基于CATIA／CAA液压试验设备导管智能铺设技术研究.pdf

2 0 1 2年 8月 第4 0卷 第 1 5期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS Au g ．2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 1 5 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 1 5 ． 0 1 3 基于 C A T I A ／ C A A液压试验设备导管智能铺设技术研究 韩志仁 ，郭喜锋 ，万世 明 ， 李东明 1 ．沈 阳航空航天大学航 空宇航工程学院，辽宁沈阳 1 1 0 1 3 6 ； 2 ．成都飞机工业 集 团有限责任公司技装所 ，四川成都 6 1 0 0 9 2 摘要针对目前航空企业液压试验设备导管铺设存在的问题 ，通过对导管布局特点、工程规范和设计人员的布管经验 进行归纳和总结，形成以 C A T I A为平台的液压试验设备导管铺设的专家系统软件。该软件基于 C A A ． R A D E，以 V i s u a l C 为编程工具，实现了液压试验设备导管的智能铺设 ，并且能够自动输出导管制造环节所需的信息，具有很大的工程实用价 值，对全面实现液压试验设备导管的数字化设计和制造有很大的推动作用。 关键词智能铺设 ；导管；专家系统；C A T I A软件 中图分类号 T P 3 9 1 ． 7 文献标识码 A 文章编号 Re s e a r c h o n Tub e I nt e l l i g e n t La y i ng Te c hn o l o g y f o r Hy d r a ul i c Te s t Equ i p me nt Ba s e d o n CATI A／CAA HAN Zh i r e n ，GUO Xi f e n g ， W AN S h i mi n g ，LI Do n g mi n g 1 ． C o l l e g e o f A e r o s p a c e E n g i n e e r i n g ，S h e n y a n g A e r o s p a c e U n i v e r s i t y ，S h e n y a n g L i a o n i n g 1 1 0 1 3 6 ，C h i n a ； 2 ． T e e h o n o l g y E q u i p m e n t I n s t i t u t e ，C h e n g d u A i r c r a f t I n d u s t r y G r o u p C o ． ， L t d ． ， C h e n g d u S i c h u a n 6 1 0 0 9 2 ，C h i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f t h e c u r r e n t p r o b l e ms o f h y d r a u l i c t e s t e q u i p me n t t u b e l a y i n g i n a v i a t i o n e n t e r p r i s e ，t h r o u g h i n d u c i n g t u b i n g de s i g n c h a r a c t e r i s t i c s an d e n g i n e e rin g s p e c i f i c a t i o ns a s we l l a s s u mmi ng up de s i g ne r s e x pe rie n c e，a n e x pe r t s y s t e m s o f t wa r e wa s d e v e l o p e d f o r t u b e l a y i n g o f h y d r a u l i c t e s t e q u i p me n t w i t h C AT I A a s p l a t f o r m．T h e s o f t wa r e wa s b a s e d o n C AA RAD E．w i t h Vi s u a l C a s p r o g r a mmi n g t o o l ，c o u l d b e u s e d t o r e ali z e i n t e l l i g e n t h y d r a u l i c t u b e l a y i n g ，a n d t h e i n f o r ma t i o n u s e d i n t u b e ma n u f a c t u r i n g w a s a u t o ma t i c a l l y o u t p u t ．I t h a s t r e me n d o u s p r a c t i c a l v a l u e a n d p r o mo t e s t h e o v e r a l l d i g i t a l d e s i g n a n d ma n u f a c t u r e o f h y d r a u l i c t e s t e q u i p - men t t u be g r e a t l y． Ke y wo r ds I nt e l l i g e n t l a y i n g；Tub e；Ex p e r t s y s t e m ；CATI A s o f t wa r e 长期 以来 ，航空企业液压试验设备导管铺设 多采 用 传统 的手工铺设方式 。设计人员根据液压系统原理 图 ，利用铅丝进行 实地测量打样 ，凭借经验确定导管 的三维走 向，之后按 照该走 向确定导管并安装 ，导管 的制造 以模拟量为协调依据 ，导管的生产周期 长 、费 用 高 ，质量也得不到保 障，同时又给生产管理带来 了 麻烦 。 C A D技 术 的 发 展 为 数 字 化 制 造 提 供 了 平 台。 C A T I A作 为一 个 C A D ／ C A M ／ C A E一体 化 软件 ，广泛 应 用于航 空 和 汽 车 等 行 业 。C A T I A 中 “ T u b i n g D e - s i g n ”模块为导管的设计提供了方便，该模块方便用 户定义导管外径 、导管轴线弯曲半径和空间坐标，操 作直观简单⋯。但是 ，作为通用的管路设计模块，该 模块仍需设计人员选择零件的连接端 口，并指定导管 的各个关键点 。因此 ，导管的设计仍需要设计 人员的 大量参与 。由于设计经验的不同 ，设计结果往往因人 而异 ，难免会有设计疏忽或不规范的现象发生 ，给导 管 的制造带来很 多麻烦 ，这势必会影响导管 的生产效 率 ，导管的设计 并没有 真正意义上 实现数字 化。 随着 C A D技术 的普及 应 用和深 入 发展 ，人 们希 望它除了具有原来 的优势以外 ，还 能代替设计人 员完 成必要 的智 力 工 作 ，从 而减 少 C A D过 程 对 人 的依 赖 。如果能将液压试验设 备导管铺设 过程中需要设 计人员依据经验和知识才能确定的过程置于 C A D系 统 内部 ，给用户提供 一个专 业的工作环境 ，能大大提 高液压试验设备导管铺设的效率。因此，作者运用面 向对象 的技 术 ，通 过对 C A T I A进行 二 次开 发设 计 出 液压试验设备导管智能铺设的专家系统软件。 收稿 日期 2 0 1 1 一 o 71 O 作者简介 韩 志仁 1 9 6 4 一 ，男 ，博士 ，教 授 ，主 要研 究方 向为钣 金成 形 C A E和 数字 化 制造 。Em a i l h a n r e n 8 8 8 1 6 3． e o m。 第 1 5期 韩志仁 等基于 C A T I A ／ C A A液压试验设备导管智能铺设技术研究 。 5 1 1 液压试验设备导管在 C A T I A导管设计模块 中的 铺设 1 ． 1 导管的特点与要求 1 液压试验设备导管的特点 ①多数导管具有横平竖直的特点。由于液压试验 设备面板有一定 的倾斜 角度 ，液压元器件需要垂直面 板放置，少量与这些元器件相连的导管有一定的倾斜 角度 ； ②不同规格的导管 ，最小弯曲半径不同。 2 铺设要求 ①对比原理图，有正确的连接形式 ； ②导管之间不发生干涉； ③力求长度最短，弯曲最少 ； ④易于安装 ，操作 空间能够安装避让 ； ⑤便于维护； ⑥整体美观。 1 ． 2 C A T I A中铺设液压试验设备导管的过程 利用 C A T I A原有 的导管铺设模块铺设导管一般 需要 以下过程 1 在装配环境下 对液 压元 器件 进行 装 配 液 压试验设备装配体 ，以确定液压元器件的空间位置 关 系。 2 对照 液压试 验设 备原 理 图 ，定 义 每条 导 管 的空间坐标 、弯曲半径、外径大小等参数，形成导管 路径 。 3 将导管路径释放形成相应的实体。 随着导管 数 量 的增 加 ，步 骤 2 显得 格 外 繁 琐。因此 ，基于 C A T I A开发出高效快捷 的液压试验 设备导管设计专家系统模块很有意义。液压实验设备 导管铺设 的一般过程如图 1 所示 。 ， 一 确定第 1 条导管L 一 第1 个导 f l 路径关键点 l l 管实体 l二二 l _ 一 确定第2 条导管L 一 第2 个导 J l 路径关键点 l l 管实体 f-[ 三 [ 嚣 蹇 羹 管 H 薯 图 1 液压试验设备导管的铺设 2 基于专家系统的导管铺设 2 ． 1 专家系统介绍 专家 系 统 实 质 是 知识 工 程系统，其主要工作 内容是 知识 获 取 、知 识 表 示 、知 识 存贮 和 知识 运 用 。专 家 系统 包括 知识 库、推理机、知识 获取和人机接 口4个基本模 块 ，如图 2所示 。 液 压 试 验 设 备 导 管 专 家 用 户 图2 专家系统结构 2 ． 2 液压试验设备 导管铺设专家系统的关键技术 该系统以 C A T I A为平台，通过对某航空企业液 压试验设备导管铺设的调研 ，完成导管设计知识的获 取，采用产生式规则表示知识与推理 ，最终生成导管 的三维实体模型和相应的制造信息。以下是液压试验 设备导管铺设专家系统的关键技术 1 建立液压试验设备常用零件库 参考国家标准和企业标准，建立液压设备常用零 件库，并对零件进行编号。编号的原因是 当设计人 员调用该零件库的零件在 C A T I A里进行装配形成装 配体 P r o d u c t 后 ，系统可以在后 台从结构树 中 自 动查找到相应的零件信息并进行相关操作。 2 描述接头信息 接头用坐标 和方 向两个参数描述 。坐标值表示 接 头的空间位置 ，方 向向量表示接头 的方 向。 3 构造液压元器件连接关 系表 在 C A T I A装配环 境下 ，对照 液压 试验 设备 系 统 原理图 如图3 ，将液压试验设备装配体中需要有 导管连接的元器件的实例名称作为一组数据 接头 一 、接头二填人指定 的 A c c e s s 表中，并填入该导 管安装避让距离 、直径 大小等相应 的导管信息 ，形成 液压元件连接关系表 ，作为系统的输入 。系统通过访 问 A c c e s s 数 据 库 ，获 取接 头 的名称 和 导 管 的参 数。 输入文件 连接关 系表 的格式如 图 4所示 。 M l 4 1 C型 1 、卜 球阀2 一油箱 4 一防爆 电机 5 一叶片泵 6 一单向阀 7 、8 - - 过 滤器9 一针 型节 流 阀1 O 一液 位计1 l 一 回 油过滤 器l 2 一 温度 计 l 3 、1 8 、l 9 一电磁阀 1 4 、1 7 一压力传感器 l 5 、l 6 一溢流阀 图3 某液压试验设备系统原理图 m蛳i o 1 1】 蠲 埘 a 0 1 1 i； 11 I 5 3 ⋯ a 1 1x i a 】g I} 嘶2 l i e I 卿1 l j 6 1 ． 5 。 3 3 A J e T o u 0 I 3 e I 遢 i 啷a 0 1 2 5 6 1 ． 5 3 0 00 0 一 图4 液压试验设备导管智能铺设 专家系统软件输入文件格式 4 构建基本路径库模块 结合液压试验设备导管布局的特点、应遵循的工 5 2 机床与液压 第 4 0卷 程规范以及设计 人员 的布 管经验 等 ，将导 管铺设 时 ， 不同空间位置关 系 导管 的走 向情 况进 行 归纳 和总 结 如图 5 ，用 c 语言形成导管铺设 的基本路径生 成模块。该模块为无障碍干涉路径的形成打下基础 ， 也确保 了铺设出来的导管能 自动满足工程要求 。 a 相背 b 同 向 c 相 向 图5 接头平行方向时不共面的几种连接方式 5 获取接头信息 当设计人员选择好输入文件 从液压试验设备 系统原理图转换而来后 ，通过专家系统查询装配 体，获取每个导管所连接的两个接头的信息 坐标 和向量 ，该信息是相对零件体而言，专家系统会 自 动通过 C A A提 供 的 C A T Ma t h T r a n s f o r ma t i o n类 ，将 该 信息转换为装配体内的接头信息，依此判断该导管所 连接的两 个接 头的位置关 系。 6 干涉检测 关于干涉检查有很多理论，但是考虑到导管和导 管之间以及导管和装配体之 间都必须 有一定 的距 离 ， 干涉检查不必过于精确，而且 C A A提供了关于包围 盒 的类 C A T Ma t h B o x以及该类 的许多操作，如相交 等，使用起来比较方便且能满足要求 ，所以该系统使 用基于包 围盒 的干涉检测方法 。 2 ． 3 液压试验设备导管铺设专家系统的实现 1 通过与 液压试 验设 备导 管铺设 专家 交 流获 取 导管设计知识 ，构建专家系统知识库 。 2 设计人 员将 液压设 备原 理 图转换成 输 入文 件 连接关系表 。 3 通过 A c c e s s 数据库访问输入文件 连接关 系表 ，获取接头的名称和导管的参数。 4 根据得到的接头名称，遍历装配体获取接 头信息 。 囵 设 原 理里 数据库 c e I 嚣 重 I 计 受 袢l l替 参薮 l 推 人 l 接头 理 员 1 名称 机 土 ． I 遍历装配I 图 6 液压试验设备导管铺设专家系统的实现 5 推理机根据接头信息判断各个导管的连接 方式并进行干涉检查 ，生成导管路径 。 6 将推理结 果在 C A T I A平台 中转换 成导 管三 维实体并输出制造信息。 其过程如图 6所示 。 2 ． 4 系统 的工作 流程 首先 ，用户按 照液压试验设备系统原理 图，调用 液压试验设备常用零件库中的零件在 C A T I A装配模 块中进 行 装 配 ，形 成 装 配 体 ． C A T P r o d u c t 文 件 。 其次 ，按 照 系 统 原 理 图 填 写 输 入 文 件 连 接 关 系 表 。再次 ，进入液压试 验设备 导管铺设 专家系 统模 块，选择输入文件 连接关系表 、装配体和生成文 件保存路径。点击预览形成所有导管的路径 ，系统在 装 配 体 中 自 动 生 成 一 个 名 为“P r e v i e w P a r t ” 的 ． C A T P a r t 文 件 ，并 保 存 在 指 定 的 路 径 中。此 时 ， 用户可以对不符合要求的导管路径进行编辑。确认生 成 的导管路径符合要求 时 ，点击 “ 生成实体 ” 按钮 ， 每一个导管系统会 自动在装配体 中生成 ． C A T P a r t 文 件，并保存在指定的路径中。另外，在指定的路径 中，液压试验设备导管智能铺设专家系统 自动生成了 每个导管相应的信息以供制造部门参考 J 。以上过程 可以表示为形成装配体一填写输入文件 连接关 系表一 进 入 液 压 试 验 设 备 导 管 铺 设 专 家 系 统 模 块一选择输 入文 件 连接 关 系表 和 存储 路径 一 生 成导管路径一确认路径符合要求一生成导管实体。整 个流程如图 7所示 。 图7 软件操作流程 2 ． 5 实例 验 证 图 8是针对 某 液压试 验 设备 原 理 图如 图 3所 示 利用导管铺设专 家系统 软件铺设 的结果 。首 先 ， 液压试验设备导管铺设专家系统访问 A c c e s s 数据库 ， 得 到连接关 系表 中 “ 导管序号 ” 、 “ 接 头一” 、 “ 接头 二”这 3个 字段 的 内容 。导 管序 号 主要 用 于给 生成 的导管路 径和导 管编号 。系统根 据 “ 接 头～ ” ， “ 接 头二”两个字段的内容，遍历装配体组件获取接头 第 l 5期 韩志仁 等基于 C A T I ／ C A A液压试验设备导管智能铺设技术研究 5 3 信息，推理机根据接头信息搜索知识库得出两个接头 之间的导管连接形式 ，并 进行 导管路径干涉检查 ，最 终生成无干涉的导管路径呈现给设计人员 。设 计人员 可对路径进行修改，确认路径合适时，点击 “ 生成实 体”按钮，便生成导管实体并输出相应的导管信息。 1 嘶 ． 蛐8 9 3 5 1 8 7 ． 6 9 3 8 8 7 1 8 7 ． 7 6 8 7 4 2 1 3 8 ． 0 1 8 8 3 7 1 9 5 ． 6 3 7 2 6 6 1 9 5 ． 6 4 船 1 8 1 9 4 ． 3 1t 7 5 3 3 1 5 5 ． 7 7 5 0 t 日 1 2 5 ． 4 5 6 2 6 5 1 2 5 ． 626 5 1 1 0 ． 3 6 8 4 1 9 -1 6 7 ． 7 2 2 8 5 3 - 1 6 8 ． 5 4 5 2 9 9 -1 7 1 ． 7 5 7 6 2 0 - 1 5 6 ． 7 8 5 1 6 3 -1 5 7 ． 3 5 9 8 1 7 - 1 7 5 ． 2 5 3 4 1 9 -1 7 3 ． 4 8 0 帖9 - 2 ． 2 6 1 9 k 2 -2 ． 2 6 1 9 4 2 - 1 O o ． 1i 8 2 2 7 1 -1 5 7 ． 2 3 9 6 6 6 1 8 0 ． 5 1 4 6 6 3 - 1 8 3 ． 7 1 4 5 7 6 1 蛐． 7 日 5 2 6 8 S ∞ ． 8 7 8 5 7 8 5 0 9 ． 8 7 8 5 7 8 5 0 9 ． 6 6 1 3 1 2 3 ． 船4 2 5 0 图S 基于导管铺设专家系统软件的 导管和其部分路径关键点坐标 3结论 基 于 C A A R A D E设 计 以 C A T ] A为平 台 的航 空企 业液压试验设备导管智能铺设专家系统软件，通过设 计人员的少量参与，能够 自动躲避障碍物，完成满足 工程需求 的液压试验设备导管的 自动铺设 ，自动生成 导管所需的制造信息，对液压试验设备导管的数字化 设计 与制造具有重大意义 。 参考文献 【 1 】李光俊， 毛燕． 飞机导管数字化快速敏捷制造技术[ J ] ． 中国制造业信息化， 2 0 0 9 ， 3 8 5 1 9～2 4 ． 【 2 】张大船． 专家系统在管道工程设计中的应用[ J ] ． 炼油 设计 ， 2 0 0 1 ， 3 1 1 4 1 4 5 ． 【 3 】陈文伟， 陈晟． 知识工程与知识管理[ M] ． 北京 清华大 学出版社， 2 0 1 0 2 4 3 8 ． 【 4 】 敖志刚． 人工智能及专家系统[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 2 0 1 0 3 43 5 ． 【 5 J李振强， 侯清海 ， 王永军 ， 等． 导管三维快速建模及模型 预处理技术研究[ J ] ． 制造业 自动化， 2 0 0 7 ， 2 9 3 1 5 1 8． 【 6 】 张安鹏， 张俊 ， 姬涛． 无师 自通 C A T I A V 5之零件设计 [ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社， 2 0 0 7 1 4 61 5 2 ． 【 7 】 曹俊生． 基于 C A T ] ／ C A A的飞机结构虚拟装配信息模 型研究[ D] ． 南京 南京航空航天学， 2 0 0 5 2 6 2 9 ． 【 8 】 石林祥， 叶建平， 魏淑桃． 基于专 家系统技术 的智能 C A D系统的研究与设计 [ J ] ． 微计算机信息， 2 0 0 5 ， 2 1 7 1 3 3一] 3 5 ． 【 9 】陈宏朝． A c c e s s 数据库实用教程[ M ] ． 北京 清华大学出 版社 ， 2 0 1 0 51 0 ． 【 1 0 】袁其源， 雷玉勇， 熊佳， 等． 基于专家系统的 C A T i A二 次技术[ J ] ． 机械与电子 ， 2 0 0 7 9 1 2 1 4 ． 【 1 1 】 林萍． 智能 C A D专家系统开发平台的研究与实现[ J ] ． 计算机工程与设计， 2 0 0 6 ， 2 7 1 2 2 1 5 1 2 1 5 3 ． 上接第 7 0页 据评价补偿效果 。经过多次的补偿 、评价 、再补偿一 般会取得满意的补偿效果。 参考文献 【 1 】 李苏渊， 杨茂奎 ， 杨川． 数控加工刀具变形误差补偿技术 研究[ J ] ． 计算机仿真 ， 2 0 1 l ， 2 8 1 3 3 1 3 3 5 ． 【 2 】 章婷， 刘世豪． 数控机床热误差补偿建模综述[ J ] ． 机床 与液压 ， 2 0 1 l ， 3 9 1 1 2 21 2 7 ． 【 3 】 孙勇， 曾黄麟． 一种新的数控机床热误差实时补偿方法 [ J ] ． 机械设计与制造， Z 0 ] 0 1 2 4 4 2 4 6 ． 【 4 】 刘焕牢． 数控机床几何误差测量及误差补偿技术的研究 [ D] ． 武汉 华中科技大学 ， 2 0 0 5 ． 【 5 】 曹永杰． 基于激光测试技术的数控机床误差识别与补偿 研究[ D] ． 杭州 浙江大学， 2 0 0 6 ． 【 6 】 杨磊． 数控机床精度再生关键技术的研究[ D ] ． 北京 北 京工业大学 ， 2 0 0 7 ． 【 7 】 徐盛学． 半闭环数控机床误差补偿技术研究 [ J ] ． 广东 白云学院学报 ， 2 0 1 0， 1 7 2 4 3 5 1 ． 【 3 】 李耀明， 沈兴全， 王爱玲． 数控机床误差补偿的数控指令 修正方法研究 [ J ] ． 陕西科技大学学报 自然科学版， 2 0 0 9 ， 2 7 6 8 08 3 ． 【 9 】姜辉 ， 孙翰英， 范嘉桢， 等． 基于 F A N U C 0 i 系统外部坐 标原点偏移功能的数控机床误差补偿研究[ J ] ． 机械制 造 ， 2 0 0 9 ， 4 7 7 7 3 7 6 ． 【 l 0 】张明伟， 沈兴全． 基于多体系统理论的三轴数控机床误 差补偿模型[ J ] ． 机械工程师， 2 0 0 9 1 1 1 1 1 1 3 ． 【 1 l 】张军， 吴则鹏． C N C数控机床误差补偿系统及位置精 度评定[ J ] ． 组合机床与 自动化加工技术 ， 2 0 ] 6 7 4041 ． 【 l 2 】辜志刚， 谌永祥． 三坐标数控机床误差补偿技术 [ J ] ． 兵工 自动化， 2 0 0 4 ， 2 3 2 1 9 2 0 ． 【 l 3 J沈恒范． 概率论与数理统计教程[ M] ． 4版． 北京 高等 教育出版社， 2 0 0 3 ． m懈 啪啪 旺 明 b b b ”1 2 3 1 2 3■，T 1 2 3卑