基于Creo二次开发的液压管路智能设计系统的研究与应用

(1.三一重工股份有限公司, 湖南 长沙 410100；2.青岛森科信息技术有限公司，山东 青岛 266011)

引言

液压管路是液压系统中传输工作流体的管道，是工程机械设备不可或缺的组成部分，其设计质量直接影响产品的性能和可靠性[1-4]。当前，液压管路的设计过程和模式正在朝着全三维设计、协同设计和并行设计的方向发展，传统的二维设计结合现场取样的设计方法已经不能满足复杂液压管路的设计要求[5-7]。为此，Creo软件提供了Pro/ping通用液压管路设计模块，但此模块在应用于复杂管路设计问题时往往面临以下问题：

(1) 设计基础模型库和设计数据库资源匮乏，影响设计质量与效率；

(2) 设计同时存在胶管与钢管的管路路径时，步骤复杂繁琐，设计效率低下；

(3) 设计过程中存在“一物多码”问题，即由于Creo底层机制上的限制同一根胶管的不同装配形态只能分配不同的图号，导致在报表输出时产生编码错误；

(4) 软件的辅助设计功能较弱，对设计师操作要求高。

二次开发是指在通用三维设计软件的基础上，通过软件开发的方式将设计经验、设计流程和思路固化到软件的操作过程中，从而得到一种适用于本企业或本行业的专用工业设计软件，目前在航天等行业已经有了广泛的应用[8]。因此需要针对复杂液压管路设计问题利用Creo软件进行二次开发，以解决现有模块中的不足。

本研究结合液压管路系统的设计要求和工程实践，主要从资源库管理、管路路径设计和报表输出3方面进行研究，并提出总体解决方案。研究的主要目标包括如下几点：

(1) 构建资源丰富的管路设计信息资源库和基础三维模型库，提高设计效率与质量;

概言之，商标戏仿概念的界定应当以商标与商标符号关系的厘清为基础。本文认为，商标戏仿的概念应作广义与狭义之分，二者区分的重点在于是否包含仅仅针对符号组合所展现的文化表达所进行的戏仿行为。应当区分对商标的符号性使用与商标性使用，商标性使用应严格限定在商标实际使用于商品或服务的过程中。对商标符号的戏仿应属广义的商标戏仿范畴，该种戏仿一般不涉及商业性行为，一般社会公众均可自发进行。相应地，狭义的商标戏仿指的是在他人在申请注册或实际使用的商标中滑稽模仿他人商标，其戏仿行为不再只追求在文化上娱乐公众的效果，而是通过戏仿行为实现特定的比较、联系以及指示商品来源的目的。

(2) 实现管路路径的快速设计与灵活调整，提高设计效率;

(3) 可以便捷地进行管路信息的报表输出，并解决“一物多码”的问题;

(4) 增强辅助设计功能，在管件及连接件选型过程中提供选用优先级，实现智能设计。

1 系统总体设计

1.1 系统架构

基于Creo的液压管路智能设计系统的系统框架如图1所示。系统由支撑层和应用层组成。支撑层以操作系统与网络平台为基础，包括模型类资源库、基础数据类资源库和用户信息管理库3类资源库。设计模型类资源库通过产品生命周期管理(Product Lifecycle Management，PLM)系统管理和维护，基础数据类资源库通过单机数据库SQlite负责管理和维护。系统可自动建立设计模型类资源库和基础数据类资源库之间的数据关联，通过选择管道件的代号然后由程序自动检索对应模型并完成装配。应用层以Creo2.0为基础，主要包括接口信息管理模块、管路路径设计管理模块、管件选型模块、报表输出模块和工程图输出模块。应用层通过云服务平台调用支撑层中的资源库数据完成接口信息管理、管路路径设计和管件选型任务。

图1 系统框架

1.2 工作流程

液压管路的设计有其固有的设计流程，正确规范的设计流程会调高设计的效率和质量。本系统参考多年的液压管路设计经验，并结合三维设计特点和Creo软件功能限制，制定系统工作流程的规划，工作流程如图2所示。首先根据液压管路设计模型配置所需的资源库数据，将管件接口数据导入，实现模型与数据的关联；然后再进行管路的路径设计，并完成管路模型的三维绘制；最后进行报表以及工程图的输出，完成液压管路的设计任务。

图2 工作流程

2 子模块设计

2.1 资源库管理模块

设计资源库是管路三维设计的基础和保障，管路设计资源库可以分为模型类资源库、数据库以及用户信息管理库3种类型。模型类资源库主要用来管理液压元件和管路附属件三维模型数据，提供标准化模型且支持模型的添加与更改；基础数据类资源库主要用来管理管件选型及材料数据；用户信息管理库主要用来管理用户信息。资源库管理模块具体包含的内容如表1所示。通过设计丰富的库资源提高了设计的质量，为液压管路粗略设计提升为精细化设计奠定了基础。

表1 资源库管理模块

2.2 管路路径设计模块

本模块实现管道的路径设计与调整，其便捷性和精确性直接影响管路设计的效果。为保证管路路径设计的效率与质量，提出刚性约束与柔性约束相结合的技术方案。采用刚性链模型[9]对管路进行建模，即将管件视为多个连杆与运动副组成的机构，刚性链模型示意图如图3所示。

图3 刚性链模型示意图

首先设计者可以选定若干刚性节点对管路进行刚性约束，即刚性节点的坐标为已知量。2个相邻的刚性节点间由许多个等距柔性节点构成，柔性节点坐标值的求解是路径设计的关键问题。取2个相邻刚性节点为研究对象，可将该管件段视为由n-1段连杆与n个节点组成的机构。在管件离散过程中进行等分处理，即假设每根杆件的长度均为d，则节点i的坐标由3个变量所决定：分别绕xi轴、yi轴和zi轴的转动角度αi，βi,γi。由于硬管无法发生扭转变形，故各转动角度均为0，即2个刚性节点间的连线即为硬管管路路径。由于软管材质是均匀的，故各节点处转角应相等，即:

α0=α1=…=αn-1=α

(1)

β0=β1=…=βn-1=β

(2)

(3)

根据D-H坐标变换[10-12]，节点qi在坐标系O0中的坐标计算公式为：

q0=0A11A2…i-1Ai(d,α,β,γ)qi,i=1,2,…,n

(4)

式中，i-1Ai表示坐标系Oi-1与Oi间的D-H变换矩阵。对于软管各柔性节点坐标的确定，首先根据设定好的管路长度L与离散的管件细分段数n确定每段管路的长度d=L/n；然后将2个刚性节点坐标值带入式(4)，解得各节点的转角α,β,γ；最后利用式(4)求得各节点在坐标系O0中的坐标。

对于硬管的路径设计，首先在管轴上添加或指定管轴刚性节点(控制点)；然后通过带尺寸刻度的刚性节点拖拽操作调整管件长度。对于软管的路径设计，采用了软管与硬管联合设计的理念。首先利用硬管管路设计的操作确定管件的长度；然后将管件材质从硬管切换为软管，此时管件长度无法调整；最后在软管段添加、调整刚性节点实现软管的柔性调整，此时软管会根据刚性节点所确定的既有几何约束动态求解软管的路径曲线(各柔性节点)。软管路径设计过程中，若需要调节管长，则切换至硬管设计模式，此时管件上刚性节点可自由拖动，完成管长的调整操作。

2.3 报表输出模块

针对报表输出过程中的“一物多码”问题，首先设计工具中会自动分析并生成软管三维模型的标准代号；然后遍历所有软管并依次检索后台标准软管数据库中是否存在相近的标准软管，若存在则将编号修改为与相近标准软管的编号；最后输出软管物料报表。软管报表输出流程图如图4所示。

3 应用实例与应用效果

3.1 应用实例

本节将描述本系统应用于具体液压管路设计的一个应用实例，以展现系统操作过程和重要模块的操作界面及效果。

首先在资源库中选取设计所需要的模型，操作界面如图5所示。界面分为组织结构树、实例详细信息列表、数据编辑区、模型示意图和快速工具栏5个部分。组织结构树以树的形式组织各种类型的设计资源，方便快速查看；实例详细信息罗列资源的详细信息，支持自动排序，方便数据查询；数据编辑区实现对资源数据的编辑，支持下拉列表选择，提高编辑效率；模型示意图结合二维数据，直观准确地展现模型特征；快速工具栏可根据不同的权限配置，方便设计者使用。

图4 软管报表输出流程

图5 资源库界面

然后进行管路接口信息的输入。利用管路接口信息管理模块实现对管路接口信息的输入，采用固定格式的EXCEL表格文件，把管路设计的接口信息导入。管路接口信息主要包括：管路名称、起端代号、终端代号、硬管管材、软管管材、硬管连接样式和接头轻重型。管路接口信息表单如图6所示。

图6 管路接口信息表单

然后进行管路的路径设计，系统提供控制点的添加和拖动操作以及管路区段的类型切换(软管和硬管的切换)，方便设计人员统一进行管路路径规划与调整，管路路径设计效果图如图7所示。

图7 管路路径设计效果图

然后进行软管的选型设计，系统会依据设计给定界限值，在标准软管库中自动查询出与其所设计软管接近的标准软管，并根据库存数量、价格等信息将物料按优先级依次显示在界面中，供设计人员查看选择。软管选型设计界面如图8所示。

图8 软管选型设计界面

最后进行管路规范化报表输出，按照企业配置的报表模板，实现管路的各种信息报表的输出，报表输出界面如图9所示。

3.2 应用效果

为验证本系统的可靠性和高效性，将本系统应用于一个设计项目中，并与传统设计模式(单纯利用Creo软件自带的Pro/ping通用液压管路设计模块)进行对比，设计工时对比如图10所示，由图中数据可知，应用本系统进行液压管路模型设计较传统设计模式，在钢管设计、胶管设计、选型与报表和工程图出图这几方面，设计效率均有较大提高，原因有如下几点： 库资源的丰富使得大多数的标准模型可以直接调用，无需重新建模；利用固定格式的EXCEL表格文件进行接口信息的导入，便于数据的输入与管理；采用了软管与硬管联合设计的理念，使用刚性约束与柔性约束相结合的技术手段，提高了管件路径设计的效率；提供管件选型优先级，提高了设计者的选型效率；传统设计模式由于“一物多码”问题需要对生成的报表进行手动修改，而本系统可以直接输出正确的报表。

图9 报表输出界面

图10 传统设计模式与应用本系统的设计效率对比

管路的设计质量可以由改图通知单的数量体现，对于该设计项目，传统设计模式的改图通知单数量为57，而应用本系统进行设计改图通知单数量仅为3，数量减少94.7 %，说明应用本系统较传统设计模式设计质量有了很大提高。原因在于丰富的模型库资源和精确的管路路径设计使得本系统能够建立液压管路1∶1全三维数字化样机模型，进而通过干涉检查等手段提前避免设计错误或遗漏，而传统设计模式无法做到这一点。

对比测试表明除设计效率和设计质量有了明显提升以外，设计的精细化程度有了很大提高。一方面丰富且标准的三维模型资源库使得设计模型较传统设计模式更为准确，另一方面系统解决了软管路径的设计问题，使得所设计的软管管路模型更贴近实际情况。

4 结论

液压管路的设计是工程机械三维设计中最困难的部分之一，借鉴Creo二次开发的技术与方法，本研究提出了完整的液压管路设计解决方案。构建管路资源库使得设计过程规范化，提出刚性约束与柔性约束相结合的技术手段和软硬管联合设计的理念，实现了管路路径的快速设计与灵活调整。管件选型模块提供物料选择优先级，实现了管件的快速选型，体现了系统的智能化。报表输出系统通过对软管与后台标准胶管数据进行对比并自动分配修改编号，解决了“一物多码”问题。将本研究成果应用于实际设计项目中，并与传统设计模式进行对比，应用效果验证了本设计的可靠性和高效性。总之，本研究所使用技术手段和设计理念，为工程行业解决全三维设计难题提供了全新的思路和方向。

对于后续的改进工作，会逐步实现与企业资源计划(Enterprise Resource Planning，ERP)、财务、人力资源(Human Resource，HR)等系统的集成，打通产品设计的信息流、物资流和资金流，实现真正意义上的基于模型的系统工程。