本文從設(shè)計需求出發(fā)，介紹了PRO/E軟件在大型鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用情況，闡述了PRO/E軟件自頂向下的參數(shù)化技術(shù)，列出了大型鋼結(jié)構(gòu)三維設(shè)計流程，并根據(jù)大型鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品特點，總結(jié)了以骨架為核心的框架設(shè)計方案、實體建模規(guī)則及出圖的主要技術(shù)方案，最后重點分析了系統(tǒng)集成對三維設(shè)計工作模式及套料設(shè)計管理的積極影響。

    一、引言

    大型鋼結(jié)構(gòu)是武昌造船廠民品的重要組成部分，主要包括大型橋梁產(chǎn)品和成套設(shè)備等。目前武昌造船廠在國內(nèi)大型鋼結(jié)構(gòu)制造業(yè)迅速崛起，放眼不斷開拓的市場，要爭取絕對的競爭優(yōu)勢，提升自主創(chuàng)新能力成為關(guān)鍵。鑒于此，引進了PTC公司的PRO/E三維設(shè)計軟件，以不斷推進工廠在傳統(tǒng)大型鋼結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域內(nèi)設(shè)計模式和管理理念創(chuàng)新。

    2005年底，武昌造船廠用PRO/E軟件相繼對珠江黃埔北汊斜拉橋、杭州灣南航橋、彭水承船廂以及杭州市江東大橋等大型鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品進行了三維設(shè)計，穩(wěn)步實現(xiàn)了由二維向三維設(shè)計工作模式的轉(zhuǎn)變，并在PRO/E三維設(shè)計取得初步成效的基礎(chǔ)上集成了數(shù)據(jù)管理軟件、套料軟件等系統(tǒng)軟件，建立了企業(yè)制造信息管理平臺，從而增強了對產(chǎn)品設(shè)計全過程的組織、管理和控制力度。

    二、大型鋼結(jié)構(gòu)三維設(shè)計的主要特點

    PRO/E三維設(shè)計軟件通過與傳統(tǒng)大型鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)設(shè)計的結(jié)合應(yīng)用，形成的大型鋼結(jié)構(gòu)三維設(shè)計與傳統(tǒng)二維設(shè)計相比有了很大飛躍，集中體現(xiàn)在以下三方面：

    (1) 設(shè)計思路的開拓。基于PRO/E軟件的三維設(shè)計采取自頂向下的設(shè)計思路，即先構(gòu)架產(chǎn)品的整體框架模型，再依次進行單元件和零件的詳細設(shè)計。由于框架模型中多層次分布的骨架包含了整個產(chǎn)品的主要定位和參考信息，因此這種設(shè)計思路提升了產(chǎn)品主管對產(chǎn)品的整體把握能力。

    (2) 技術(shù)含量的提升。在PRO/E參數(shù)化設(shè)計技術(shù)下，由于所有點、線、面及實體等特征均通過可變尺寸參數(shù)和約束來控制，施工圖的基本圖面信息由三維模型自動生成，而且以骨架為首的尺寸和約束的改變將能快速驅(qū)動相關(guān)三維模型及二維工程圖的關(guān)聯(lián)性變更，因此與二維CAD技術(shù)下相對松散的圖面信息組合方式相比，設(shè)計的嚴密性、精度及變更響應(yīng)能力明顯增強。

    (3) 可視化效果和過程控制力度的增強。三維設(shè)計將設(shè)計人員專業(yè)的三維空間想象變?yōu)橹庇^的三維數(shù)字模型，使設(shè)計更貼近產(chǎn)品實物；而三維建模本身是對產(chǎn)品制造和裝配過程的數(shù)字化模擬，可使產(chǎn)品建造環(huán)節(jié)中的潛在工藝和技術(shù)問題在設(shè)計環(huán)節(jié)得到提前發(fā)現(xiàn)和解決。

    三、自頂向下的大型鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)化三維設(shè)計流程

    在PRO/E軟件自頂向下的參數(shù)化設(shè)計指導思想下，大型鋼結(jié)構(gòu)三維設(shè)計在流程上大體可分圖1所示的設(shè)計準備、模型構(gòu)造和圖表生成三大節(jié)拍。

圖1 大型鋼結(jié)構(gòu)三維參數(shù)化設(shè)計主流程

    3.1 大型鋼結(jié)構(gòu)的三維設(shè)計準備

    在以PRO/E軟件為技術(shù)平臺的大型鋼結(jié)構(gòu)三維設(shè)計過程中，設(shè)計準備節(jié)可按設(shè)計策劃、方案設(shè)計和框架設(shè)計三個子環(huán)節(jié)依次進行。

    3.1.1 大型鋼結(jié)構(gòu)的三維設(shè)計策劃

    在正式接到產(chǎn)品設(shè)計任務(wù)后，為保證后續(xù)設(shè)計環(huán)節(jié)正確有序的進行，需要進行包括以下四項主要內(nèi)容的設(shè)計策劃：

    (1) 審圖，首先應(yīng)明確并及時消除設(shè)計院藍圖中潛在疏漏之處和不定因素，再針對鋼結(jié)構(gòu)橫縱剖面的定位基準及板厚分布規(guī)律進行重點分析，然后簽署審圖意見，使設(shè)計藍圖具備三維設(shè)計條件。

    (2) 工藝拆分，即產(chǎn)品主管應(yīng)結(jié)合廠內(nèi)的工藝生產(chǎn)條件，進一步明確鋼結(jié)構(gòu)分/節(jié)段類型，并對各分/節(jié)段的橫向和縱向進行板單元拆分及優(yōu)化。

    (3) 制訂出圖計劃，計劃中應(yīng)包含詳細圖紙目錄、相關(guān)責任人及交圖期。

    (4) 通用件規(guī)劃，主要對在各分/節(jié)段間通用的零部件進行分類統(tǒng)計。

    3.1.2 鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品三維框架模型的方案設(shè)計

    在PRO/E軟件平臺下，由于鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的三維框架模型實質(zhì)上是一個自頂向下由裝配件和骨架兩類文件通過一定層次和一系列虛擬裝配關(guān)系組裝起來的模型樹，因此相應(yīng)框架設(shè)計方案應(yīng)主要包括裝配樹結(jié)構(gòu)設(shè)計、骨架設(shè)計和裝配關(guān)系設(shè)計三部分。

    第一：產(chǎn)品框架模型樹結(jié)構(gòu)設(shè)計。

    在大型鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的裝配樹結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)，主裝配結(jié)構(gòu)通常為產(chǎn)品→分/節(jié)段→單元件三個裝配級，骨架應(yīng)分別布局于這三級裝配組件下；同時結(jié)合產(chǎn)品的具體工藝及生產(chǎn)組織等特點，主裝配結(jié)構(gòu)可作適當調(diào)整。

    第二：產(chǎn)品框架模型骨架設(shè)計。

    在裝配樹結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，首先應(yīng)根據(jù)骨架的布局及聯(lián)系和自頂向下的思路明確各裝配級骨架之間的繼承方案，保證骨架對整個產(chǎn)品模型具有足夠的控制能力，然后針對典型骨架進行建模方案的總體規(guī)劃，最后分別對各具體骨架的建模方案進行詳細設(shè)計。

    第三：產(chǎn)品框架模型樹裝配關(guān)系設(shè)計。

    為確保產(chǎn)品框架模型結(jié)構(gòu)緊湊，應(yīng)按照以下規(guī)則進行裝配關(guān)系設(shè)計：

    (1) 按缺省裝配、坐標系對齊裝配、正裝配(指三對裝配面均對齊)和反裝配(指兩對裝配面匹配、一對裝配面對齊)順序依次選用裝配類型；

    (2) 裝配特征優(yōu)先參考骨架；

    (3) 根據(jù)零部件(在斜軸側(cè)視角下)獨立顯示時結(jié)構(gòu)側(cè)可見的原則確定與上級裝配體的正反裝配關(guān)系。

    3.1.3 鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品三維框架模型設(shè)計

    產(chǎn)品框架模型的方案設(shè)計完成后，可進行框架模型的三維設(shè)計，通常相對完整的框架設(shè)計依次可分為以下兩個主要流程：

    (1) 架構(gòu)產(chǎn)品頂級裝配，依次包括創(chuàng)建產(chǎn)品總裝配體、創(chuàng)建并編輯產(chǎn)品的縱、橫向總骨架、創(chuàng)建并裝配產(chǎn)品的各分/節(jié)段裝配件；

    (2) 對各分/節(jié)段進行框架設(shè)計，依次包括在分/節(jié)段下創(chuàng)建并編輯分/節(jié)段骨架、創(chuàng)建并裝配各橫縱向單元件以及在各單元件下創(chuàng)建并編輯相應(yīng)骨架。

    對于復雜產(chǎn)品，在保證對產(chǎn)品有效控制力度的前提下，可對分/節(jié)段以下框架設(shè)計任務(wù)進行并行設(shè)計分工，以縮短設(shè)計周期并有助于設(shè)計人員平穩(wěn)進入設(shè)計角色。

    3.2 大型鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品三維實體模型構(gòu)造

    根據(jù)大型鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品零件特征簡單而裝配結(jié)構(gòu)關(guān)系復雜的特點，分/節(jié)段三維實體建模應(yīng)遵循以下規(guī)則：

    (1) 缺省裝配和骨架參照優(yōu)先：即對新創(chuàng)建的零部件盡可能采用缺省裝配，以降低裝配難度；零件的實體特征設(shè)計及裝配盡可能參照骨架，以保證骨架對模型自頂向下的有效控制。

某橋的三維模型

    (2) 零件實體特征的生成以拉伸為主、挖補為輔：即對于矩形板或型材，通常根據(jù)橫截面特征拉伸生成實體；而對于異形板，通常先按基本外形輪廓沿板厚方向拉伸成實體，再通過局部挖補得到異形實體特征。

    在以上建模規(guī)則下，分/節(jié)段的三維實體建?？砂匆韵铝鞒踢M行：

    (1) 創(chuàng)建并用缺省裝配關(guān)系裝配首次出現(xiàn)的單元件；

    (2) 完成各單元件下零部件的創(chuàng)建裝配及特征建模；

    (3) 引入并裝配重復出現(xiàn)的單元件和通用件；

    (4) 完成分/節(jié)段散件的創(chuàng)建、裝配及特征建模；

    (5) 填寫分/節(jié)段三維模型的材質(zhì)、規(guī)格及工藝路線等工藝信息；

    (6) 對三維模型進行完整性和正確性檢查及模型完善；

    3.3 大型鋼結(jié)構(gòu)三維設(shè)計的圖表生成

    根據(jù)大型鋼結(jié)構(gòu)由零件→單元件→分/節(jié)段的制造模式，設(shè)計人員需依次提供下料、裝配制作施工圖。

    3.3.1 完善零件圖的出圖流程

    目前下料施工圖主要由自主開發(fā)的套料軟件通過套料設(shè)計生成，PRO/E軟件主要通過零件分離向套料軟件提供帶有工藝信息和標識的零件平面圖，零件分離主要包括三個流程：

    (1) 零件后處理：按產(chǎn)品裝焊工藝要求，對零件邊緣加放余量、補償量等工藝信息，得到零件的下料輪廓；

    (2) 生成零件平面視圖；

    (3) 完善零件圖：在零件二維平面圖上增加坡口、關(guān)鍵尺寸等標識信息。

    3.3.2 制作施工圖的出圖流程及主要技術(shù)方案

    目前制作施工圖均采用規(guī)定形式，以下列以單元件圖冊的出圖流程：

    (1) 創(chuàng)建圖冊文件并添加各單元件三維模型作為對象關(guān)聯(lián)；

    (2) 生成各單元件視圖；

    (3) 完善單元件圖面信息，包括創(chuàng)建球標、畫輔助線、出示意圖、標注尺寸、符號和插入注釋等。

    前一頁單元件圖完成后，后續(xù)單元件出圖可按照(2)→(3)步驟依次進行。

    分/節(jié)段制作圖的出圖特點主要在于關(guān)聯(lián)對象為分/節(jié)段三維模型，有專門配套表內(nèi)頁，且三維模型與圖冊頁面呈一對多關(guān)系。

    在用PRO/E出單元件和分/節(jié)段總成圖過程中，針對常見技術(shù)問題提出以下解決方案：

    (1) 復雜視角和剖面的定義：通過在三維建模環(huán)境下分別通過重定向視圖工具和視圖管理器中實現(xiàn)，當視角方向與剖面垂直時，可在同一視圖中配合使用；

    (2) 視圖輔助信息的生成：首先在繪圖環(huán)境下根據(jù)BOM表球標，實現(xiàn)了視圖中各零部件的快速自動關(guān)聯(lián)標識，其次通過線草繪或偏置視圖邊界獲得視圖的輔助線信息，解決了輔助尺寸的標注問題，再者通過建立標準符號庫解決了焊縫等符號的標識問題；

    (3) 示意圖的生成：由于示意圖通常包含工藝信息，在理論三維模型中體現(xiàn)代價很大甚至無法體現(xiàn)，為此提出兩種解決方案：第一，三維模型關(guān)聯(lián)生成法，即先根據(jù)示意圖的特征建立相應(yīng)三維模型，然后將三維模型關(guān)聯(lián)到繪圖中，生成相應(yīng)視圖；第二，圖元繪制法，即在繪圖環(huán)境下通過線草繪等功能獲取示意圖圖元信息。

    四、系統(tǒng)集成環(huán)境下的大型鋼結(jié)構(gòu)三維設(shè)計

    在與傳統(tǒng)大型鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)設(shè)計的結(jié)合應(yīng)用過程中，PRO/E作為設(shè)計軟件，主要提供更先進的設(shè)計平臺和產(chǎn)生更好的信息載體，而三維設(shè)計價值的充分體現(xiàn)還有賴于整個設(shè)計管理體系的架構(gòu)。鑒于此，采取了先將PRO/E軟件與數(shù)據(jù)管理軟件集成，然后以數(shù)據(jù)管理軟件為信息管理中樞，實現(xiàn)三維設(shè)計信息對套料軟件等系統(tǒng)軟件有效控制的總體集成方案。通過系統(tǒng)集成，大型鋼結(jié)構(gòu)三維設(shè)計尤其在組織工作模式和套料管理方面產(chǎn)生了積極影響。

    4.1 大型鋼結(jié)構(gòu)三維設(shè)計組織工作模式的改善

    在僅有PRO/E軟件的環(huán)境下，大型鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的三維設(shè)計主要采用文件共享的工作模式。即在共享工程項目文件夾中建立框架模型總裝配體、各分/節(jié)段和通用件子文件夾，各團隊成員然后在共享文件夾上進行相應(yīng)分/節(jié)段的三維設(shè)計。

    而在系統(tǒng)集成的環(huán)境下，團隊三維設(shè)計主要采取本機建模與定期入庫相結(jié)合的方式。即先將產(chǎn)品的框架模型入庫到數(shù)據(jù)庫，再通過數(shù)據(jù)管理軟件將分/節(jié)段設(shè)計任務(wù)分給設(shè)計人員，設(shè)計人員通過身份驗證訪問數(shù)據(jù)庫，找到相應(yīng)設(shè)計任務(wù)并提取相應(yīng)的框架模型到本機，便可在本機進行三維建模，待建模到一定階段再將設(shè)計數(shù)據(jù)送回數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)更新。這種系統(tǒng)集成的三維設(shè)計工作模式更有助于提高團隊三維設(shè)計整體效率和數(shù)據(jù)管理控制力度。

    4.2 大型鋼結(jié)構(gòu)套料管理模式的改進

    在系統(tǒng)集成前，PRO/E軟件主要向套料軟件提供完善零件圖，套料設(shè)計的管理主要通過經(jīng)驗控制；而在實現(xiàn)了系統(tǒng)集成后，由PRO/E軟件產(chǎn)生的三維設(shè)計信息作為信息載體的作用在套料設(shè)計環(huán)節(jié)得到了充分的發(fā)揮。通過管理軟件的數(shù)據(jù)處理，套料任務(wù)的創(chuàng)建、套料零件清單的編輯以及套料零件裝焊去向的記錄均可在產(chǎn)品三維模型的模型樹上進行，而套料任務(wù)中零件的篩選也可嚴格按照產(chǎn)品三維模型中定義的材質(zhì)、板厚等工藝參數(shù)進行，從而實現(xiàn)了三維設(shè)計信息對套料設(shè)計的準確管理控制。

    五、結(jié)語

    通過PRO/E軟件與大型鋼結(jié)構(gòu)三維設(shè)計的結(jié)合應(yīng)用，傳統(tǒng)大型鋼結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)設(shè)計在設(shè)計思路、技術(shù)含量以及組織工作模式等方面上都有明顯提升。隨著應(yīng)用的不斷深入，PRO/E軟件的技術(shù)潛力和集成優(yōu)勢將得到不斷的挖掘和顯現(xiàn)，三維設(shè)計流程將得到進一步優(yōu)化，三維設(shè)計的技術(shù)含量將得到進一步提高，三維設(shè)計信息的使用價值將得到不斷提升，傳統(tǒng)大型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計制造的精益程度、集約程度及經(jīng)濟效益也將得到明顯提高。與此同時，設(shè)計管理人員應(yīng)注重不斷增強軟件應(yīng)用能力、自主創(chuàng)新能力、組織管理和協(xié)調(diào)工作能力，以充分發(fā)揮大型鋼結(jié)構(gòu)三維設(shè)計的團隊并行協(xié)作優(yōu)勢。