液体火箭发动机异构CAD三维模型装配技术分析与应用

林 源,熊莉芳,胡海峰

(西安航天动力研究所,陕西 西安 710100)

0 引言

在液体火箭发动机研制过程中,采用CAD、PLM、ERP、MES等信息化技术可以改进传统产品制造信息的表达模式,尤其是MBD技术的引入,将传统产品制造由二维图纸转变为三维设计模型。基于三维模型定义是将产品相关的属性定义、设计、工艺、制造等信息都定义在产品三维模型中的数字化设计方法,确保产品设计数据的正确性和唯一性[1]。采用基于MBD技术实现产品三维模型的定义,同时采用产品数据管理系统实现产品BOM结构信息的自动生成,设计信息模型化表达和工艺信息的结构化提取,实现液体火箭发动机全过程的数据管理,有效解决了产品设计和生产制造一体化问题。这一新型制造过程可以提高产品设计质量,降低发动机的研制成本,缩短研制周期[2]。

CAD三维建模技术的引入,改进了产品信息表达手段,但是围绕不同的CAD建模工具,带来了三维建模工具和规范不统一等问题。根据目前三维建模技术应用现状,三维建模工具没有形成统一的建模规范,不同三维建模工具之间数据格式互不兼容,三维模型不能相互调用、装配,BOM结构信息等也难以跨软件传递[3-4]。在产品数据管理方面,这种多CAD建模软件不仅带来了异构模型使用困难的问题,也造成产品技术状态难以管控,跨软件、跨部门以及跨地域协作效率低等问题[5]。以液体火箭发动机设计总装为例,整机装配包含1万多个零部件,总装三维模型大小超过15 GB,整个三维建模过程非常复杂,涉及科室及厂所之间的协同[6]。在Teamcenter系统中,异构模型之间互相装配,产品BOM结构信息不能同步,需要耗费大量的人力进行三维模型重新转换及创建,不仅出错率高,还不利于产品技术状态的管控[7-8]。

为了解决异构CAD三维模型协同设计所面临的问题,实现异构三维模型之间的信息整合,提高产品协同设计效率,进行了基于Teamcenter液体火箭发动机异构CAD三维模型的装配技术研究,突破了多CAD三维模型信息的提取、面向协同设计集成框架、三维模型轻量化处理等关键技术,满足了异构CAD三维设计协同,实现产品BOM结构信息的自动更新以及零部件技术状态管控,实现跨软件平台、跨部门、跨地域产品协同设计[9]。

1 产品数据管理系统

产品数据管理系统是异构CAD三维模型装配的基础。异构CAD三维模型装配数据通过产品数据管理系统进行统一的管理和维护。管理数据主要包括异构CAD三维模型以及装配过程数据。异构CAD三维模型数据是产品数据管理系统中重要的产品数据对象,它包含了零部件属性信息、几何信息以及零部件之间的装配关系等。以Teamcenter为产品数据管理系统,NX8.5和Pro/E 4.0为异构三维模型设计工具,底层数据库采用Oracle11。零部件三维模型创建完成后,通过NX或Pro/E集成接口将三维模型导入Teamcenter系统中进行管理,系统可以自动提取零部件信息并生成产品BOM结构信息,实现Teamcenter与Pro/E和NX等异构CAD三维设计软件的集成,将Teamcenter数据存储和管理能力与CAD强大的三维建模集成在一起,确保产品研制数据的一致性和完整性[10-11]。

1.1 三维模型设计

三维模型设计是开展异构CAD三维模型装配的基础工作。首先需要制定三维设计模板、三维建模设计标准、三维标注规范等工作,然后根据产品设计方案进行三维建模和三维标注。三维模型创建完成后维护三维模型的属性信息,如表1所示。

1.2 异构CAD集成

Pro/E集成设计将Teamcenter集成接口内嵌在Pro/E建模环境中,可以实现三维模型的创建、装配、签入、签出及属性更新等功能,实现产品BOM结构的自动生成和更新,并与Teamcenter系统进行信息同步更新[2]。在Pro/E与Teamcenter集成环境下保存Pro/E装配件时,自动根据Pro/E三维装配结构在Teamcenter中生成对应的产品BOM结构,设计修改三维模型重新保存后,产品BOM结构自动进行更新[12]。

NX集成设计是将NX三维建模与数据管理系统的数据管理结合起来。首先数据管理系统启动NX集成建模环境进行三维模型设计,该功能可以快速进行三维设计模板调用、三维模型的创建和装配,三维模型装配过程记录了零部件之间的装配关系,同时实现对产品BOM结构的创建和更新,可以将信息保存到Teamcenter系统中,并自动生成产品BOM结构信息。

2 异构CAD模型装配

解决异构 CAD 三维模型装配问题,首先需要解决三维模型装配信息的统一。由于异构 CAD 三维模型的特征属性、几何、拓扑结构等存在差异,导致异构三维模型无法互相进行装配。异构三维模型装配首先需要一个主导的CAD设计平台,异构模型中来自于该主导平台的模型称为当前模型,并非来自于该主导平台的模型称为外部模型[13]。显然,要将外部模型装配到主装配体中,需要以标准交换格式作为媒介。在Teamcenter集成环境实现NX与Pro/E模型的三维模型装配,主要有以下两种模式。

1)轻量化模型装配。采取多种CAD同时支持的轻量化JT格式进行装配,即NX模型和Pro/E模型在保存时同时生成对应的JT文件,并进行装配[14]。轻量化模型是对三维模型进行转换,并且保留了三维模型装配关系和几何信息,层次性体现装配体的直属关系,每一层都记录了装配的信息。关系性体现了零部件的从属关系和不同零件之间的装配约束信息等。Pro/E环境中装配NX模型时,就是采用了轻量化模型进行装配。

2)中间格式装配。中间格式转换是将发动机的三维模型转换成中间过渡格式,然后将过渡格式再转换成另一种三维设计工具格式的三维模型。例如,将NX文件转换成STEP文件,然后再转成Pro/E三维模型进行装配。

2.1 JT格式装配

在Teamcenter集成设计环境中,采用轻量化模型JT格式文件进行三维模型装配,通过配置三维模型的集成接口,实现在NX和Pro/E环境中三维模型保存到Teamcenter系统时,同时保存JT格式文件,此时三维模型与JT文件版本保持一致。

2.1.1 Pro/E异构装配

在Pro/E集成环境中进行三维模型装配时,打开Pro/E的三维模型,通过调用插入组件的方式,调用Teamcenter系统中的三维模型。需要装配的零部组件为NX三维模型时,在Teamcenter插入装配组件的弹窗中不显示NX模型,只显示轻量化JT文件,通过装配JT的方式进行三维模型的装配[15-16]。三维模型装配完成后,通过Pro/E集成接口进行装配件的保存,Teamcenter根据三维模型装配关系自动生成产品BOM结构信息,设计发生变更,BOM结构信息自动更新。在Teamcenter中生成BOM时,接口可以自动将骨架等非装配结构进行排除,并且在同一装配下同一个零部件装配多个时,将会在BOM结构中进行合并,数量以级乘的形式进行显示[17]。

若执行装配操作的用户对NX零件在Teamcenter中有写权限,在保存时,会同步在该零部件下生成Pro/E三维模型,再次打开时,会调用之前生成的Pro/E三维模型;若无写权限,保存时无法在NX零件下生成Pro/E模型,再次打开三维模型时,直接调用轻量化JT模型。

2.1.2 NX异构装配

在NX集成环境中打开NX三维模型,需要装配的零部组件为Pro/E三维模型时,通过装配的添加组件功能,在集成环境中打开Pro/E组件对象,选择对应的JT文件,完成装配操作[18]。同样,在NX集成环境中,三维模型装配完成,点击“保存”可自动根据装配结构在Teamcenter生成BOM结构,设计变更后,BOM信息自动更新,在同一装配下同一个零部件装配多个时,将会在BOM中进行合并,数量以级乘的形式进行显示。

若执行装配操作的用户对Pro/E零件在Teamcenter中有写权限,在保存时,会同步在该零组件下生成一个NX的零件图,再次打开时,会调用生成的NX模型;若无写权限,则保存时无法在Pro/E零件下生成NX模型,再次打开时,直接调用JT模型。通过采用异构CAD三维模型装配技术可以实现液体火箭发动机重要零部件的装配,如图1所示。

图1 异构CAD三维模型装配Fig.1 Heterogeneous CAD 3D model assembly

2.2 STEP格式装配

2.2.1 STEP格式转换

STEP格式是三维模型数据交换的国际标准,Pro/E与NX都支持STEP格式的转换,Pro/E与NX转换STEP的特征保留情况如表2所示。

表2 Pro/E与NX转换STEP特征情况

2.2.2 STEP格式装配

基于Teamcenter集成设计环境,采用STEP中间格式进行NX与Pro/E三维模型之间的互相装配、产品BOM结构自动生成。将NX和Pro/E三维模型转换为STEP中间格式,然后通过在模型对象下新建STEP文件数据集的方式,手动将STEP文件上传至Teamcenter,并挂在对应的零件下面。

Pro/E装配STEP格式,手动从Teamcenter下载NX零件的STEP文件到本地,再使用STEP文件完成装配操作,使用Teamcenter集成菜单中的保存功能,将三维模型装配保存至Teamcenter。Pro/E使用NX零件的STEP文件进行装配后,在保存至Teamcenter的过程中会因为对NX零件无写权限而无法将Pro/E模型保存至NX零件下,但是可以在Teamcenter中生成BOM结构关系。

NX装配STEP格式,在NX环境装配时,手动从Teamcenter将Pro/E零件的STEP文件下载到本地。打开NX环境,使用STEP文件在本地完成装配操作并保存至本地,再打开NX集成环境,使用“装配导入至Teamcenter”功能将装配保存至Teamcenter。NX使用Pro/E零件的STEP文件进行装配后,保存至TC的过程中,如果对Pro/E零件具有写权限,可以将NX模型保存至Pro/E零组件下,同时更新BOM结构关系。

2.3 三维模型变更

在同一CAD软件内部,零部件更改后,只要原先依赖的装配基准存在,可以实现自适应重新装配,这一特性称为自适应装配。对于异构CAD三维模型,由于CAD软件的封闭性和互不兼容性,装配后的编辑、调整操作显然只能在之前的格式上进行,否则会丢失所有参数。因此,对子零部件进行任何更改之后,设计人员都需要重新执行格式转换和装配。由于格式转换过程中难以保证上次所使用的装配基准,很可能需要重新进行装配工作[19]。

由于模型在发生更改并重新保存之后,JT文件会实时更新以保持与模型一致。因此,以JT为媒介的装配方法,当外部模型发生更改时,只需要打开当前模型进行编辑、调整操作;以STEP为媒介的装配方法,当外部模型发生更改时,需要打开当前模型重新执行格式转换、上传、装配和导入,具体自适应装配流程如图2所示。

图2 异构CAD模型自适应装配流程Fig.2 Adaptive assembly process of heterogeneous CAD model

3 应用效果

基于Teamcenter异构CAD三维模型装配方法在某新型液体发动机研制过程中得到了广泛应用,通过采用轻量化模型和中间格式进行装配实现异构CAD三维模型的装配和管理,达到了以下应用效果。

1)能够自动生成和更新产品BOM结构化信息,零部件的变更能够自动更新到异构CAD三维模型装配中,并且能够从异构装配体的零部件自动链接到实际三维模型进行编辑,建立了完整的CAD数据封装与更新机制[20]。

2)提出了异构 CAD 三维模型装配方法,通过该方法装配的三维模型不但保留了三维模型之间的装配关系,还保留了三维模型的几何信息,为后续工艺虚拟装配提供了必要的数据。

3)异构CAD三维模型轻量化生成及浏览技术可实现对发动机整机三维模型的快速轻量化处理和可视化查看,以“一次轻量化,处处可使用”为目标,整合多种轻量化和快速查看技术,做到对复杂三维模型的快速传输和查看。

4)建立了支持异构CAD三维模型装配协同设计平台,支持多CAD异构数据协同与共享,可对三维模型进行技术状态管控和变更管理,实现了某新型液体发动机异构CAD三维模型BOM结构信息与产品数据管理系统整合共享。

4 结束语

通过对液体火箭发动机异构CAD三维模型装配技术的研究,基于MBD技术实现了发动机三维模型的属性定义,将传统产品制造由二维图纸转变为三维设计模型,并将产品相关的属性定义、设计、仿真等信息都定义在三维模型中,确保产品设计数据的正确性和唯一性。采用异构CAD三维模型轻量化格式进行零部件装配,在一定程度上,从产品数据管理和操作层次打破异构CAD三维设计软件兼容性的壁垒,构建异构CAD三维模型的统一装配环境,实现零组件标识与溯源、异构三维模型的自适应装配以及产品BOM结构化信息的整合。在统一环境下,实现异构CAD三维模型BOM结构信息的自动更新和同步,以及发动机产品技术状态管控和变更管理。满足了某新型液体火箭发动机跨软件平台、跨部门、跨地域协同研制要求,提高了产品设计质量,缩短了产品研制周期。