三維可視化技術(shù)在電力一次設(shè)備上的工程應(yīng)用

黃瑩瑛，陳成玉，陳春來，陳 亮，陳亮宏

(常州博瑞電力自動化設(shè)備有限公司，江蘇 常州 213000)

在科技發(fā)展日新月異的當(dāng)今時代，電力裝備制造行業(yè)正以前所未有的速度迅猛發(fā)展并深刻改變著人們的生活。在傳統(tǒng)電力裝備制造中，產(chǎn)品工藝過程主要依靠二維裝配工序卡進(jìn)行傳遞，文件不夠立體直觀，生產(chǎn)指導(dǎo)、培訓(xùn)及參觀展示等方面的效果較為局限[1]。

三維可視化技術(shù)的問世和推廣進(jìn)一步革新了制造理念，對于企業(yè)提高生產(chǎn)自動化水平和實現(xiàn)降本增效具有重要意義[2]。三維可視化技術(shù)能夠?qū)⑷S模型與文字、影音等不同維度的信息加以整合，建立更加直觀的工藝過程；高效的裝配模擬仿真和干涉檢查等也能為產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計保駕護(hù)航；同時，靈活多樣的文件輸出格式也能很好地適應(yīng)各種工況場景。因此，三維可視化技術(shù)將成為電力一次裝備制造工藝革新的重要手段[3]。

經(jīng)調(diào)研，目前國內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的三維可視化軟件主要在傳統(tǒng)機械行業(yè)有較成熟的應(yīng)用，而在智能電力設(shè)備制造方面鮮有實踐。本文重點分析三維工藝設(shè)計在電力一次裝備制造過程中的應(yīng)用實踐。

1 三維工藝設(shè)計

1.1 設(shè)計準(zhǔn)備

利用三維可視化軟件進(jìn)行三維工藝設(shè)計是一種綜合性的工藝技術(shù)手段，需要將產(chǎn)品三維模型、二維裝配規(guī)程等資源系統(tǒng)有機整合起來，三維工藝編制準(zhǔn)備工作主要從統(tǒng)籌工藝梳理和建模兩方面開展[4]。

工藝技術(shù)人員應(yīng)熟知產(chǎn)品總裝的全過程及各環(huán)節(jié)工藝要點、所需產(chǎn)線設(shè)備、工裝工具等細(xì)節(jié)。尤其需要明確的是輔料及組件裝配等并行工序和主線的協(xié)調(diào)，它直接關(guān)系到模型整合和工藝設(shè)計。一般來說，在三維工藝編制前具備已評審的二維工藝規(guī)程是必要的，它將作為整個三維工藝設(shè)計的藍(lán)本。

基于三維建模軟件創(chuàng)建的prt、asm及stp等多種格式產(chǎn)品三維模型是三維工藝設(shè)計的主要對象。鑒于軟件開發(fā)邏輯對模型在線裝配的限制及零部件分步驟配置的需求，技術(shù)人員應(yīng)提前對三維模型進(jìn)行梳理整合。三維模型準(zhǔn)備如圖1所示。

圖1 三維模型準(zhǔn)備

產(chǎn)品模型首先要求準(zhǔn)確完整，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件和緊固件及線束、產(chǎn)線及工作臺乃至安裝所需的設(shè)備工具，都應(yīng)按照實際位置進(jìn)行補充建模并保證約束關(guān)系清晰。零部件對象在三維演示過程中需要體現(xiàn)物料名稱代碼等信息，方便操作人員識別安裝。因此，在建模或模型整合時應(yīng)結(jié)合產(chǎn)品BOM將零件的名稱代碼等參數(shù)寫入；同時，對三維模型進(jìn)行適當(dāng)渲染也可以提升展示效果。最關(guān)鍵的一點是，按照工藝規(guī)程中的工序排布要求將模型結(jié)構(gòu)樹進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)其在三維工藝中的動作性質(zhì)來確定零部件以組件或零件的形式介入模型[5]。例如：某組件先完成組裝后再整體進(jìn)行安裝，則該組件應(yīng)該以子裝配的形式創(chuàng)建父項，零部件作為其子級項目排列，而非所有的零部件均在上級目錄中排列。

上述模型準(zhǔn)備工作應(yīng)在三維環(huán)境下完成后輸出asm或stp格式的裝配體。創(chuàng)建并整合完的三維模型應(yīng)借助三維轉(zhuǎn)換工具進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換以保證模型在工藝規(guī)程編制過程中的穩(wěn)定可靠，避免出現(xiàn)約束關(guān)系錯亂、部件特征加載失敗等問題。三維模型轉(zhuǎn)換如圖2所示。

圖2 三維模型轉(zhuǎn)換

1.2 三維工藝編制及應(yīng)用

基于三維可視化軟件的電力一次裝備三維工藝設(shè)計主要包括模型的梳理準(zhǔn)備、裝配結(jié)構(gòu)引入、工藝流程創(chuàng)建、物料識別分配、軌跡動作定義、技術(shù)圖解編制、仿真效果調(diào)整及工程文件輸出等環(huán)節(jié)。三維工藝編制流程如圖3所示。

圖3 三維工藝編制流程

裝配結(jié)構(gòu)引入即是將轉(zhuǎn)換后的三維模型導(dǎo)入軟件工程界面，本文不再贅述。

工藝流程創(chuàng)建和物料識別分配2個環(huán)節(jié)相輔相成，需要協(xié)調(diào)進(jìn)行。先按照二維工藝規(guī)程依次創(chuàng)建各個裝配步驟，然后根據(jù)安裝內(nèi)容在步驟中添加零部件，提前寫入的零部件名稱代碼等參數(shù)可以幫助我們快速識別各類物料并完成分配。應(yīng)當(dāng)注意的是，部分子裝配過程以組件還是并列零件形式導(dǎo)入需要具體靈活地分析。例如：在輔料準(zhǔn)備中，組件中的各零件應(yīng)以最小層級導(dǎo)入，而在上層的總裝步驟中該組件則應(yīng)整體導(dǎo)入。工藝流程構(gòu)建的重難點在于結(jié)合投料特點完成主線與副線的梳理穿插，前后工序的關(guān)聯(lián)，保證每個工序工步模型準(zhǔn)確且方便定義動作。對于復(fù)雜產(chǎn)品，其三維工藝流程往往需要優(yōu)化調(diào)整數(shù)次才能實現(xiàn)最佳效果。某產(chǎn)品子單元三維工藝流程構(gòu)建及物料識別分配示意圖如圖4所示。

軌跡定義本質(zhì)是基于拆解動作的逆向仿真，通過軌跡性質(zhì)及參數(shù)調(diào)整實現(xiàn)，包括產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件活動、工藝裝備引入及系統(tǒng)工具標(biāo)準(zhǔn)活動等，其以最大程度還原裝配過程為目的。

對于某一步驟，按照產(chǎn)品拆解的順序在工藝過程結(jié)構(gòu)樹中依次定義每個工步的活動，例如工件的拼裝、螺釘?shù)男龜Q及膠脂的涂覆等。先通過“活動”功能區(qū)粗略構(gòu)建工件的運動形式，然后對時間、位移、轉(zhuǎn)角等細(xì)節(jié)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，使其盡可能地符合操作實際。復(fù)雜產(chǎn)品涉及的零部件種類多、數(shù)量大，不可能對每個零組件定義軌跡，可以借助“閃爍”功能對重復(fù)安裝的物料進(jìn)行示意說明。此外，通過切換觀察視角及定義局部放大等功能可以使畫面富于變化，更加立體直觀地展現(xiàn)整個安裝過程，提升可讀性和指導(dǎo)性。某組件組裝三維工藝示意圖(軌跡定義)如圖5所示。

技術(shù)圖解是對模型實體空間運動的補充說明。在工藝過程工作界面下，可以給步驟和工步插入標(biāo)簽或文本，對工件的名稱、物料代碼等識別信息及安裝方位和緊固要求等進(jìn)行說明。此外，還可以插入基準(zhǔn)面標(biāo)識、控制尺寸、三維文本及平面圖形等不同形式的注解或插入演示視頻、實物圖等素材，來全面詳實地體現(xiàn)產(chǎn)品裝配的過程細(xì)節(jié)，幫助操作者更好地把握工藝要點，保證裝配質(zhì)量。

對于每一工序和下屬工步或部分工段，其活動軌跡及技術(shù)圖解定義結(jié)束后，通過裝配仿真功能進(jìn)行預(yù)覽，為調(diào)整優(yōu)化提供依據(jù)。根據(jù)仿真情況，可以對模型渲染、整體架構(gòu)、觀察視角、字體樣式、節(jié)奏速度等關(guān)鍵點來進(jìn)行針對性的修改和完善，從而保證最佳的展示觀感。

常用的三維可視化技術(shù)軟件可以提供PDF文檔、AVI視頻、EXCEL文檔和程序包以及apc輕量化文件等多種形式的文件輸出選擇，可適應(yīng)不同工況、不同人群的使用需求。在車間裝配指導(dǎo)過程中更多使用apc格式的輕量化文件，可以將裝配過程、物料明細(xì)、工藝要求等信息應(yīng)有盡有地傳遞出來，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二維工藝規(guī)程；要強調(diào)的是，apc輕量化文件專用的游覽器(見圖6)還開發(fā)了模型旋轉(zhuǎn)縮放等交互式查看功能，幫助使用者更加全方位地了解產(chǎn)品的空間結(jié)構(gòu)。諸如參觀展示和用戶培訓(xùn)等場合則一般輸出AVI視頻進(jìn)行演示，也可以結(jié)合需求進(jìn)行調(diào)速、配音和字幕等剪輯處理以適應(yīng)不同需求[6]。

圖6 apc輕量化文件專用游覽器

2 三維工藝應(yīng)用實效

基于各種三維工藝軟件，適應(yīng)多種工況需求，可以編制輸出apc輕量化文件用以指導(dǎo)車間總裝和培訓(xùn)，輸出AVI視頻文件以進(jìn)行參觀展示、客戶培訓(xùn)和售后檢修等。三維工藝設(shè)計成果示例如圖7～圖10所示。

圖7 某產(chǎn)品裝配工藝仿真

圖8 某產(chǎn)品關(guān)鍵工序培訓(xùn)

圖9 某產(chǎn)品檢修動畫

圖10 某產(chǎn)品參觀展示視頻

三維工藝應(yīng)用能夠有效整合設(shè)計、工藝、生產(chǎn)、售后等各個干系環(huán)節(jié)，經(jīng)對某公司電力一次裝備制造過程中三維工藝應(yīng)用階段各環(huán)節(jié)的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行跟蹤統(tǒng)計，形成某公司三維工藝應(yīng)用前后生產(chǎn)過程關(guān)鍵效率對比(見圖11)。

圖11 某公司三維工藝應(yīng)用前后生產(chǎn)過程關(guān)鍵效率對比

分析圖11可知，實施推廣三維工藝對產(chǎn)品設(shè)計制造的全周期各環(huán)節(jié)均有比較明顯的改善和推動作用。一方面，設(shè)計建模等前端環(huán)節(jié)的規(guī)范性、準(zhǔn)確性將顯著提升，同時工藝員對產(chǎn)品的認(rèn)識也不斷得到深化；另一方面，三維工藝文件結(jié)合產(chǎn)品模型進(jìn)行演示的人機交互功能可以使操作人員更快更好地掌握相關(guān)技巧與要求；此外，三維工藝形式可以更好地適應(yīng)各種工況條件，助力無紙化車間建設(shè)，提升企業(yè)智能化水平[7-8]。

同時也應(yīng)認(rèn)識到，現(xiàn)有三維工藝技術(shù)仍存在一些不足，例如：軟件系統(tǒng)工具種類偏少、接線動作不便模擬、部分操作不夠智能等。因此，企業(yè)應(yīng)該在深入分析問題的基礎(chǔ)上聯(lián)合軟件廠商進(jìn)行開發(fā)優(yōu)化，提高軟件邏輯與企業(yè)業(yè)務(wù)流程適配度，立足實戰(zhàn)，在人員技能提升、保障機制建立等方面探究，切實用好三維工藝技術(shù)，使其真正成為電力裝備制造業(yè)的發(fā)展動力。

3 結(jié)語

三維工藝技術(shù)在培訓(xùn)效率和效果提升、數(shù)字化和智能化車間構(gòu)建等方面展現(xiàn)出巨大技術(shù)優(yōu)勢，對電力裝備制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有積極意義[9]。盡管目前在三維工藝技術(shù)的應(yīng)用實踐還存在一定欠缺和制約。但是可以預(yù)見，三維工藝技術(shù)將憑借集成性、交互性、直觀性等特點，可在電力一次裝備的研發(fā)設(shè)計、結(jié)構(gòu)總裝及檢修維保等環(huán)節(jié)提供強大技術(shù)支撐，將成為引領(lǐng)制造業(yè)深刻變革[10]的重要基石。