三維可視化工藝在汽輪機(jī)裝配中的應(yīng)用

張國(guó)永，程宇浩，劉 霞

(上海電氣電站設(shè)備有限公司汽輪機(jī)廠，上海 200240)

傳統(tǒng)的工藝文件一般以文字描述和二維工程圖為主，存在空間位置表達(dá)不直觀、容易誤解文字等缺點(diǎn)。隨著人們對(duì)汽輪機(jī)產(chǎn)品性能需求的提高，產(chǎn)品外形、結(jié)構(gòu)愈發(fā)趨向復(fù)雜化、精細(xì)化，相應(yīng)的開發(fā)設(shè)計(jì)過程已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了三維可視化。與此同時(shí)，作為指導(dǎo)一線生產(chǎn)的工藝技術(shù)文件也需要向三維化和可視化發(fā)展。

目前市場(chǎng)上出現(xiàn)了許多可實(shí)現(xiàn)工藝三維化和可視化的商業(yè)軟件，如開目3DCAPP、DELMIA工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)等。應(yīng)小昆等[1]研究開發(fā)了基于DELMIA的三維數(shù)字化裝配集成平臺(tái)軟件系統(tǒng)，以輪式裝甲車輛的動(dòng)力艙吊裝和輪轂裝配過程為例，進(jìn)行了三維工藝設(shè)計(jì)與仿真。張朋真[2]借助DELMIA軟件的人機(jī)工程模塊，基于現(xiàn)有的人機(jī)工程分析工具，實(shí)現(xiàn)了裝配過程的人機(jī)工程仿真，生成了具有可操作性的飛機(jī)部件裝配工藝方案。徐昌飛[3]利用開目3DCAPP對(duì)手動(dòng)齒輪箱裝配工藝進(jìn)行了規(guī)劃，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用了三維動(dòng)態(tài)裝配工藝。雖然UG和Pro/E等三維設(shè)計(jì)軟件也可以制作可視化的裝配動(dòng)畫，用于實(shí)際生產(chǎn)，但對(duì)于零件數(shù)量龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品，就需要設(shè)計(jì)專用軟件，以方便快捷地進(jìn)行可視化工藝規(guī)劃[4-8]。通過上述文獻(xiàn)可知，DELMIA、UG、Pro/E等通用建模軟件的使用場(chǎng)景主要針對(duì)三維靜態(tài)模型繪制，由于其軟件功能定位的限制，若要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜模型的動(dòng)態(tài)三維可視化工藝規(guī)劃，就需要使用配置很高的個(gè)人計(jì)算機(jī)，甚至還需要進(jìn)行二次開發(fā)，技術(shù)難度很高，工作量也很大。開目3DCAPP雖然可以輕松應(yīng)對(duì)零件數(shù)量和數(shù)據(jù)量較小的裝配部件，但對(duì)于零件數(shù)量和數(shù)據(jù)量龐大的汽輪機(jī)裝配件，進(jìn)行動(dòng)態(tài)三維裝配工藝規(guī)劃的難度會(huì)顯著增加。因此有必要尋求一種快速、高效的動(dòng)態(tài)三維裝配工藝規(guī)劃方案。

經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研，本文認(rèn)為Smart3Dviewer可視化裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)可滿足三維可視化工藝開發(fā)的需求，其已應(yīng)用在多個(gè)制造領(lǐng)域中，包括航天器、煙草機(jī)械等。為驗(yàn)證該軟件系統(tǒng)是否適用于汽輪機(jī)產(chǎn)品的三維可視化工藝開發(fā)過程，我們選擇了一種典型結(jié)構(gòu)的汽輪機(jī)，通過Smart3Dviewer可視化裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)機(jī)組的總裝過程進(jìn)行三維可視化工藝開發(fā)。

1 總體方案

本文以一個(gè)復(fù)雜的汽輪機(jī)裝配模型作為對(duì)象，進(jìn)行三維可視化裝配工藝規(guī)劃。該汽輪機(jī)裝配模型用UG NX7.5設(shè)計(jì)，含有約1萬個(gè)主要零件，模型數(shù)據(jù)總量龐大，達(dá)4.82 GB，普通配置的個(gè)人計(jì)算機(jī)和常用軟件難以處理。根據(jù)該汽輪機(jī)裝配模型的特點(diǎn)以及動(dòng)態(tài)三維裝配工藝的要求，選用的設(shè)計(jì)軟件至少應(yīng)具有模型輕量化、重新構(gòu)建裝配物料清單(Bill of Material，BOM)、三維動(dòng)畫編制，以及工藝參數(shù)輸入等4項(xiàng)基本功能。根據(jù)以上需求，本文擬用Smart3DViewer可視化裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行該汽輪機(jī)的三維裝配工藝設(shè)計(jì)。

Smart3DViewer是一套兼容當(dāng)前主流三維設(shè)計(jì)軟件的可視化裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，它由1個(gè)主軟件APDtools和2個(gè)輔助軟件SmartAdapter、SmartViewer組成。其中SmartAdapter是安裝于UG NX的一個(gè)插件，用于裝配模型的輕量化；APDTools用于重新構(gòu)建裝配BOM、三維動(dòng)畫編制以及工藝參數(shù)輸入，也可在工藝中添加數(shù)據(jù)圖表、音頻等其余要素；SmartViewer則用于瀏覽三維裝配工藝，無法對(duì)工藝進(jìn)行編輯，主要應(yīng)用于車間使用場(chǎng)景。

2 三維模型的準(zhǔn)備和輕量化

汽輪機(jī)零部件使用三維設(shè)計(jì)軟件UG進(jìn)行設(shè)計(jì)，并用UG軟件完成模型裝配。由于一臺(tái)汽輪機(jī)由多達(dá)數(shù)千個(gè)甚至上萬個(gè)零件組成，裝配模型占用了大量的計(jì)算機(jī)內(nèi)存和硬盤資源，因此，必須對(duì)各零件進(jìn)行輕量化，才能進(jìn)一步制作三維裝配動(dòng)畫，規(guī)劃后續(xù)的三維可視化裝配工藝。

安裝SmartAdapter后，UG軟件中增加了一個(gè)下拉菜單，可對(duì)模型一鍵輕量化。在UG中安裝了SmartAdapter后新增加的菜單如圖1所示。利用該菜單，將UG里裝配好的汽輪機(jī)模型導(dǎo)出，便生成了擴(kuò)展名為SVF的文件，文件里包含了后續(xù)所需的所有零件信息，輕量化后文件的數(shù)據(jù)大小僅為原始模型的1/20至1/10。對(duì)于含有數(shù)千個(gè)零件的裝配模型，必須采用分批輕量化的方法，在“選項(xiàng)配置”里設(shè)置好輕量化的精度，去掉“導(dǎo)出隱藏模型”勾選框，如圖2所示，然后在UG中將零部件分批隱藏和顯示。使用“導(dǎo)出當(dāng)前模型”則會(huì)把UG中當(dāng)前顯示的零部件導(dǎo)出成為輕量化文件，分批導(dǎo)出后得到若干個(gè)輕量化SVF模型文件。

圖1 UG中安裝SmartAdapter后添加的菜單

圖2 SmartAdapter選項(xiàng)配置

3 重新構(gòu)建裝配BOM

從UG裝配模型里導(dǎo)出的SVF文件保留了UG中的裝配關(guān)系和零件分組，但在后續(xù)的可視化裝配工藝規(guī)劃過程中，可能需要不同的零件分組。為方便后續(xù)工藝規(guī)劃，建議利用APDtools中的零件復(fù)制、粘貼、剪切、插入等操作對(duì)SVF文件中的零件模型進(jìn)行重新分組，構(gòu)建新的裝配BOM。由于UG NX7.5不支持模型文件的中文命名，為了便于閱讀，可在APDtools中直接對(duì)零件名稱進(jìn)行編輯。圖3是汽輪機(jī)內(nèi)缸內(nèi)部葉片和汽封片等零件的裝配BOM。

圖3 汽輪機(jī)內(nèi)缸裝配BOM

對(duì)于多個(gè)SVF文件，可多次使用APDTools的導(dǎo)入功能，逐個(gè)導(dǎo)入SVF文件，組合成為1個(gè)SVF文件。在后續(xù)編輯過程中，如果發(fā)現(xiàn)缺少零件模型或者模型裝配錯(cuò)誤，也可以通過模型編輯功能導(dǎo)入缺失的零件，或者對(duì)原模型中裝配位置錯(cuò)誤的零件進(jìn)行位置編輯。

4 三維裝配動(dòng)畫編制

編制三維裝配動(dòng)畫是APDtools軟件的核心功能，也是可視化裝配工藝技術(shù)的關(guān)鍵。APDtools可實(shí)現(xiàn)零件平移、旋轉(zhuǎn)以及復(fù)合運(yùn)動(dòng)，視角可以隨意轉(zhuǎn)換，可漫游進(jìn)入零件內(nèi)部，還可以實(shí)現(xiàn)零件透明度變化，并可利用透明度變化實(shí)現(xiàn)線纜的動(dòng)態(tài)延伸展示。

雖然APDtools可以將零件拆卸的動(dòng)畫過程一鍵轉(zhuǎn)換成裝配動(dòng)畫過程，但是對(duì)于零件數(shù)量龐大、需要反復(fù)多次拆裝的汽輪機(jī)，不宜采用這種方法。推薦的做法是利用透明度變化的功能，在零件需要出現(xiàn)時(shí)設(shè)置為全不透明，不需要出現(xiàn)時(shí)設(shè)置為全透明，然后按照實(shí)際的裝配順序進(jìn)行動(dòng)畫設(shè)計(jì)。

透明度漸變是APDtools的一項(xiàng)特別的功能，利用透明度漸變功能，可實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)中熱電偶線、電纜線布線過程的動(dòng)態(tài)展示，汽輪機(jī)內(nèi)缸的熱電偶線布置動(dòng)畫制作如圖4所示。

圖4 熱電偶線布線動(dòng)畫制作

在模型中可以添加文字標(biāo)注，文字標(biāo)注可以作為一個(gè)零件模型，在可視化裝配動(dòng)畫中動(dòng)態(tài)展示出來。

完成裝配動(dòng)畫編制后，APDtools還可以檢查零件在裝配運(yùn)動(dòng)過程中是否會(huì)與其他零件產(chǎn)生碰撞，并會(huì)提示碰撞的具體位置，工藝設(shè)計(jì)人員可根據(jù)需要重新規(guī)劃裝配的順序或裝配運(yùn)動(dòng)路徑。

5 工藝參數(shù)的輸入

根據(jù)已制作好的三維裝配動(dòng)畫，工藝人員可在APDtools中實(shí)現(xiàn)一鍵自動(dòng)生成各裝配工序的功能，但這樣的裝配工序一般不符合實(shí)際工藝規(guī)劃的要求。這時(shí)就需要重新進(jìn)行編輯，按照實(shí)際情況進(jìn)行重新劃分。因?yàn)橛辛俗詣?dòng)生成的裝配工序，重新劃分工序也就比較簡(jiǎn)便，只需進(jìn)行復(fù)制、粘貼并配上相應(yīng)的道序描述即可。汽輪機(jī)內(nèi)缸總裝的部分工序和工步如圖5所示。

圖5 汽輪機(jī)低壓內(nèi)缸總裝工藝規(guī)程

規(guī)劃好工序和工步后，還可按需給各工序和工步添加語音說明、文字說明、記錄表格等各種工藝信息。諸如工裝圖號(hào)、零件圖號(hào)、復(fù)雜工藝技術(shù)要求等不適合用可視化方式展示的信息，則可以在各工序或工步的屬性里添加。相關(guān)的視頻、圖片等也可以添加在各工序和工步中，方便操作人員更直觀地進(jìn)行對(duì)比操作。工序工步的屬性內(nèi)容編輯如圖6所示。

圖6 工序工步屬性

6 三維裝配工藝的瀏覽和使用

SmartViewer是專門用于瀏覽可視化裝配工藝的軟件，在SmartViewer里只能查看編制好的動(dòng)畫以及工藝信息，不能進(jìn)行編輯。由于可視化三維裝配工藝文件包含記錄表格，操作時(shí)打開記錄表格即可對(duì)實(shí)際裝配過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行填寫，非常方便。編制好的三維裝配動(dòng)畫也可導(dǎo)出成avi格式的視頻文件，以提供給沒有SmartViewer軟件的人員觀看。各裝配工藝道序也可以導(dǎo)出成XML格式的文件，供其他軟件使用。

7 結(jié) 論

本文采用Smart3DViewer可視化裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，對(duì)復(fù)雜的UG模型進(jìn)行輕量化后制作裝配動(dòng)畫，對(duì)零件數(shù)量龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的汽輪機(jī)裝配模型進(jìn)行了三維裝配工藝設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了UG裝配模型輕量化、重新構(gòu)建裝配BOM、三維動(dòng)畫編制，以及工藝參數(shù)輸入等4項(xiàng)基本功能。工藝人員可在工藝文件中添加數(shù)據(jù)記錄表格、音視頻、圖片等多媒體文件，添加過程高效、快速。該設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)具有積極作用。