系自動生成產品BOM結構信息,設計發生變更,BOM結構信息自動更新。在Teamcenter中生成BOM時,接口可以自動將骨架等非裝配結構進行排除,并且在同一裝配下同一個零部件裝配多個時,將會在BOM結構中進行合并,數量以級乘的形式進行顯示[17]。

若執行裝配操作的用戶對NX零件在Teamcenter中有寫權限,在保存時,會同步在該零部件下生成Pro/E三維模型,再次打開時,會調用之前生成的Pro/E三維模型;若無寫權限,保存時無法在NX零件下生成Pro/E模型,再次打開三維模型時,直接調用輕量化JT模型。

2.1.2 NX異構裝配

在NX集成環境中打開NX三維模型,需要裝配的零部組件為Pro/E三維模型時,通過裝配的添加組件功能,在集成環境中打開Pro/E組件對象,選擇對應的JT文件,完成裝配操作[18]。同樣,在NX集成環境中,三維模型裝配完成,點擊“保存”可自動根據裝配結構在Teamcenter生成BOM結構,設計變更后,BOM信息自動更新,在同一裝配下同一個零部件裝配多個時,將會在BOM中進行合并,數量以級乘的形式進行顯示。

若執行裝配操作的用戶對Pro/E零件在Teamcenter中有寫權限,在保存時,會同步在該零組件下生成一個NX的零件圖,再次打開時,會調用生成的NX模型;若無寫權限,則保存時無法在Pro/E零件下生成NX模型,再次打開時,直接調用JT模型。通過采用異構CAD三維模型裝配技術可以實現液體火箭發動機重要零部件的裝配,如圖1所示。

圖1 異構CAD三維模型裝配Fig.1 Heterogeneous CAD 3D model assembly

2.2 STEP格式裝配

2.2.1 STEP格式轉換

STEP格式是三維模型數據交換的國際標準,Pro/E與NX都支持STEP格式的轉換,Pro/E與NX轉換STEP的特征保留情況如表2所示。

表2 Pro/E與NX轉換STEP特征情況

2.2.2 STEP格式裝配

基于Teamcenter集成設計環境,采用STEP中間格式進行NX與Pro/E三維模型之間的互相裝配、產品BOM結構自動生成。將NX和Pro/E三維模型轉換為STEP中間格式,然后通過在模型對象下新建STEP文件數據集的方式,手動將STEP文件上傳至Teamcenter,并掛在對應的零件下面。

Pro/E裝配STEP格式,手動從Teamcenter下載NX零件的STEP文件到本地,再使用STEP文件完成裝配操作,使用Teamcenter集成菜單中的保存功能,將三維模型裝配保存至Teamcenter。Pro/E使用NX零件的STEP文件進行裝配后,在保存至Teamcenter的過程中會因為對NX零件無寫權限而無法將Pro/E模型保存至NX零件下,但是可以在Teamcenter中生成BOM結構關系。

NX裝配STEP格式,在NX環境裝配時,手動從Teamcenter將Pro/E零件的STEP文件下載到本地。打開NX環境,使用STEP文件在本地完成裝配操作并保存至本地,再打開NX集成環境,使用“裝配導入至Teamcenter”功能將裝配保存至Teamcenter。NX使用Pro/E零件的STEP文件進行裝配后,保存至TC的過程中,如果對Pro/E零件具有寫權限,可以將NX模型保存至Pro/E零組件下,同時更新BOM結構關系。

2.3 三維模型變更

在同一CAD軟件內部,零部件更改后,只要原先依賴的裝配基準存在,可以實現自適應重新裝配,這一特性稱為自適應裝配。對于異構CAD三維模型,由于CAD軟件的封閉性和互不兼容性,裝配后的編輯、調整操作顯然只能在之前的格式上進行,否則會丟失所有參數。因此,對子零部件進行任何更改之后,設計人員都需要重新執行格式轉換和裝配。由于格式轉換過程中難以保證上次所使用的裝配基準,很可能需要重新進行裝配工作[19]。

由于模型在發生更改并重新保存之后,JT文件會實時更新以保持與模型一致。因此,以JT為媒介的裝配方法,當外部模型發生更改時,只需要打開當前模型進行編輯、調整操作;以STEP為媒介的裝配方法,當外部模型發生更改時,需要打開當前模型重新執行格式轉換、上傳、裝配和導入,具體自適應裝配流程如圖2所示。

圖2 異構CAD模型自適應裝配流程Fig.2 Adaptive assembly process of heterogeneous CAD model

3 應用效果

基于Teamcenter異構CAD三維模型裝配方法在某新型液體發動機研制過程中得到了廣泛應用,通過采用輕量化模型和中間格式進行裝配實現異構CAD三維模型的裝配和管理,達到了以下應用效果。

1)能夠自動生成和更新產品BOM結構化信息,零部件的變更能夠自動更新到異構CAD三維模型裝配中,并且能夠從異構裝配體的零部件自動鏈接到實際三維模型進行編輯,建立了完整的CAD數據封裝與更新機制[20]。

2)提出了異構 CAD 三維模型裝配方法,通過該方法裝配的三維模型不但保留了三維模型之間的裝配關系,還保留了三維模型的幾何信息,為后續工藝虛擬裝配提供了必要的數據。

3)異構CAD三維模型輕量化生成及瀏覽技術可實現對發動機整機三維模型的快速輕量化處理和可視化查看,以“一次輕量化,處處可使用”為目標,整合多種輕量化和快速查看技術,做到對復雜三維模型的快速傳輸和查看。

4)建立了支持異構CAD三維模型裝配協同設計平臺,支持多CAD異構數據協同與共享,可對三維模型進行技術狀態管控和變更管理,實現了某新型液體發動機異構CAD三維模型BOM結構信息與產品數據管理系統整合共享。

4 結束語

通過對液體火箭發動機異構CAD三維模型裝配技術的研究,基于MBD技術實現了發動機三維模型的屬性定義,將傳統產品制造由二維圖紙轉變為三維設計模型,并將產品相關的屬性定義、設計、仿真等信息都定義在三維模型中,確保產品設計數據的正確性和唯一性。采用異構CAD三維模型輕量化格式進行零部件裝配,在一定程度上,從產品數據管理和操作層次打破異構CAD三維設計軟件兼容性的壁壘,構建異構CAD三維模型的統一裝配環境,實現零組件標識與溯源、異構三維模型的自適應裝配以及產品BOM結構化信息的整合。在統一環境下,實現異構CAD三維模型BOM結構信息的自動更新和同步,以及發動機產品技術狀態管控和變更管理。滿足了某新型液體火箭發動機跨軟件平臺、跨部門、跨地域協同研制要求,提高了產品設計質量,縮短了產品研制周期。