基于CAA技术的管系零件图的开发应用
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摘 要：在管系零件图方面，船厂一直采用第三方软件来进行处理，效率和准确度都不高。本文利用CATIA软件的开发工具CATIA CAA进行二次开发，研究开发了与管系零件图相关的内容，填补了CATIA系统在管系零件图方面的空白，对提高船厂三维设计的效率和软件开发应用推广做出了较大的贡献。
关键词：CAA；管加工；先焊后弯；小票；CATIA
中图分类号：U662.9 文献标识码：A
1 前言
1.1 CATIA管系设计的应用
CATIA（Computer Aided Tri-dimensional Interface Application）是法国Dassault Systemes 公司开发的CAD/CAM/CAE/PDM 一体化软件，广泛用于航空、航天、汽车、船舶及电子工业。
CATIA系统在管系设计方面提供了“Piping and Instrumentation Diagrams”和“Piping Design”两个主要模块，其中前者是做原理图设计的，后者主要用于管系的布放和建模，如图1所示。
图1 CATIA设计的一个区域的管系模型
1.2 CATIA管系设计的局限性
CATIA系统只是提供了管系的建模功能，并不会提供管子零件图（俗称“小票”）、安装图等结果文件，而恰恰这些文件才是工厂用来指导加工、安装、生产和管理的关键文件。我厂自1997年引进CATIA系统进行设计以来，一直采用第三方的软件系统（如611所的SB3DS系统）将CTAIA的数据导出到第三方的软件系统中，生成零件图、安装图等，但存在下列缺点：
（1）为了保证导入时零件附件库的一致性，需要准备两套完全一样的零件库，否则会出现导入错误；
（2）转换流程是单向的，要修改就必须从CATIA模型开始，然后重新导入到第三方软件中，因此效率很低，特别是修改的效率很低；
（3）对于工厂弯管工艺的修改，第三方软件无法做到及时响应。
2 弯管参数的计算方法
弯管参数指的是管段的实长、弯管的起弯点、管子的下料长度、弯曲角和旋转角等。求解弯管参数的方法主要是用计算法，借助计算机的技术，根据管子的节点坐标值应用三角函数或者矢量法进行计算，本文采用矢量代数法来进行弯管参数的计算。
矢量函数法就是把一根管子上的每个管段看作是一个矢量，并根据各管段的坐标值，运用矢量、数量积、矢量积推导一组公式。用这些公式计算，不需要做投影变换，也不需要求解三角形和中间参数，可大大减轻计算工作量。
如图2所示，根据右手法则建立空间直角坐标系，坐标系的三个方向分别表示船舶的首尾、左右、上下。
图2 管子在直角坐标系中的矢量表示
2.1 管段实长Li的求解公式
对应矢量的模Li即为管段的实长：
（1）
式中：
2.2 弯曲角α的求解公式
弯管过程中，弯模转过的圆心角称为弯曲角α，也就是两矢量的夹角。两相邻管段的夹角叫做成形角 β，这里α+β=180，如图2所示。
（i=1，2…n-2） （2）
2.3 管子的下料长度L的求解公式
下料长度就是弯制成形的管子的总长，理论上它是直管段长度和弯头圆弧长度的总长。实际上在弯制管子时，弯头部分的圆弧长度因材料塑性变形等原因会有伸长，所以实际下料长度比理论略短一些，这里我们仅考虑理论的下料长度，其下料长度的计算示意图，见图3。
管子弯头的弧长 ：
图3 下料长度的计算示意图
2.4 旋转角 的求解公式
两相邻矢量所确定的平面的法线向量的夹角 称为管子的旋转角，其求解公式为：
（i=1，2…n-2 ） （6）
式中：
旋转方向的判别：转向判断根据三向量的混合积，若相对矢量―Ai，――Ai+1，―Ai+2组成右手系，其值为正，为逆转；其值为负，则为顺转（自首端向尾看）。
（7）
若P>0，逆时针旋转，旋转角为负；若P
2.5 先焊后弯初始转角的计算
先焊后弯工艺是在弯管前将两端法兰焊在直管上，然后进行弯曲，弯曲后即成成品。这样就不需要弯曲后再进行两次画线、两次切割和法兰定位、焊接等工序。管加车间在加工管子时有法兰单眼和双眼的概念，法兰双眼是当法兰平面垂直于水平面的时候，最上端相邻两螺孔中心的连线平行于水平面。目前民用船舶绝大部分选择的是四进制法兰，在制造安装时均规定为法兰双眼。
如图4所示，将相邻螺孔中心线移到管中心P1点，ab//cd，通过cd和管子的第二个节点P2组成一个平面ABCD，这个平面与法兰平面永远是垂直的，而此平面与通过P1P2P3组成的平面ABEF之间的夹角 就组成了法兰的初始角。
图4 法兰初始转角
先焊后弯工艺还要计算法兰的相对转角（法兰预转角），这个角度是为直管段的时候焊接法兰用的，就是在弯管前焊接法兰时，将两端的法兰预先旋转一个角度，经过弯管操作后，就能够保证两个法兰都是双眼的位置。很明显，管子弯曲的法兰的相对转角同法兰的初始角和管子的旋转角有关系，根据几何推导有：
相对转角： （8）
3.1 CAA介绍
3.1.1 CATIA的二次开发方式
CATIA系统提供了多种二次开发接口，二次开发方式主要有两种：一种是采用自动化对象编程技术，一种是采用开放的基于构件的应用编程接口（简称CAA）技术，此项目采用CAA开发技术来完成。
3.1.2 CAA V5的原理和架构
CAA采用面向对象的程序语言，开发过程可看作是其组件对象的组合和扩展。CAA架构可以用图5表示。
图5 CAA V5架构
3.2 管子零件图
管系后处理系统生成的管子零件图主要是以三向投影视图和轴测图来表示管子的几何信息，以图表的形式说明其它的加工、统计信息，如图6所示为其中一张的零件图图样。
图6 零件图图样
3.3 本程序的主要特点
本程序具有的特点：
（1）操作简单，无需人工干预；
（2）生成的图册信息完整，可以按照托盘或者图号来出图，一次性可以完成多份图纸，所生成的图纸无需做任何修改，签名后即可发放施工部门；
（3）生成的速度较快，经过统计，200张的小票可以控制在8 min以内完成，效率高；
（4）集成了先焊后弯程序，将弯管焊接变成了直管焊接，大大缩短了加工时间，提高了弯管制作的效率。
4 应用情况
本文研究开发的管系零件图系统，已投入到船厂的设计和生产实际中，效果良好，据统计可节约20%的设计工时。此系统的开发既实现了提高生产设计效率的目的，又适应了现代信息技术的发展，并为深入开发更复杂的辅助程序打下了坚实的基础，为企业降低了用工成本，提高了市场竞争力。目前，此系统已经完全替代了原来的第三方软件，在国（下转第页）（上接第页）内外同行业中处在比较前沿的位置，替补了CATIA系统在管系后处理方面的空白，对船厂三维设计的深化和推广做出了较大的贡献。
5 结束语
管系零件图以及后续管系后处理系统的开发，需要开发者对CATIA管系设计模块、CAA开发技术、管系加工和安装工艺有比较充分的了解，还需要开发者掌握相关的算法和输出规则。其中，CAA开发技术的掌握比较困难，涉及到了CATIA核心的开发技术，需要开发者具有比较扎实的CAD开发技术和经验。另外，由于每个厂的管加工和安装工艺的不同，对输出数据的要求也不同，因此，需要开发中能够深入了解生产设计有关管系专业的内容。
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