三維建模在廠房設計的應用與推廣廠房設計進入數(shù)字化仿真時代

朱 巖，梁步龍，何沛麇

0 引言

隨著科學技術的不斷進步，三維建模技術得到了飛速發(fā)展，特別是在各種三維CAD/CAM/CAE等商業(yè)軟件的推動下，三維建模技術在根本上改變了工業(yè)產(chǎn)品設計以及生產(chǎn)制造的理念，將人從傳統(tǒng)的二維平面空間帶到了三維可視化空間，不但深刻地影響著產(chǎn)品的設計、制造、使用、檢驗及評估，更在生產(chǎn)過程的規(guī)劃布局、組織管理、資源調(diào)度、物流配送、現(xiàn)場目視化管理等方面表現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢。雖然三維建模技術體現(xiàn)了一種良好的思維模式和工作方式，但是它在分廠生產(chǎn)活動中的使用率并不高，三維建模技術沒有被作為一種新思維、新方法廣泛應用于生產(chǎn)活動中以提效率、保質(zhì)量、降成本，創(chuàng)造最高效益。

廠房作為企業(yè)生產(chǎn)活動的主要場所，需要不斷改進和完善，以滿足企業(yè)持續(xù)發(fā)展的要求。如果廠房沒有一個標準化的樣式，在不斷改進和完善的過程中，缺乏統(tǒng)一的思想，整體的布局，廠房整體顯現(xiàn)出凌亂，整體效果不夠美觀，局部設備設施配置不夠合理，由于布局不合理，影響生產(chǎn)與運輸以至于制約著生產(chǎn)活動的全過程。廠房傳統(tǒng)的設計是通過二維圖形表達三維產(chǎn)品（如圖1），這是一種直接的設計方法，在尺寸參數(shù)上雖然能精確表達，但是二維圖形及不直觀，也難以對三維產(chǎn)品進行直接分析，如廠房中各設備、零件小車、工作臺、叉車、操作員工等生產(chǎn)要素之間運動軌跡進行仿真分析，難以判斷各生產(chǎn)要素是否相互干涉、布局是否合理。三維建模的思想是根據(jù)廠房或零件的二維圖（一般是CAD圖），利用計算機的三維軟件（如AUTO CAD、UG、PRO/E等，本文以UG為例）構建三維模型，輸入廠房的三維模型數(shù)據(jù)，三維軟件可直接顯示三維真實的形狀效果（如圖2），并可以將生產(chǎn)場景進行模擬仿真（如圖3），從而在設計階段就能提前驗證設計方案，對存在的問題提前進行整改、優(yōu)化，減少了廠房設計、驗證周期，降低了廠房設計成本。

圖1 廠房設計二維平面視圖

圖2 廠房設計三維立體圖

圖3 生產(chǎn)場景三維模擬仿真

近年來，隨著計算機的普及和計算機技術的迅速發(fā)展，為三維建模技術提供了有利條件；硬件上，計算機走向高集成化、高性能化；軟件上，計算機輔助設計（CAD）軟件越來越多，越來越完善，在制造業(yè)的應用越來越廣泛，應用人員的CAD水平也有了很大的提高，用三維CAD軟件應用于產(chǎn)品設計已逐漸成為潮流，而玉柴機器股份有限公司在其二發(fā)廠廠房重新規(guī)劃設計是率先利用UG三維建模技術，并取得了良好的成效，本文以玉柴機器股份有限公司二發(fā)廠運用UG的設計為例介紹三維建模技術在廠房設計的應用。

1 三維建模在廠房設計上的基本思路

1.1 廠房的三維建模制定方案流程

廠房的三維建模與機械零件三維建模相似，不同點在于機械零件三維建模的系統(tǒng)庫模塊中有很多機械零件模塊，但廠房設計中很多生產(chǎn)要素是不規(guī)則的，大部分需要用戶自己定義，部分還需要通過掃描來創(chuàng)建，例如看板、零件小車、吊車等，其精度要求無機械零件高，但是更為復雜，廠房的三維建模制定方案流程圖如圖4.

圖4 廠房的三維建模方案制定流程

由圖4可見，廠房方案的實施分為下面幾個步驟。

第一步，根據(jù)企業(yè)實際需求和條件制約構建出初步方案，可以先以二維草圖表示。

第二步，根據(jù)構想的方案和二維草圖利用三維軟件（本文以UG為例）引入三維建模技術構建三維模型，并評估三維模型的可行性，通過模型對方案進行不斷仿真分析，對不合理的地方進行優(yōu)化整改。

第三步，對優(yōu)化整改好的方案組織企業(yè)高層和專業(yè)技術人員進行評審；由于形象、直觀的三維評估模型給評審帶來了極大的便利，方便分析方案的優(yōu)與劣以及提出整改意見，并參照第一、第二步的方法對方案進行重新修訂再評審，直到通過評審。

第四步，對通過評審的方案制定相關標準文件，簽訂相關技術協(xié)議，根據(jù)多方評審意見修訂的方案實施標準具有很好的現(xiàn)實可行性。

最后，根據(jù)標準文件實施方案，并根據(jù)技術協(xié)議驗收方案。

廠房的三維建模方案制定流程見圖4.

1.2 三維建模的簡介

在眾多的三維CAD軟件中，Unigraphics Solutions公司（簡稱UGS）的UG軟件是G是集CAD/CAE/CAM于一體的三位參數(shù)化軟件，是當今世界最先進的計算機輔助設計、分析和制造軟件，廣泛應用于航空、航天、汽車、造船、通用機械和電子等工業(yè)領域。UG軟件在三維實體模型的構建和編輯、曲線與草圖的繪制、三維模型輸出二維工程圖、零件裝配和仿真模擬方面有著獨特的功效，因此，UG軟件是目前設計師和工程師理想的集成工作平臺[1]。

1.3 模型的構建

1.3.1 三維模型的建立

UG建模技術是一種基于特征和約束的建模技術，具有交互建立和編輯復雜實體模型的能力。UG三維模型的構建充分發(fā)揮了傳統(tǒng)的實體、表面、線框模型優(yōu)勢，能夠很方便的建立二維和三維線框模型及掃描、旋轉實體并可以進行模擬操作和參數(shù)化編輯。草圖工具可供用戶定義為二維輪廓曲線。特征建模塊提高了表達設計的層次是實際信息可以用工程特征來定義[2]。

以玉柴機器股份有限公司二發(fā)廠車機車間廠房為原型，建立起龐大的廠房三維模型庫。大體可以概括為三部分：廠房主體結構、車機裝試線區(qū)、車機機加工線區(qū)。整個三維模型庫將現(xiàn)實廠房中的絕大部分內(nèi)容囊括進去，實現(xiàn)將現(xiàn)實廠房形象地搬上電腦，為三維建模技術的全面應用打下了堅實的基礎。

1.3.2 三維模型精度控制

建立三維模型的指導思想就是要精確地還原現(xiàn)實，所以對尺寸的精度控制很重要。三維模型需要根據(jù)實際尺寸按照1∶1的比例繪制，現(xiàn)實廠房最大的長度達到兩百多米，寬達到一百五十米，內(nèi)部還會分布有各種機床、工位器具、管道、小車、懸掛鏈、高空架、吊車等，外形復雜，數(shù)量眾多，分布散亂，所以保證模型的幾何尺寸和位置尺寸的準確顯得困難卻又具有重要意義。

生產(chǎn)線仿真應用對模型的精度要求更高，進行模擬仿真就是以精確的三維模型為基礎的，精度要求毫米以下。為了保證得到準確的仿真分析報告，在建立生產(chǎn)線仿真的時候，要對模擬分析涉及的尺寸進行嚴格控制精度，而對于模擬分析不涉及，比如輥道、小車等，可以不嚴格控制尺寸。

1.3.3 三維模型庫的管理

龐大的模型庫除了需要有基本的硬件條件保證運行外，還需要有很好的方式來進行維護管理，使得能在應用的時候，以最快的速度得到想要的結果，保證更好地開展各種實際應用。模型庫的建立是為全面應用打下堅實的基礎，實際某一方面應用常常只需要模型庫中的某一區(qū)域內(nèi)容，比如飛輪、飛輪殼運輸優(yōu)化整改，需要的是部裝的一個小區(qū)域，可以將這部分導出來進行獨立處理分析。選擇性的應用是模型管理的一個方面，另一個重要方面是模型庫的維護更新，現(xiàn)實時刻在改變，三維模型庫也要隨著更新，才能保證其時效性，準確性。1.4三維模擬仿真

以玉柴機器股份有限公司二發(fā)廠缸蓋線仿真建立作為試點，將生產(chǎn)現(xiàn)場情況，采用三維建模技術建立高精度的生產(chǎn)線仿真模型，整條仿真線由許多嚴格控制尺寸精度的仿真單元和輸送連接輥道組成，高精度的仿真生產(chǎn)線是現(xiàn)實生產(chǎn)線真實的再現(xiàn)。仿真線的建立，實現(xiàn)了新品在設計開發(fā)之初便可以同時考慮工藝問題，將產(chǎn)品三維模型輸入仿真生產(chǎn)線中進行分析其上線生產(chǎn)的可行性，分析其是否會產(chǎn)生物理干涉等兼容性問題，以便提前考慮相關對策。通過動態(tài)模擬仿真，可以提前發(fā)現(xiàn)這些問題，并提出可行的解決方案，首先在仿真模型中解決這些問題，并模擬試運行。從而在缸蓋上線前調(diào)整好定位銷的位置、滾道的寬度，更換新品樣機不可以使用的工裝等等，解決一切在仿真中發(fā)現(xiàn)的問題，確保新品樣機缸蓋的部裝過程能夠順利的進行，將工藝開發(fā)的時間大大提前。

1.4.1 廠房布局的仿真展示

廠房的布局以1∶1比例仿真（如圖5和圖6），在廠房設計初期就能直觀形象展現(xiàn)出廠房建成后的狀態(tài)，便于對廠房方案的評審和優(yōu)化，也有利于對方案進行前期宣傳，給企業(yè)投資者帶來信心。

圖5 三維模型

圖6 廠房現(xiàn)狀

1.4.2 物流仿真展示

利用三維模型（如圖7）可以根據(jù)生產(chǎn)線和工位的布局合理規(guī)劃物流路線、定置物流區(qū)域，通過仿真可以輕松推算出物流周期，從而優(yōu)化生產(chǎn)線的物流配送、零件配置；同時，通過對生產(chǎn)場景的仿真可推算出物流車是否對生產(chǎn)崗位有干涉，是否威脅到員工的安全，員工該如何避開物流車等。

圖7 物流場景仿真

1.4.3 生產(chǎn)工位操作仿真

對生產(chǎn)工位的模擬仿真可以模擬員工實際操作，員工操作軌跡、移動位置、發(fā)動機的位置、零件和工作臺的定置都能實時模擬出來，可以清晰的分析崗位布局是否合理，對不合理進行優(yōu)化的部分可以在UG仿真軟件直接模擬出來，及時知道整改的結果，有效縮短方案設計和驗證周期，如圖8的生產(chǎn)工位仿真。

圖9 生產(chǎn)工位仿真

1.4.4 工裝、工位器具的仿真設計

對工裝、工位器具的模擬仿真與零件的三維模擬仿真相似，都是先設計CAD二維草圖模型（如圖9），然后根據(jù)二維草圖構建UG三維仿真模型（如圖10）。UG三維模擬仿真模型能直觀展現(xiàn)工裝、工位器具完成后的狀態(tài)，能在廠房設計圖上形象的顯示出使用狀態(tài)，在方案評審時能直觀向員工展示，便于后續(xù)的優(yōu)化整改。

圖9 工作臺CAD二維圖

圖11 工作臺UG三維模擬仿真模型圖

1.4.5 設備技改仿真

廠房車間不斷發(fā)展和建設，配套的設備設施也會不斷進行更換和整改。設備設施不但講究實用，也要考慮美觀。三維建模技術在這一整改過程中可發(fā)揮重要作用。新設備的安裝更換涉及面比較廣，要盡量做到一步到位，反復整改會造成各方面的損失，耗費人力物力不說，還影響生產(chǎn)。三維模擬的好處在于提前對方案實施后的結果作出評估，優(yōu)與劣一覽無余。例如，車間的美觀，色彩的選擇很重要。美是人的主觀感受，將這種主觀感受精確地描述出來，這是現(xiàn)實模擬的優(yōu)勢，如圖11設備著色方案對比。

圖11 設備著色方案對比

1.4.6 宣傳、培訓仿真

企業(yè)的宣傳欄的布置需要形象、直觀，利用UG三維仿真模型可以將宣傳欄信息多角度、全方位對廠房進行預覽，導出并制作所需區(qū)域視圖，輔助目視化管理。對于一些安全宣傳的警示圖，可以利用三維動態(tài)模式進行教育、宣傳，是宣傳更為直觀、更有吸引力，從而更容易達到宣傳效果，如圖12文化宣傳長廊和圖13交通安全宣傳。

圖12 文化宣傳長廊

圖13 交通安全宣傳

2 收益分析

三維建模技術作為一種新思維、新方法被引入玉柴機器股份有限公司二發(fā)廠的生產(chǎn)活動中，帶來了思維模式與工作方式等多方面的改變，具有非常重要的意義。三維建模技術已經(jīng)廣泛應用到玉柴機器股份有限公司二發(fā)廠的工藝設計與優(yōu)化、精益制造、物流優(yōu)化、設備設施技改、人機工程研究、目視化管理、廠房標準建立、形象化培訓等多個方面。具體應用案例眾多，比如部裝物流路線模擬、熱泵支架配色方案模擬、工裝整改模擬、員工培訓輔助、精益宣傳短片制作、目視看板預覽及設計、現(xiàn)場立體導航圖預覽及設計、宣傳手冊插圖設計等等，產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟效益。隨著它的優(yōu)勢不斷涌現(xiàn)與應用的不斷深入，它的更多潛能將釋放出來，所帶來的經(jīng)濟效益會更加巨大。

在新品樣機實際裝配前，可以預先利用該缸蓋線仿真模型進行模擬，從中發(fā)現(xiàn)問題，并分析解決。這樣可以減少實際裝機的未知因素，大大提高了樣品裝機的效率與正確率，避免出現(xiàn)大量人力物力和時間的浪費，排除對于生產(chǎn)節(jié)拍的影響。缸蓋仿真線的建立，具有重大意義，它為全面實現(xiàn)工藝開發(fā)與產(chǎn)品開發(fā)同步，邁出了標志性的一步，是具有突破性的良好開端。

進行工廠三維建模設計與應用項目對于提效率、保質(zhì)量、降成本等方面具有重要意義，它的全面應用滲透在生產(chǎn)活動的整個過程、各個細節(jié)，期間產(chǎn)生的經(jīng)濟效益不可估量。

3 應用與推廣——“數(shù)字化工廠”

三維模型技術在廠房設計領域的應用開創(chuàng)了一個新紀元，引領企業(yè)走進了一個新時代——“數(shù)字化時代”，“數(shù)字化時代”在工業(yè)生產(chǎn)的體現(xiàn)為“數(shù)字化工廠”，如圖14.“數(shù)字化工廠”貫穿整個工藝設計、規(guī)劃、驗證、直至車間生產(chǎn)工藝整個制造過程，除了在工廠仿真、物流仿真、人機裝配仿真外，同時增加基建仿真等?！皵?shù)字化工廠”應用提高資金利用效率外，還能為數(shù)字設計、數(shù)字制造帶來變革，而最終帶來企業(yè)經(jīng)營運作模式的轉變。應該說完整的“數(shù)字化工廠”牽動著整個企業(yè)各方的神經(jīng)。在數(shù)字化工廠沒有出現(xiàn)以前，一般是根據(jù)產(chǎn)品設計方案來決定生產(chǎn)流程，并按序生產(chǎn)，一旦產(chǎn)品發(fā)生變化，工廠里的一切都需要改變。數(shù)字化工廠利用數(shù)字化技術能夠根據(jù)市場需求，實現(xiàn)產(chǎn)品設計、制造工藝設計、產(chǎn)品仿真、虛擬試生產(chǎn)等多個環(huán)節(jié)的數(shù)字化。也就是說，無需投資制作樣品，也可模擬未來產(chǎn)品，并預見生產(chǎn)這件產(chǎn)品時可能遇到的問題，這可以在最大限度上節(jié)約研發(fā)的時間和費用。換而言之，只需隨時調(diào)出設計圖，修改或虛擬某一個工藝段，就可以在不影響其他工藝段的情況下完成改變，甚至可以不花一分錢虛擬出整個生產(chǎn)流程，并看到其中可能存在的問題。

圖14 數(shù)字化工廠概念示意圖

從一定意義上說，玉柴機器股份有限公司二發(fā)廠所進行的廠房三維建模，是對“數(shù)字化工廠”做最初的嘗試，畢竟“數(shù)字化工廠”是以廠房三維模型作為基礎的，這個環(huán)節(jié)必不可缺。拍攝的廠房三維模型展示視頻雖然跟一個研發(fā)團隊制作精良的“數(shù)字化工廠”演示片不在一個等級上，但是基本思路是一樣的。

從以上闡述可以看出，玉柴機器股份有限公司二發(fā)廠建立的廠房三維模型在各方面的應用廣泛，給生產(chǎn)活動帶來了很大的便利，雖然它與真正意義上的“數(shù)字化工廠”還有很長一段距離，但是“數(shù)字化工廠”所折射的思想精髓對繼續(xù)探索具有很強的指導意義。下一步，將以建立“數(shù)字化工廠”作為追求的目標，發(fā)揚永無止步的創(chuàng)新思維，繼續(xù)探索，以追求效益的最大化。

4 總結

通過引入三維建模技術在生產(chǎn)活動中的應用，已經(jīng)在工藝設計與優(yōu)化、精益制造、物流優(yōu)化、設備設施技改、人機工程研究、目視化管理、廠房標準建立、形象化培訓等多個方面取得令人滿意的效果，不斷創(chuàng)造效益?；诰_三維模型的生產(chǎn)線仿真應用更好地確保新產(chǎn)品上線的順利進行，實現(xiàn)工藝開發(fā)與產(chǎn)品開發(fā)同步，將工藝開發(fā)的時間大大縮短。在以后的生產(chǎn)管理需要中，它將在更大寬度更廣深度的應用中起到至關重要的作用。

[1]徐 趙，易侃黎.UG NX5.0技能模塊[M].成都：西南交大出版社，2010.

[2]葉南海.UGNX5.0模具設計基礎與應用提高[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.