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MasterShip软件在船体生产设计中的运用


MasterShip 软件在船体技术设计和生产设计中运用 软件在船体技术设计和 技术设计和生产设计中运用
雷林 重庆交通应用技术学院

摘要
当前的造船业的一代崭新生产模式特征之一是设计制造一体化[1]。 AutoCAD 作为 CAD 通用平台在设计行业包括船舶设计行业中是一个十分广大的平台,基于 AutoCAD 的荷兰 MasterShi

p 船体技术设计/生产设计软件是对于 AutoCAD 用户而言的,可以将前期设计、技 术设计以及最终的生产设计完全连贯起来的 3D 专业软件,基于中国比较独特的生产工艺, MasterShip 公司开发的诸多国产化的功能能够满足国内船厂和设计公司的需要。 本文介绍了 MasterShip 软件的特点以及其在船体技术设计和生产设计中的运用与开发, 并结合作者的一 个二次开发介绍了参数化模板的设计方法。

关键词: 关键词:MasterShip,AutoCAD,生产设计,3D 技术,船舶计算机辅助设计和计算机辅助
制造

The implementation of MasterShip software to the construction detail design and work preparation stage for shipbuilders
Lei lin Chongqing College of Transportation Implementation Technology

Abstract
To combine the ship design and ship manufacturing as integration is one of the features for modern shipbuilding industry [1] .AutoCAD software is regarded as one of the most powerful and dominant general software platforms for many CAD engineers including the shipbuilding designers. MasterShip software, which is from MasterShip B.V. Netherlands, is powerful and professional 3D software integrated inside AutoCAD which can link up with the initial design, construction detail design and work preparation stage. MasterShip company developed some typical Chinese shipbuilding functions in order to meet the requirement of some Chinese shipyard’s manufacturing techniques. This paper introduces the feature of MasterShip software and gives practical explanation of implementation and secondary development of MasterShip software.

Keywords: MasterShip, AutoCAD, work preparation, 3D technology, shipbuilding CAD/CAM

1 引言
船舶设计可以划分为初步设计、详细设计、生产设计三个阶段,其中的生产设计是在详 细设计基础上,从船厂施工的角度出发,考虑高质量、高效率、短周期、并确保安全地解决 怎样造船与怎样合理组织造船生产的一种设计[2]。近年来随着计算机辅助设计与计算机辅 助制造技术在中国造船行业的大面积推广和使用, CAD/CAM 生产设计工作已经不仅仅是一 些 大型 船厂的 特点 了,很 多的 中小型 船厂以 及设 计公 司也正 在逐渐 引进 先进 的造船 CAD/CAM 设计软件,加强生产设计的能力。

2 软件简介
作为欧洲先进的船舶技术设计/生产设计软件的 MasterShip, 以其基于 AutoCAD 平台的 易学易用、全 3D 可视化操作、高效率的模板化船体技术设计工具、连贯的设计思路、适合 国内生产设计工艺过程的特别开发功能、 以及完善的数据表格管理系统、 开放的数据格式以 及用户自定义的模板定制开发功能, 在进入中国短短一年时间便得到国内船厂和设计公司的 青睐。 和很多国外软件不一样的是,MasterShip 的零件/型材不是通过复杂的 3D 建模的,而是 直接在 2D 图上进行制作的, MasterShip 提供的全自动的 2D 转 3D 的装配只是为了船体背景 能和管系软件配合而引入的,也就是说用户 95%的时间不必要进行 3D 的零件/型材操作, 这样一来既避免了很多 3D 软件 2D 出图成问题的尴尬局面,又让用户在不改变习惯的情况 下大幅度(AutoCAD 用户可以提高将近 300%的效率)提高设计效率,同时对于用户的计 算机的要求也不需要太高。 比起一些国内同类软件,MasterShip 具有外板展开约束少、直接和详细设计关联、全自 动套料效率高、装配管理直观、3D 功能突出等优势;光顺方面的效率基本上和国内软件无 明显差异,但是光顺完毕之后生成的 3D 模型可以直接作为后期工作的基础;国内的同类所 具有的一些独特的适合中国造船习惯的功能,MasterShip 也已经具有相应的功能模块。 另外,MasterShip 支持一个强大的功能,就是用户可以直接调用 AutoCAD 格式的技术 设计图纸, 直接添加生产信息就可以进行后续的套料和切割代码的生成了。 这一点对于原来 以技术设计为重点的设计公司而言, 无疑带来了巨大的效率提升。 正是有了这些独特的有点, MasterShip 软件正在成为广大 AutoCAD 用户类船厂和设计公司的首选专用船舶技术设计/ 生产设计软件。

3 软件模块以及工作流程 软件模块以及工作流程 模块
MasterShip 软件是一款完全基于 AutoCAD 平台的,以开放式数据库为数据核心的,3D

可视化船体技术设计/生产设计专业软件。软件分为三大模块:船体外型生成模块、船体结 构零件模块以及数控切割代码生成模块。

图 1 MasterShip 软件的工作流程

图 1 是 MasterShip 软件的工作流程图, MasterShip 软件不涉及初始设计, 只关注技术设 计和生产设计阶段,主要应用在生产设计。首先,用户通过 MasterShip 提供的专用工具直 接输入初始设计的结果-型值表,直接引用 2D 型线图或者 3D 初光顺模型。这里面 MasterShip 软件可以直接读取诸如国内的沪东船厂软件光顺的型线图, Spline 将 (样条曲线) 直接通过工具转化为 Polyline 多段线) 通过 2D-3D 的建模工具生成 3D 模型。 ( 后, MasterShip 的建模和光顺具有很强的通用性,并不受船体特殊类别或者特殊部位的局限;同时,由于所 有的可控点都是在曲面表面上的, 而不是在表面之外, 因此光顺可以达到生产精光顺的要求。 基于这个 3D 模型,用户可以采用 1)直接在 3D 上绘制;2)从全船 2D 展开图上通过回 卷/展开命令在 3D 模型上定位;3)投影这三种方法来绘制板缝线和结构线。与此同时,强大 的装配管理器允许用户直接通过参数输入的形式完成等距/不等距的肋骨间距、旁纵桁/中纵 桁、主甲板/内底板等关键位置的定义,并且直接生成这些关键线条的 3D 图,同时还会在项 目的目录里面自动生成 dwg 文件和对应的文件夹, 比如会自动根据 3D 模型和肋骨间距计算 出肋位 1,肋位 2,肋位 3……等肋骨横剖面的 dwg 图。这些 2D 的肋骨横剖面图便是进行 分段生产设计的基础, 在用户完成分段生产设计之后, 装配管理器可以自动将所有的分段结 构组装为 3D 形式。 同时,用户可以直接在 3D 上进行外板零件展开,MasterShip 为国内的用户特别开发了 水火弯板所采用的外板展开形式, 并且支持对于复杂的首部、 尾部的展来和非四边形的展开。 MasterShip 软件提供强大的模板库,通过这些模板库用户可以快速生成肋骨、肘板、折 边肘板、肋板、型材穿孔、焊孔、减轻孔等常用的结构形式,MasterShip 提供超过 50 种结

构模板,见图 4。甚至用户可以定制项目大模板,一个大模板包含一个典型横剖面的所有信 息,所谓“磨刀不误砍柴工” ,用户可以在定制了大模板之后,快速生成所有适合不同的肋 位的结构。MasterShip 的模板库,特别是大模板是在 AutoCAD 环境下实现半自动的拓补结 构的一个解决方案。 当船体的外形发生改变的时候, 或者下次用户需要稍微对于母型船进行 一个变换的时候,就可以调用上次项目的模板,直接快速重新生成所有的结构。

图 2 “参数化结构零件生成模板”肋骨模板库 图 3 全自动套料(多块板同时全自动套料)

基于 3D 模型和板缝线、结构线的划分,用户可以在分段的基础上生成胎架信息,根据 国内用户的需求,MasterShip 专门开发了二次划线表格生成工具,并且提供了活络样板/标 准样板数据/图形生成工具。 创建零件是 MasterShip 极有优势和特色的一块, MasterShip 可以调用采用 “参数化结构 零件生成模板”所生成的船体结构,或者直接调用纯粹使用 AutoCAD 来绘制的技术设计的 图纸,在上面添加需要的诸如焊孔、标注线、余量等生产信息,就可以采用 MasterShip 软 件强大的零件定义功能直接从 dwg 图上提取零件的外轮廓、内轮廓和标注线(喷粉线) ,然 后从项目定义的数据库里面搜寻并赋予零件的编号(用户可以自行定义编码形式) 、材料、 数量、镜像数量、分段号等信息。然后可以采用零件转 3D 实体的工具直接将该零件转化为 3D 实体,供全自动 3D 装配用。 MasterShip 的套料分为全自动和半自动套料。 强大的全自动套料功能甚至允许用户一次 创建多块板 (比如 20 块板) 然后一次性将需要套料的、 , 满足搜索条件的零件全部搜索出来, 程序将会自动识别这些零件和板,然后根据预设的精度进行全自动套料,见图 3。如果零件 全部被套完板还有剩余, 则对于最后一块被套的板软件会提示用户采用 “从左到右” “从 或者 右到左”的方法进行套料,以使得这块板的另一部分可以完整保留作为下次调用的“余料” 来利用;相反,如果零件的数量多到所有的板都被套完还不够的话,则多余的零件会被放在 一遍, 此时用户可以创建更多的板进行套料。 MasterShip 的半自动套料提供自动碰靠、 桥接、 多组分套等实用的功能。 最终 MasterShip 依靠选择适合不同的切割机的切割模板来生成数控切割代码,用户可

以直接将切割机的型号发送至 MasterShip 技术开发中心,或者发送一个该切割机的示例切 割代码, MasterShip 的技术开发中心会在几个小时以内帮用户定制出适合该切割机的切割模 板。 MasterShip 基于数据库后台可以生成生产所需的各种表格,包括零件清单、型材清单、 托盘信息等等;值得一提的是,通过专门的数据管理界面,用户甚至可以直接得到全船或者 分段的重心统计结果。

4 软件的开发
MasterShip 软件本身是基于 AutoCAD 的 ObjectARX 开发的,后台数据库是开放的 msd 文件,因此用户可以自行对其进行功能上的添加和再开发,特别是类似于套用图标、生产信 息表、零件/型材编码系统等和用户的实际项目连接比较紧密的内容,用户可以在得到 MasterShip 技术支持和帮助的前提下,自行修改或者添加。 MasterShip 很有特色的“参数化结构零件生成模板” ,是采用 MasterShip 专门的开发语 言进行开发的,这种开发语言是 VBA 和 C 语言的混合体,因此稍有编程经验的人就可以在 自学 MasterShip“参数化结构零件生成模板”的参考手册的基础上,结合本厂或者本设计公 司的需求对于经常使用船型定制一些典型横剖面的大模板, 以便今后再次承接类似项目的时 候可以很快调用这些大模板,生成船体结构。 MasterShip 公司结合中国船厂工艺特色专门开发了以下几个功能: 1、 胎架的二次划线表格生成功能。MasterShip 的胎架直接在 3D 空间优化生成, 然后便可以自动生成供船厂定位胎架和作二次划线的各个表格。其表格的设计 结构和包含内容与国内用户以往的习惯完全相同。见图 6。

图 6 胎架表格

图 7 逆直线法型材展开自动图框和表格

2、

逆直线法以及相应的表格。逆直线法是国内船厂使用很多的用以加工型材的一 种方法,在加工的时候反映逆直线展开之后的数据的表格是必不可少的, MasterShip 参考了国内船厂的需求信息,定制了生成表格的功能,而且自动套 用图框,方便管理。

3、

活络样板的表格生成。国内有部分船厂采用活络样板的方法来制作样板用以检 查外板的加工情况,为此 MasterShip 在其原有的三角样板功能的基础上,添加

了活络样板生成的附加功能,用户直接生成活络样板表格。见图 8。

图 8 活络样板数据表格 4、

图 9 外板标注线“边缘小槽口”功能

外板标注线“边缘小槽口”功能。由于国内有很多船厂并没有采用喷粉的方法, 因此在定位标注线的时候,必须在外板的边缘含有标注线的地方加上一个比较 小的槽口,该槽口的尖角处就是标注线的端点位置所在。针对这一需求,本文 作者专门在“参数化结构零件生成模板”里面添加了这一功能,见图 9。本文 第 5 部分将会着重介绍此开发的过程。

5、

水尺展开的中文适应。通用的水尺展开功能不但可以将数字、英文、符号制作 成水尺展开,同样可以将中文制作成水尺展开。

6、

基于水火弯板的外板展开功能。国外的外板是采用滚压的方法进行加工的,由 于水火弯板的加工方法和滚压的方法在对于加工前外板的边缘尺寸的要求正好 相反(水火弯板要求加工前边缘要比实际围长长,而滚压要求加工前边缘要比 实际围长短) ,因此 MasterShip 专门开发了一套供水火弯板的外板展开方法。

5 参数化模板编程 5.1 参数化模板(Parametrics)的用途
在 Mastership 软件中,出于以下目的,设置了参数化模板: 第一, 在绘制船舶工程图纸时,有大量的绘图工作是重复的。而且因为这些重复的工作单 调,所以也容易犯错误。为了避免这种情况的发生,提高工作效率,减轻劳动强度, 需要提供一种二次开发的编程环境,这样可以根据用户不同的需求,编写不同的代 码; 第二, Mastership 是建立在 AutoCAD POLYLINE 基础上的,因此,采用 Mastership 环境 下的开发工具,将更有益于和软件中其他功能相协调; 第三, 参数化模板正是这样一种开发工具。有经验的程序员,可以通过它,为用户开发不 同的模板。这种模板,类似于宏。这样,即使最终用户不懂得如何编程,也能够享 受参数化模板带来的便利。

5.2 参数化模板的特点
目前,在 AutoCAD 中,存在 AutoLisp, AutoVBA, Object ARX 三种二次开发工具。和它 们相比,Mastership 提供的参数化模板具有自己的特色和优势。

第一, 参数化模板的语法,类似于 C 语言。因为 C 语言在国内拥有大量的用户,所以参数 化模板很容易上手; 第二, 参数化模板根据 AutoCAD 的使用特点, 提供了一个快捷的开发方式。 如用户界面和 窗口能够非常容易的通过设置几个变量值完成。相对于其它开发工具,这无疑将大 大减轻设计的工作量; 第三, 与其它开发工具相比,参数化模板具有一个精简而使用的函数库。很多函数是其它 开发工具所没有的。比如参数化模板中提供的 walk (point p1, point p2, entity e, real dist)函数,可以根据实体的实际曲率,截取 AutoCAD 中的实体所需的一段。这个是 相当有用的一个函数。

5.3 参数化模板的组织结构
参数化模板有自己特有的组织结构,结构图如图 10:

图 10 Parametrcis 参数化模板组织结构图 如图所示,参数化模板包括多种文件格式。不同文件格式的内容和含义介绍如下: PLB 文件包含整个参数化模板的组织。你可以通过定义组来定义你自己模板的组织结 构。在 Parametrics 安装目录下包含有 PARA.PLB 文件和 PROJECT.PLB 文件。前者包含了 所有标准的参数化模板的声明,后者包含有用户自己开发的模板的声明。在 PLB 文件中声 明的模板,将有对应的 FLB 文件说明。FLB 文件是一个文本文件,它连接 PLB 文件和具体

的执行代码。 用户界面 (菜单) 也是这个文件中描述。 PEX 文件是通过 Parametrics 编译 PAR 文件后得到的二进制文件。参数化模板提供名为 PARALEX 的编译工具。PAR 文件必须编 译后才能执行。PAR 文件是整个参数化模板的核心。它包含有主要的程序代码和你的模板 运行所需要的函数。关于 AutoCAD 实体的计算、选取等工作,也是在这里实现的。PAR 文 件是文本文件,可以用任何文本编辑器编辑。SLD 文件是 AutoCAD 中幻灯片文件,可以显 示在提示窗口中,用以提示用户选择适当的参数化模板。

5.4 使用参数化模板语言用户自行开发模板的一个实例
在国内的船舶设计中, 由于部分船厂不使用喷粉画线功能, 因此需要在外板展开上喷粉 线和边缘线的交点处开坡口,以方便人工画线。为了实现这个功能,可以使用 Mastership 的参数化模板语言进行开发,创建该功能模板: 首先在 TOOL.PLB 中,声明了名为 NOTCH 的功能,代码如下: function Notches notch notches 接着在相应的 FLB 文件中,定义用户输入的窗口,以及输入的参数,代码如下: function notches read notches open_window notchdim push iNotchShape choose Locked Notch_shape<Triangle/Round> push rNotchDepth remember_real Locked Depth push rNotchWidth remember_real Locked Width remember_layer Layer * close_window push sMarkings select_set Select_Markings highlight init_set start_set push sOuter select_set Select_Outlines highlight end_set start CreateNotch color 256 export

erase_set redraw 其中,choose 语句表示需要在 Triangle 和 Round 中选择,而 remember 语句表示需要输 入一个参数。 最后在 PAR 文件中,编写开口的语句,代码如下: set function notch(entity base,entity kromme, point si, real br,real de) { set s,ints; point p,lwf1,lwf2,cen,p1,p2,tmpx,tmpy,tmp; entity c,a1,a2,res1,res2,l,tmpline,res3; int iNum; constraint(br<=0,"no_zero_values_allowed"); constraint(de<=0,"no_zero_values_allowed"); s = create_set(); ints=intersect(base,kromme); if ((ints.n<>1) and (ints.n<>2)) then s=create_set(base,ints); else if (ints.n==1) then p=ints[0]; else if (distance(si,ints[0])<distance(si,ints[1]) or (ints.n<2)) then p=ints[0]; else p=ints[1]; fi; fi; l=perp_from(base,p); c=circle(p,de); ints=intersect(c,l); lwf1=ints[0]; lwf2=ints[1]; if (distance(si,lwf1)<distance(si,lwf2)) then cen=lwf1; else cen=lwf2; fi; tmpline=perp_from(l,cen); c=circle(cen,de); ints=intersect(c,l); tmpx=ints[0];

c=circle(cen,br/2); ints=intersect(c,tmpline); tmpy=ints[0]; de=distance(tmpx,tmpy); c=circle(cen,de); ints=intersect(c,base); a1= line(ints[0],cen); a2= line(ints[1],cen); if (distance(base.bp,ints[0],base)<distance(base.bp,ints[1],base)) then res1=from base.bp to ints[0] by base; res2=from ints[1] to base.ep by base; else res1=from base.bp to ints[1] by base; res2=from ints[0] to base.ep by base; fi;

iNum=intersections(a1,kromme); if (iNum==1) then tmp=intersect(a1,kromme,nul); else tmp=intersect(a2,kromme,nul); fi; if (distance(a1.bp,kromme.bp)<distance(a1.bp,kromme.ep)) then res3=from kromme.ep to tmp by kromme; else res3=from kromme.bp to tmp by kromme; fi; add_to_set(s,res1); add_to_set(s,a1); add_to_set(s,a2); add_to_set(s,res2); add_to_set(s,res3); fi; return s; }; main()

{ set s; s=create_set(); return s; } 编译成 PAX 文件后,这个模板就可以运行了。用户可以直接在外板展开图上面根据提 示点取边缘和喷粉线,然后程序就会自动开出根据设定值生成的小槽口。

6 与其他软件的接口
MasterShip 软件由于是基于 AutoCAD 的,因此只要是支持 AutoCAD 的软件都可以与 MasterShip 生成接口。 在此特别值得一提的是, MasterShip 与国内的 611 所的管系软件 SB3DS 形成了 AutoCAD 下的船机电总体方案, MasterShip 的船体背景可以直接被 SB3DS 调用, 并 且可以进行管船干涉和穿孔自动生成。图 10 为 MasterShip 背景下的 SB3DS 管系图。

图 10 MasterShip 背景下的 SB3DS 管系图

7 总结
MasterShip 软件易学易用,在进入中国的短短一年以内已经有 8 家用户。其强大的 3D 可视化操作、高效率的模板、及时到位的客户化功能开发以及最为关键的基于 AutoCAD 的 操作优势,使得 MasterShip 迅速得到了用户的青睐。

8 参考文献
[1] 蔡薇,船舶工业设计/生产一体化在我国的发展趋势,武汉造船 1999 年第 2 期,p3 [2] 任福炜 罗广基,造船生产设计的探索和实践,广州造船 1994 年第 1 期,p1


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