三維軟件Inventor在大型浮法玻璃熔窯設計中的應用

胡 曦,費 辰

(中國建材國際工程集團有限公司，上海 200063)

圖紙繪制是整個玻璃熔窯窯爐的設計工作中最重要的環(huán)節(jié)。為了適應市場競爭的需求，筆者公司對圖紙繪制的設計質量、方案優(yōu)化等提出了更高的要求。正是在這樣行業(yè)競爭日益激烈的大背景下，傳統(tǒng)的二維設計顯得越來越力不從心。因此，三維設計系統(tǒng)的引進對筆者公司保持國內(nèi)先進水平，參與國際市場競爭，具有極其重要的意義[1]。

傳統(tǒng)的圖紙繪制通常采用CAD等二維繪圖軟件進行。但由于窯爐中包含大量的細部結構，而二維繪圖往往難以對這些部分進行直觀的體現(xiàn)，使得設計方出現(xiàn)誤差或施工方難以理解的情況時有發(fā)生，特別是像小爐斜碹等復雜結構。而三維繪圖則可以克服這一問題。通過三維建模使設計方案更加直觀易懂，便于設計方和施工方更好的理解方案。同時又能將三維模型轉換成二維設計圖紙，以適應實際的施工作業(yè)[2]。

然而，玻璃熔窯窯爐作為一種特殊的工業(yè)建筑體，其具有主體結構復雜、局部結構較多的特點。當前市面上雖然有許多三維設計軟件，但卻沒有一款完全針對玻璃熔窯窯爐設計的軟件，在實際操作時難免顧此失彼、遺漏細節(jié)。并且三維繪圖與二維繪圖的操作情境完全不同，傳統(tǒng)的設計方也難以將二維設計的經(jīng)驗直接套用到三維繪圖中。

針對這一現(xiàn)狀，筆者公司選用了和CAD一樣同為Autodesk公司的Inventor作為玻璃熔窯窯爐的設計工具。該文將介紹用Inventor設計大型浮法玻璃熔窯的方法。

1 用Inventor繪制窯爐的思路

傳統(tǒng)的工業(yè)產(chǎn)品設計采用部分到整體的設計模式，即自下而上設計，就是將工業(yè)產(chǎn)品的每個零件進行單獨的設計，然后在裝配環(huán)境中進行裝配，這種方式的設計思路在窯爐上的使用具有比較大的局限性。因為窯爐在設計時往往都是先要確定總圖，才進行進一步的細化設計，所以我們采取宏觀上自上而下，微觀上自下而上的復合設計思路。

為了確保三維設計圖的完整性，設計思路的大致流程如下：1)在零件圖中通過草圖和各項操作得到窯爐整體的框架模型；2)將框架零件圖轉化為部件圖，并得到各部位的局部框架曲面零件；3)對截取出的局部框架曲面進行細節(jié)結構填充，得到各局部的具體模型；4)將具備所有細節(jié)結構的各局部具體模型放回主體框架模型的對應位置，得到完整的模型。其中1)、2)是自上而下的設計思路，而3)、4)是自下而上的設計思路，兩者結合可以極大地提高設計的效率。

2 玻璃熔窯窯爐的三維繪制實例

以國外某700 t/d 大型浮法玻璃熔窯窯爐為例，針對池底大磚和熔化部二層結構的繪制步驟進行詳細說明。

2.1 建立主體外框架模型

首先，新建一個零件，并確定池底平面為XY平面，前端池壁外側為YZ平面，窯爐中心平面為XZ平面。根據(jù)窯爐的總圖結構及尺寸在零件視圖中繪制各類草圖，并通過拉伸、旋轉、放樣等基本操作得到窯爐的大致框架模型，見圖1。

2.2 分解成局部框架

整體模型創(chuàng)建完成后可以利用分割等工具來分割模型，把模型分割成多個實體，分割之前先要創(chuàng)建分割面。要保證模型能夠正常分割，就必須保證創(chuàng)建的分割面的投影包含或者大于分割面所在位置的實體的截面投影，分割面的邊界必須在實體的表面的外面或者跟實體面成一條相交線。盡量使用相對簡單的分割面，這樣分割后的模型也比較簡單，后續(xù)容易操作。本例中創(chuàng)建的若干分割面，一共分12個實體，分別為：池底、池壁、熔化部二層、冷卻部二層、蓄熱室、爐條、小爐、熔化部后山墻、冷卻部前山墻、冷卻部后山墻、室內(nèi)煙道、支煙道。

通過自上而下創(chuàng)建完多實體模型后，就可以在菜單欄中選擇管理→布局→生成零件命令，來創(chuàng)建單個零件，參見圖2所示對話框，在對話框左側的列表中展開實體節(jié)點，選擇需要生成零件的實體。在右側的“零件名稱”文本框中輸入新的零件名稱，并選中左上角的“實體作為工作曲面”選項。選擇“在目標部件中放置零件”復選框，則單擊“應用”或者“確定”按鈕后會生成新的部件文件并且被激活，生成的新零件會與部件的坐標系重合地放入部件中。通過這一步操作可以看出，所有的實體都是從一個主模型上分割下來的，因此實體之間的外形匹配肯定沒有問題，不需要添加其他的約束[3]。

2.3 對截取出的局部框架填充細節(jié)結構

2.3.1 池底大磚細節(jié)填充

新建部件圖，通過放置命令引入上一步驟分解整體模型得到的池底框架曲面，并選擇“在原點處固定”，然后，進入自下而上的設計模式。通過新建零件得到一塊塊池底大磚的零件模型，然后將他們放置在部件中，并與池底框架曲面進行約束。由于池底磚有許多相同的磚型，可以通過陣列、鏡像等命令極大地提高設計效率。最終，等池底框架曲面全部被填充滿，就可以得到具有全部設計細節(jié)的池底大磚三維模型，見圖3。

2.3.2 熔化部二層細節(jié)填充

新建部件圖，通過放置命令引入分解整體模型得到的熔化部二層框架曲面，并選擇“在原點處固定”?？梢钥闯?，由于所有框架曲面都是使用同一套坐標系統(tǒng)，所以在放置曲面的時候選擇“在原點處固定”至關重要。在該部件中，筆者采取和池底一樣的方法來設計胸墻結構，但在設計熔化部大碹的時候卻遇到了麻煩。由于大碹碹磚數(shù)量太多，按照常規(guī)設計方法，電腦很容易直接死機，因此不得不將大碹設計成一整個零件，然后通過貼圖使其表面具備碹磚的紋理，見圖4。該方法同樣適用于蓄熱室、煙道等磚塊體積小、數(shù)量多的部位。

2.4 拼接具備細節(jié)結構的各框架

按照以上的步驟對每一個曲面都進行填充，得到12個窯爐各部位的具體模型。然后新建部件圖，將這12個部件圖通過放置命令引入，并選擇在“原點處固定”，最終得到具備全部細節(jié)的完整的窯爐三維模型，見圖5。由于Inventor是機械設計軟件，所以鋼結構的設計相對于磚構來講反而要容易許多，有了完整的三維模型，只需要根據(jù)磚構在外面構建相應的鋼構即可。鋼構可在各部位的部件圖中添加，也可以在最后的整體部件圖中添加。

2.5 實例中各步驟的要點

第一步建立窯爐整體的框架模型應該保證基本尺寸的準確性，因為后續(xù)零件的裝配都是基于最初始模型的各個平面，一旦整體的框架模型出錯，最后的拼裝可能會出現(xiàn)較大的問題。

第二步將整體框架模型零件分割為多實體，并轉化成含多實體零件的部件。這一步中建議按照設計習慣，將關聯(lián)度不大的部位盡可能地分成單獨的實體，方便多人進行同時設計，也能保證單獨一個部位的模型不會過于龐大，導致電腦卡死。

第三步在具體模型的設計當中，應該力求把零件做得詳細，因為這是最終需要加工制造的東西。值得一提的是，在多人協(xié)同進行具體模型設計時，千萬不要有多人參照同一局部框架曲面，否則可能導致最終的模型出現(xiàn)拼裝錯誤的問題。

第四步是把所有具體模型按照一開始的整體框架模型的位置進行組裝。這一步中容易出現(xiàn)的問題就是最終模型數(shù)據(jù)太龐大，電腦硬件跟不上。因此，必要的時候只能對具體的模型進行“提取包覆面”“替換”等操作，使模型輕量化，在不影響整體外觀的情況下犧牲一小部分細節(jié)結構，來達到流暢使用軟件的目的。

3 其他配套工作

1)建立完善的窯爐參數(shù)表，將全部數(shù)據(jù)都添加到框架模型零件圖的fx表中，實現(xiàn)參數(shù)化設計。在比較熟悉地使用Inventor軟件后，還能添加、使用各種規(guī)則，利用“InputBox”、“Feature.IsActive”等計算機語言編寫自己需要的規(guī)則，從而真正的實現(xiàn)只需輸入數(shù)據(jù)就能輸出模型的目的[4]。

2)建立比較全面的數(shù)據(jù)庫，比如磚材數(shù)據(jù)庫，需包含各種材質的磚的比重、外觀等，這能極大地減少窯爐材料統(tǒng)計的工作量。眾所周知，一座完整的大型浮法玻璃熔窯的磚材數(shù)量非常龐大，能達到幾十萬，因此，如果能提前設計好各部位的磚材材質，就能比較迅速的得到各磚材的數(shù)量及重量，這比傳統(tǒng)的二維作圖需要設計者自己手動計算的方式更為準確和快速。

3)建立各種特殊磚型的ipart零件，比如掛鉤磚，形狀大致差不多，細微尺寸有點差別，可以做成一個族，需要的時候直接引用。因為工業(yè)設計的特性決定了不同項目中其實是有很多共通點，而ipart則可以比較好的把這些共通點串聯(lián)起來，方便重用、復用以前設計過的零件，大量減少工作量。

4 結 語

經(jīng)過長時間的探索與實踐，發(fā)現(xiàn)用Inventor繪制大型浮法玻璃熔窯窯爐是可行的，該文介紹的方法具有較高的實用性，這種繪制窯爐的思路有以下明顯的優(yōu)點：

a.窯爐的整體框架模型由總師或者項目負責人繪制，不需要具體的內(nèi)部結構，僅需要確定窯爐基本參數(shù)即可，例如各部位的長寬高以及小爐對數(shù)等。

b.由框架模型轉化而來的局部框架曲面具有各自位置的相對關系，這使得最終圖紙不需要通過各部位的相對約束來進行定位，使得工作量和文件大小大幅度減小。

c.各局部框架曲面得到后可分給多人進行設計，每人各自設計自己的部分，互不干擾，又能同時進行。

d.最終模型中包含所有參數(shù)，準確性較傳統(tǒng)CAD二維圖有大幅度提升。

e.出圖方便，各部位能單獨出圖，且材料表能自動生成，省時省力。