基于Teamcenter和UG的炼钢高炉设计研究与应用

1基于Teamcenter和UG的炼钢高炉设计研究与应用针对复杂实体建模中模型文件数据管理混乱和实体建模装配设计效率低问题，在集成UG的Teamcenter环境下，使用一种自顶向下的装配设计方式，充分利用各个零部件尺寸和相对空间位置，对炼钢高炉进行数字化建模，实现了高炉模型文件数据的有效管理和协同设计，缩短了高炉设计时间，为实体建模和协同数据管理提供了一种思路。0引言工业仿真对企业提高生产过程控制能力，加强数据采集、分析、处理和减少决策失误，降低成本起到重要作用。目前工业仿真技术的发展已不仅局限于简单的示意图、二维图方式的表达，而且还要实现对整个工业生产过程的三维可视化仿真。所建的高炉建模即用于高炉炼钢过程仿真。当产品的零部件规模较大、装配关系复杂、需要组织团队协同进行设计时，往往使用单一的三维设计软件平台难以实现。对复杂模型的建立，基于单一平台设计参数化程度不高，协同设计能力差，最终模型装配体靠零部件简单拼装而成，零部件数据管理混乱，数据传输安全性不高，导致设计效率低、开发时间过长。针对这些问题，在高炉建模过程中，采用Teamcenter对模型数据文件管理，设置高炉版本配置原则，解决了文件管理混乱和零部件版本过多难以得到理想的高炉版本的问题，在Teamcenter环境下集成UG进行协同设计建模，从而实现协同设计，缩短产品开发周期。1高炉设计规划分析Teamcenter2007是SiemensPLMSoftware最新推出的一套完整的纯Web体系结构的产品生命周期管理解决方案软件，通过提供单一的产品和过程知识源以及即时协同，为企业提供更高的团队合作和产品开发效率，而且能与强大的CAD产品UGNX实行完全集成，实现PDM中设计BOM(BillofMaterial)和UGNX中装配结构树的完全关联，以及模型的三维可视化显示。在Teamcenter2007中，产品(产品、部件、子部件、零件)与文档(如任务书、设计报告、技术条件等)不直接发生联系，而是通过文件夹(Folder)，产品对象(Item)，文件(如Word，Text)等作为连接产品和文档的桥梁，通过在导航器中对文件夹，产品对象，文件的管理实现对产品数据的管理，所以产品数据组织是一项很重要的事情。产品数据组织应考虑以下内容：1）产品文件夹需要定义几层，每一层放什么对象；2）产品各个对象下面都应包括什么子对象；3）每一个对象下应该包括什么数据集及其类型；4）每一个节点由哪一类角色的人负责创建、维护；5）每一级节点的权限。产品数据组织一般由项目负责人创建产品根节点和第一级子节点，然后将相应的节点授权并分发给下一级负责人，下一级负责人再创建下一级子节点，再授权分发给下一级负责人，以此类推，直到完成整个产品数据组织框架的建立，最后由设计人员把设计好图形(如CAD图，三维模型)和相应文档上传到Teamcenter系统完成产品设计，形成产品结构树，如图1所示。2图1产品结构树所建高炉模型按功能和建模方便划分主要包括炉体、下端支架、上端围栏、下料系统、梯子、煤气释放机构、热风系统、运料系统和鱼雷罐车。其中以炉体为基准，其他部件如下端支架、上端围栏、下料系统、梯子、煤气释放机构、热风系统、运料系统和鱼雷罐车以炉体为参考分别建模，而煤气释放机构则以热风系统为参考建模。所以炉体应该首先建模，但不需要完全建好后再上传至Teamcenter发布，只需设计好炉体的总体布局基准坐标和高炉其他子部件相关基准坐标和基准面，其中基准面位置通过设置全局参数来控制，之后即可上传并发布供其他设计人员参考建模。由于其他子部件都以炉体为参考，当炉体基准坐标和全局参数改变时，其他子部件会自动更新，避免修改时重复设计浪费大量时间。在高炉设计过程中，首先在Teamcenter2007系统中的创建一个总的高炉文件夹(gaolu)；其次在该文件夹下创建一个高炉总装配图的产品对象Item(000045-gaolu)；然后，在高炉文件(gaolu)下分别创建炉体、下端支架、上端围栏、下料系统、梯子、煤气释放机构、热风系统、运料系统和鱼雷罐车各个部件产品对象文件夹，如图2所示；最后，将设计任务通过Teamcenter系统的计划模块和邮箱功能分配给相应的设计人员。相应权限采用基于规则设置。图2高炉数据组织结构树2高炉实体建模与设计方式分析3设计人员在收到分配的设计任务后，开始在集成于Teamcenter2007的UGNX6.0建模。由于子部件较复杂，包含多个零部件，这涉及到在UG里如何建模和装配问题。通常虚拟装配设计有自底向上（Bottom-up）设计和自顶向下（Top-down）设计两种。2.1不同装配设计方法比较分析自底向上(Bottom-up)设计是指设计人员先对单个零部件设计好，然后依据一定的装配关系把所有设计好的零部件装配起来形成总装配体文件。这种装配建模方式需要设计人员分别对各个零部件给定配合约束关系，逐一装配起来。这种装配设计不仅费时费力，在零部件配合较多时，也容易出现约束不当或约束出错的情况，并且这种装配方式不能利用各个零部件的尺寸和相对空间位置，在装配中才能发现零件设计合理与否，若有问题，则需要对零件重新设计，从而重新装配。自顶向下（Top-down）设计是指在装配环境中创建与其它部件相关的部件模型，是在装配部件的顶级向下产生子装配和零件的装配设计方法。它有两种方式：第一种，先在装配体文件中把所有几何模型建立好，然后逐一创建新组建，在创建新组建的过程中将相应的几何模型链接进去（如图3所示），这种方式可以直接利用各个零部件的几何尺寸和相对空间位置，在保存后会生成各个零部件的文件，而装配体当初的几何建模过程数据会丢失；第二种，首先在没有几何模型的空装配体中建立新组件，此时各个组件中没有几何对象，然后使一个组件成为工作部件并在该组件中建立几何对象，依次使其余组件也成为工作部件并建立几何对象，最后手动把它们装配起来，这种方式可以边设计边装配，不过比较麻烦，同时也不能利用其他零部件的几何尺寸和相对空间建模。图3第一种自顶向下装配方式，0021由零件文件变为装配体文件2.2对自顶向下（Top-down）设计另一种方式的提出前面提到的两种自顶向下（Top-down）设计方式，第二种方式需要手动装配各个零部件，且不能直接利用各个零部件的几何尺寸和相对位置关系，使用起来不是很方便；第一种它可以直接利用各个零部件的几何尺寸和相对空间位置，但当把几何对象连接到新组件后，如果要增加新零部件，只能向第二种方式那样做。由于高炉建模复杂，并且要经常修改以满足要求，所以在高炉建模过程中使用另一种自顶向下（Top-down）设计方式：41）创建高炉子部件母文件，并进行层规划，把不同的零件规划在不同的层里；2）对子部件在母文件里完全建模，不同的零件放在规划好的层里；3）分别新建不同的零件文件，利用复制—粘贴命令把不同层的零件几何对象复制—粘贴到不同的新建的零件文件里；4）保存各个零件文件，这样便得到一系列子部件的零件文件，且它们的几何对象的相对空间位置已确定，把它们装配起来时，只需要按绝对关系装配即可；5）把各个零件文件的几何对象按绝对关系装配起来，得到高炉的一个子部件装配体，如图4所示。图4一种新的自顶向下（Top-down）设计方式流程这种自顶向下（Top-down）设计方式由于先在一个母文件里对子部件进行完全建模，可以充分利用零部件之间的几何尺寸和相对空间位置，当要修改零件文件的几何对象时，可以直接在零件文件里修改，也可以在母文件里修改，再利用复制—粘贴命令把零件文件的几何对象完全覆盖即可。由于同一个零件的几何对象都放在同一个层里，可以通过使其他层不可见，这样选择零件几何对象复制起来非常容易。这种自顶向下（Top-down）设计方式需要设计人员预先规划好层的使用；其次在零5件建模的过程中，不要直接使用其他零件的面作为基准，而应以零件的面为参考先建立坐标系作或基准面为基准，不然复制—粘贴的时候会附带上其他零件的几何对象；再次，复制—粘贴是对零件的实体几何对象操作，不然系统会要求给出放置位置，造成不必要的操作。3UG与Teamcenter接口分析与数据传输处理各个设计人员负责的高炉子部件都以炉体为参考建模，它们之间的相对位置已确定，把它们上传到Teamcenter2007系统中，并放到高炉总装配图的产品对象Item（000045-gaolu）下，则得到高炉的完整装配图。UG数据上传到Teamcenter2007系统中通常由两种方法。第一种，事先没有建立好模型的，先在Teamcenter2007系统中建立产品对象Item（如00001），然后在UGNX6.0中打开产品对象（如00001）并在其中建立几何对象，最后保存；第二种，事先已经建立好模型的，先在Teamcener2007建立好要导入放置的文件夹，然后在UG中用File--ImportAssemblyintoTeamcenter方式导入，如图5所示，这种方式既可以导入单个零件文件，也可以一次性导入装配体文件及其零部件文件。高炉模型各子部件文件的导入用第二种导入方法，命名以继承UGNX的原文件名方式命名。图5UG文件导入界面为了实现上传到Teamcenter2007的UG文件的三维可视化显示，需要对文件在UG中重新打开，并设置保存方式重新保存，其中保存方式为在保存选项（SaveOptions）选上SaveJTData、SaveDrawingCGMData和SaveDataForFastRollbackandEdit。高炉各个子部件（中间版本）上传到Teamcenter2007系统中并可视化保存后高炉的总装配图模型，如图6所示。6图6高炉模型在Teamcenter中的装配结构树和三维可视化显示为降低成本，节约开发时间，高炉各子部件以高炉炉体为参考，各设计人员可以同时设计。同时，设计人员可以把自己设计部分的最新版本随时上传到Teamcenter系统中并发布，这样能在Teamcenter保存各设计阶段版本，并供其他设计人员参考，使设计成功率大大提高，实现协同设计和方便项目管理者掌握项目进度。4仿真模型版本控制和BOM配置在高炉的建模过程中，需要经常修改，这样会产生很多零部件版本；在以后的高炉模型工业仿真的使用和维护过程中，也会根据需要对高炉进行更精益化建模和添加控制功能部件，这也会产生很多零部件版本。当使用不同的零部件版本时，就会得到不同的高炉模型。为了能在众多的零部件版本中，准确地得到所需要的高炉模型，需要对高炉的零部件使用配置规则，以便快速准确地得到高炉的零部件物料清单（BillofMaterial：BOM）。这里设置配置规则为：Working（CurrUser）；AnyStatus，即如果零件有“工作版本”，就使用它；否则使用最新归档状态的版本，如图7所示，从而实现高炉模型自动配置。图7高炉配置规则5结论使用Teamcenter对高炉模型数据文件进行管理，创建了高炉产品结构树并进行高炉产品版本控制，实现了高炉模型的自动配置，在Teamcenter环境下集成UG对高炉进行数字化建模，使用一种自顶向下的装配设计方式，并设置全局基准和全局参数，提高了参数化建模能力，实现了协同7设计，缩短了设计时间。结果表明，在Teamcenter环境下集成UG进行产品设计，更有利于产品的协同设计和数据管理，缩短产品开发周期。