基于3D可視化技術(shù)的膨脹線(xiàn)冷端虛擬系統(tǒng)

趙浩東，趙強(qiáng)，劉玉民，段志勇，王進(jìn)安

(山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司濟(jì)南卷煙廠(chǎng)，山東 濟(jì)南 250104）

近年來(lái)，三維建模技術(shù)在各領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。以三維建模為基礎(chǔ)，衍生出了設(shè)備可視化管理，促進(jìn)了企業(yè)智能制造的發(fā)展。隨著煙草行業(yè)智能化和信息化的進(jìn)步，建模技術(shù)在煙草行業(yè)逐漸應(yīng)用，為科學(xué)培訓(xùn)、工藝流程的可視化提供了支撐。

1 背景

膨脹煙絲生產(chǎn)線(xiàn)由于其設(shè)備和工藝的復(fù)雜性，一直是制絲車(chē)間、企業(yè)乃至公司安全生產(chǎn)、設(shè)備管理的重點(diǎn)。根據(jù)生產(chǎn)介質(zhì)的不同，膨脹線(xiàn)設(shè)備分為冷端和熱端。其中，冷端設(shè)備多為壓力容器、壓力管道，這些壓力容器、壓力管道和氣動(dòng)閥門(mén)相互配合完成浸漬工藝的核心流程。浸漬工藝涉及閥門(mén)眾多、管道繁雜，如何讓操作、維修人員清晰便捷地掌握冷端生產(chǎn)流程，快速解決設(shè)備問(wèn)題是生產(chǎn)的迫切需要，也是擺在技術(shù)人員面前的一大課題。

2 課題內(nèi)涵

在充分學(xué)習(xí)浸漬工藝、研究現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備壓力管道走向、設(shè)備空間布置的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)有資料并通過(guò)測(cè)繪手段繪制設(shè)備草圖、運(yùn)用三維建模平臺(tái)SolidWorks建立壓縮機(jī)、浸漬器、制冷機(jī)組、工藝罐等主機(jī)設(shè)備及安全閥、氣動(dòng)閥等部件的三維模型，運(yùn)用SolidWorks Routing 建立了膨脹冷端所有壓力管道模型，完成了整個(gè)膨脹冷端的3D建模。并以此為基礎(chǔ)，將浸漬工藝流程在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上虛擬實(shí)現(xiàn)。

3 技術(shù)路線(xiàn)

論文以膨脹冷端的三維建模為核心，在三維建模的基礎(chǔ)上，完成浸漬工藝流程的虛擬呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)壓力管道、安全閥的統(tǒng)計(jì)功能，實(shí)現(xiàn)膨脹工藝布局的3D化。項(xiàng)目的流程如圖1。

4 建模過(guò)程

4．1 建模平臺(tái)的選擇

SolidWorks作為一款功能強(qiáng)大的三維建模平臺(tái)，不僅具備零部件建模能力，還具備強(qiáng)大的管道系統(tǒng)建模功能。通過(guò)在車(chē)間內(nèi)的推廣及應(yīng)用實(shí)踐，驗(yàn)證了SolidWorks作為本項(xiàng)目建模平臺(tái)的適用性。

膨脹線(xiàn)的核心在冷端，冷端的核心在浸漬工藝流程。膨脹冷端壓力管道縱橫交錯(cuò)，流體通過(guò)彈簧回動(dòng)式氣動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)閉控制在管道中輸送以完成煙絲浸漬的工藝流程。項(xiàng)目前期主要準(zhǔn)備工作是熟練應(yīng)用三維建模平臺(tái)并做好膨脹冷端的知識(shí)儲(chǔ)備。

圖1 制絲設(shè)備3D建模流程圖

4．2 閥門(mén)架的建模

如果將膨脹冷端比作一個(gè)完整的神經(jīng)系統(tǒng)，閥門(mén)架就相當(dāng)于這個(gè)系統(tǒng)的神經(jīng)中樞。閥門(mén)架是將具有特殊功能的一組閥門(mén)用管道連接在一起，組成的一個(gè)固定的構(gòu)架。它囊括了完成浸漬工藝需要的絕大多數(shù)閥門(mén)及所有接口。閥門(mén)架有10個(gè)接口，分別連接著浸漬器、工藝罐、充壓罐、氣球等冷端設(shè)備。準(zhǔn)確繪制出閥門(mén)架的模型是整個(gè)虛擬系統(tǒng)建立的第一步，也是最關(guān)鍵的一步。閥門(mén)架的建模主要包括以下幾個(gè)步驟：（1）拍攝多角度現(xiàn)場(chǎng)照片，準(zhǔn)確把握管道的走向，尤其關(guān)注管道交叉點(diǎn)、拐點(diǎn)的位置。（2）通過(guò)測(cè)繪獲得閥門(mén)架的全局尺寸，閥門(mén)架內(nèi)部管道拐點(diǎn)尺寸，準(zhǔn)確得到各接口準(zhǔn)確位置。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查確定各氣動(dòng)球閥位置及編號(hào)，繪制閥門(mén)架草圖。（3）根據(jù)草圖繪制閥門(mén)架三維模型，測(cè)繪并繪制出氣動(dòng)球閥模型，并進(jìn)行整體裝配。

4．3 主要管道的3D建模

以閥門(mén)架為基準(zhǔn)，以10個(gè)接口為起點(diǎn)，利用SolidWorks Routing專(zhuān)業(yè)管道建模模塊，測(cè)繪并完成10條關(guān)鍵管道的3D建模（部分管道及裝配模型如圖4所示）。以此確定與這些管道直接相連的浸漬器、沖壓罐、氣球、工藝罐的空間位置。

圖2 閥門(mén)架局部視圖

圖3 閥門(mén)架三維裝配模型

圖4 閥門(mén)架的主要管道連接

4．4 主機(jī)設(shè)備的3D建模

閥門(mén)架與連接管道的位置確定后，大部分主機(jī)設(shè)備的空間位置已經(jīng)確定。根據(jù)測(cè)繪及部分紙質(zhì)圖紙獲得的數(shù)據(jù)建立主機(jī)設(shè)備的三維模型。由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，壓縮機(jī)、制冷機(jī)組是該部分建模的難點(diǎn)。在此，建模過(guò)程不再贅述。部分主機(jī)模型如圖5所示。

圖5 部分主機(jī)3D模型

4．5 系統(tǒng)裝配及調(diào)試

主機(jī)設(shè)備的建模工作完成后，將上述所建模型進(jìn)行統(tǒng)一裝配。為了使系統(tǒng)更加完善，還需做以下幾個(gè)方面的工作：

（1）輔連管道的建模；

（2）工藝泵建模；

（3）安全閥，手動(dòng)閥，氣動(dòng)球閥的選型、測(cè)繪、建模；

（4）整個(gè)系統(tǒng)的裝配、調(diào)試、渲染。整機(jī)裝配模型如圖6所示。

5 虛擬系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

浸漬工藝是膨脹冷端的核心流程。圖7所示為冷端設(shè)備流程圖和操作屏顯示界面。二者是實(shí)際設(shè)備流程的抽象，在指導(dǎo)生產(chǎn)中具有十分重要的意義。但兩圖很難直觀地表達(dá)出膨脹線(xiàn)的復(fù)雜流程，利用其進(jìn)行設(shè)備學(xué)習(xí)和故障排除難度較大。

5．1 系統(tǒng)操作界面

通過(guò)系統(tǒng)集成化的手段，將3D建模在可視化的平臺(tái)上展現(xiàn)，輸出不依賴(lài)于三維建模平臺(tái)的.exe可執(zhí)行文件，在Windows系統(tǒng)下即可以進(jìn)行縮放、測(cè)量、旋轉(zhuǎn)等操作，實(shí)現(xiàn)自由的人機(jī)交互操作。

5．2 設(shè)備可視化管理

安全閥、壓力管道的管理是設(shè)備管理的一項(xiàng)內(nèi)容，如圖9所示，本虛擬系統(tǒng)的建立為膨脹冷端的設(shè)備管理提供了可視化的手段。

圖6 冷端裝配模型

圖7 膨脹冷端工藝流程

圖8 人機(jī)交互界面

5．3 3D定置圖功能實(shí)現(xiàn)

膨脹線(xiàn)作為濟(jì)南卷煙廠(chǎng)安全管理的重點(diǎn)之一。定置圖的懸掛是安全管理的基本工作。鑒于整個(gè)膨脹冷端設(shè)備是空間布置，二維定置圖不能十分清晰地表達(dá)設(shè)備位置。基于三維模型建立的三維定置圖則可達(dá)到這一目的。冷端虛擬系統(tǒng)的建立為三維定置圖繪制提供了技術(shù)支撐（圖10）。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）推動(dòng)數(shù)字化車(chē)間建設(shè)由單機(jī)設(shè)備建模向更高層次的生產(chǎn)線(xiàn)建模發(fā)展。

（2）為設(shè)備精益管理提供數(shù)據(jù)支撐，實(shí)現(xiàn)壓力管道、安全閥的統(tǒng)計(jì)及可視化管理等功能。

圖9 安全閥、壓力管道統(tǒng)計(jì)功能的實(shí)現(xiàn)

（3）為復(fù)雜的冷端浸漬工藝提供直觀、形象的3D培訓(xùn)資料。

（4）虛擬系統(tǒng)應(yīng)用膨脹設(shè)備故障分析中，縮短了故障解決的時(shí)間。

圖10 二維、三維定置圖對(duì)比