基于3D 打印和VR 技術(shù)的水輪發(fā)電機(jī)組教具設(shè)計

黃仁澤

（重慶大唐國際彭水水電開發(fā)有限公司，重慶 400047）

水輪發(fā)電機(jī)組是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，由許多機(jī)械部件和電子元器件組成。在水電發(fā)電機(jī)組檢修過程中，檢修工人必須具備豐富的理論知識和實踐經(jīng)驗，才能快速判斷問題的根源，并采取合適的措施進(jìn)行處理。只有經(jīng)過專業(yè)的培訓(xùn)和實踐，檢修工人才能掌握足夠的技能和經(jīng)驗。

經(jīng)調(diào)研，現(xiàn)行檢修專項培訓(xùn)通常采用兩種方式：一是采用傳統(tǒng)授課方式，使用平面圖紙進(jìn)行理論講解，參加培訓(xùn)的人員缺乏立體全面認(rèn)知；二是參與檢修實踐，培訓(xùn)人員觀摩或參與部分檢修實操。但是，機(jī)組檢修過程中很多工作屬于高風(fēng)險作業(yè)，同時受工期、工序影響，并不適合開展實踐培訓(xùn)，工作人員很難全面了解機(jī)組結(jié)構(gòu)及各零部件的裝配關(guān)系和檢修要點。

為解決檢修專項培訓(xùn)中存在的不足，保證后續(xù)機(jī)組檢修專業(yè)人才儲備，提高員工檢修技能水平，迫切需要開發(fā)一種結(jié)合實踐與虛擬現(xiàn)實的新型教學(xué)培訓(xùn)方式，開展具有系統(tǒng)性、靈活性、專業(yè)性的機(jī)組大規(guī)模檢修專項培訓(xùn)。

1 水輪發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)

水輪發(fā)電機(jī)組是水電站的核心設(shè)備，由水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)兩大部分組成。通過水輪機(jī)將水的能量轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)軸的機(jī)械能，然后由轉(zhuǎn)軸驅(qū)動發(fā)電機(jī)切割磁場，從而獲得電能[1]。以重慶彭水水電廠的立軸半傘式水輪發(fā)電機(jī)組作為參考，進(jìn)行三維模型開發(fā)。彭水水電廠水輪發(fā)電機(jī)組整體裝配圖，如圖1 所示。

圖1 彭水水電廠水輪發(fā)電機(jī)組整體裝配圖

水輪機(jī)主要包含基礎(chǔ)環(huán)、底環(huán)、座環(huán)、蝸殼、機(jī)坑里襯、接力器、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、水導(dǎo)軸承、主軸密封和水輪機(jī)軸等部件。發(fā)電機(jī)主要包括上機(jī)架、上導(dǎo)軸承、定子、定子機(jī)座、轉(zhuǎn)子、上端軸、下端軸、下機(jī)架、下導(dǎo)軸承、推力軸承、集電環(huán)刷架和主軸空氣閥等部件[2]。

2 機(jī)組三維數(shù)字模型的建立

2.1 建模思路

對于水輪發(fā)電機(jī)組的三維建模，可以采用兩種方式。第一，自上而下的逆向建模方式。使用三維激光掃描設(shè)備對已有的實體零件進(jìn)行掃描建模。該方法雖然難度相對較低，但是精度不高。第二，自下而上的正向建模方式。通過三維計算機(jī)輔助設(shè)計（Computer Aided Design，CAD）軟件逐一設(shè)計開發(fā)零件的數(shù)字模型。對于水輪發(fā)電機(jī)組這種曲面復(fù)雜、多處鏤空的零件，正向建模會較困難，但是通過這種方式完成的三維模型精度較高。

水輪發(fā)電機(jī)組一般位于封閉的地下廠房，設(shè)備零件繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大。加之部分零件在電站基建時期已經(jīng)固定，無法通過三維激光掃描儀對機(jī)組進(jìn)行全方位的實物掃描建模，同時考慮模型所需精度，最終采用正向建模的方式構(gòu)建機(jī)組三維模型。

常用工業(yè)制造三維建模軟件有UG、ProE、SolidWorks 和CATIA 等?？紤]SolidWorks 在非標(biāo)設(shè)計中的優(yōu)勢，軟件本身的操作學(xué)習(xí)難度不高，并且使用其配套的eDrawings 軟件可以進(jìn)行虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）教學(xué)應(yīng)用，選定SolidWorks 作為完成機(jī)組三維建模的設(shè)計軟件[3]。

2.2 建模過程

以機(jī)組CAD 圖紙、便攜文檔格式圖紙和現(xiàn)場拆裝測量尺寸為參考，聽取機(jī)組檢修專業(yè)人員的意見和建議，逐一繪制每個零部件結(jié)構(gòu)的平面草圖，進(jìn)行尺寸標(biāo)注，并添加幾何約束和基本特征，得到同實體形狀、尺寸完全一致的三維數(shù)字模型零件。機(jī)組部分零件三維模型，如圖2 所示。

圖2 水輪發(fā)電機(jī)組部分零件三維模型

所有零件建模完成后，按照不同部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行整理分類。進(jìn)入裝配體編輯界面，根據(jù)立軸半傘式水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)要求，添加每個零部件之間的配合關(guān)系。模擬現(xiàn)實裝配過程，保證各零部件之間的機(jī)理特性與實際一致，最終得到1 ∶1 水輪發(fā)電機(jī)組總裝配體三維模型，共計6 576 個非標(biāo)零件。水輪發(fā)電機(jī)組總裝配體模型如圖3 所示，水輪發(fā)電機(jī)組部分部件裝配三維模型如圖4 所示[4]。

圖3 水輪發(fā)電機(jī)組總裝配體模型

圖4 水輪發(fā)電機(jī)組部分部件裝配三維模型

3 教具3D 打印的實現(xiàn)過程

3.1 3D 打印技術(shù)介紹

3D 打印也叫增材制造，是一種快速成型技術(shù)。作為第三次工業(yè)革命的代表新興技術(shù)，它與傳統(tǒng)的減材加工方法完全相反，由三維數(shù)字模型數(shù)據(jù)驅(qū)動，通過逐層添加材料的方式直接制造產(chǎn)品。隨著3D 打印技術(shù)的發(fā)展與成熟，它已在航空航天、機(jī)械制造、建筑設(shè)計和醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[5]。

目前，3D 打印技術(shù)按物料形態(tài)及成型原理可分為擠出熔融成型、粒狀物料成型和光聚合成型3 種類型。結(jié)合制造水輪發(fā)電機(jī)組教具的實際需求，初步篩選出熔絲堆積成形（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）、選擇性激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）、立體光固化成型（Stereo Lithography Appearance，SLA）、數(shù)字光處理（Digital Light Processing，DLP）和液晶顯示（Liquid Crystal Display，LCD）5 種3D 打印技術(shù)。統(tǒng)一3D 打印的成型體積，調(diào)查這5 種技術(shù)的實際產(chǎn)品信息并進(jìn)行分析對比。篩選出的3D 打印技術(shù)特點對比，如表1 所示。

表1 篩選出的3D 打印技術(shù)特點對比

分析對比5 種3D 打印技術(shù)可知，F(xiàn)DM 打印技術(shù)成本最低，通過噴頭加熱將熔融狀態(tài)的熱塑性材料擠出，快速冷卻凝固，逐層堆積成型，常規(guī)打印精度在0.1 mm，而且成本低、打印耗時中等，可以用來打印轉(zhuǎn)輪、轉(zhuǎn)子支架、下機(jī)架等精度要求不高的零件。SLM 打印技術(shù)主要用于工業(yè)打印，加上成本昂貴、精度一般，不考慮使用。SLA、DLP 和LCD 都屬于光聚合成型，其中：SLA 采用紫外線激光器為光源，利用旋轉(zhuǎn)鏡片對剖面進(jìn)行精確掃描，形成立體結(jié)構(gòu)；DLP 利用紫外線投影機(jī)作為光源，一次固化一層，速度比SLA 快；LCD 使用液晶屏遮蓋紫外線光源形成打印橫截面逐層固化，常規(guī)打印精度在0.05 mm，和DLP 速度相同，雖然耐用性不如DLP，需定時更換液晶屏，但是綜合成本更低，適合打印拐臂、軸套、導(dǎo)葉等數(shù)量多、精度要求高的零件。最終選取FDM和LCD 兩種3D 打印技術(shù)結(jié)合使用的方式，制造機(jī)組教具。

3.2 3D 打印過程

在SolidWorks 軟件中，將模型零件轉(zhuǎn)換為STL格式的文件導(dǎo)出，根據(jù)每個零件的安裝工藝、強(qiáng)度要求、精度要求選用適宜的3D 打印設(shè)備，打印比例為1 ∶25。3D 打印過程所使用的FDM 打印機(jī)、LCD打印機(jī)，分別以PrusaSlicer、Photon Workshop 作為切片軟件。FDM 打印機(jī)成型平臺的尺寸為300 mm×300 mm×400 mm，選用PLA 作為打印耗材，打印步驟少，適合打印精度不高、表面粗糙、強(qiáng)度較高的零件[6]。PLA 相比ABS、碳纖維和尼龍等材料打印條件更低，易于打印，而且其強(qiáng)度能夠滿足需求。LCD 打印機(jī)成型平臺的尺寸為300 mm×296 mm×400 mm，考慮模型各機(jī)構(gòu)之間的運動，選用韌性好、強(qiáng)度高的韌性光敏樹脂，打印過程煩瑣，需要酒精清洗和二次固化，適合打印強(qiáng)度適中的精細(xì)零件。FDM 打印機(jī)和LCD 打印機(jī)實物圖，如圖5 所示。

圖5 FDM 打印機(jī)和LCD 打印機(jī)實物圖

對于偏向于強(qiáng)度零件的使用FDM 打印機(jī)。首先，將STL 格式的模型文件導(dǎo)入PrusaSlicer 軟件，在軟件中將模型縮放至打印比例，調(diào)整模型方向，設(shè)置打印體積。其次，選擇PLA 材料，適配打印溫度、打印速度、冷卻及其他設(shè)置，選擇打印層高。為兼顧打印時間和質(zhì)量，使用0.15 mm或0.20 mm的層高。再次，設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)和填充。填充的設(shè)置根據(jù)所打印零件的強(qiáng)度要求可適應(yīng)性調(diào)整，一般非承重零件選擇15%填充，以減少打印時間和材料消耗，而對強(qiáng)度要求高的零件可100%填充打印。最后，進(jìn)行切片，導(dǎo)出后綴為.gcode 的代碼文件，并導(dǎo)入FDM 打印機(jī)進(jìn)行打印。打印完成后拆除支撐結(jié)構(gòu)，即可得到最終成型零件。

對于偏向于精度的零件使用LCD 打印機(jī)。首先，將STL 格式的模型文件導(dǎo)入Photon WorkShop 軟件，在軟件中將模型縮放至打印比例，調(diào)整模型方向，設(shè)置支撐密度、支撐點接觸深度、支撐桿直徑等參數(shù)，選擇自動生成支撐，檢查并手動修正支撐。其次，根據(jù)所選的光敏樹脂特點設(shè)置合適的曝光時間、打印層高和打印速度進(jìn)行切片，導(dǎo)出后綴為.pm3m 的代碼文件。再次，將打印好的零件粗胚從打印平臺上取下，用95%乙醇清洗表面余料，拆除支撐。最后，將零件放置在二次固化機(jī)中，二次固化4 ～5 min，得到最終成型零件。機(jī)組零件3D 打印流程圖，如圖6 所示。

圖6 機(jī)組零件3D 打印流程圖

3.3 成型零件的裝配

分類整理成型的實體零件，部分零部件內(nèi)嵌螺母以增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。準(zhǔn)備裝配所需的螺栓、螺母和銷釘?shù)?，根?jù)機(jī)組整裝工藝要求逐步進(jìn)行水輪發(fā)電機(jī)組教具的裝配。水輪發(fā)電機(jī)組整機(jī)教具，如圖7 所示。

圖7 水輪發(fā)電機(jī)組整機(jī)1 ∶25 實物教具

4 三維模型培訓(xùn)系統(tǒng)及VR 技術(shù)的應(yīng)用

4.1 三維模型培訓(xùn)系統(tǒng)

將水輪發(fā)電機(jī)組數(shù)字模型導(dǎo)出為超文本標(biāo)記語言（Hyper Text Markup Language，HTML）格式，配置導(dǎo)出選項，如導(dǎo)出精度、單位等設(shè)置。將導(dǎo)出的HTML 文件上傳至電站三區(qū)信息服務(wù)器的公共目錄，在已建的內(nèi)網(wǎng)三區(qū)工況及趨勢預(yù)警分析系統(tǒng)界面上配置點擊按鈕，可點擊按鈕通過統(tǒng)一資源定位器（Uniform Resource Locator，URL）訪問模型文件進(jìn)行學(xué)習(xí)培訓(xùn)。水輪發(fā)電機(jī)組三維模型培訓(xùn)系統(tǒng)，如圖8 所示[7-9]。

圖8 水輪發(fā)電機(jī)組三維模型培訓(xùn)系統(tǒng)

4.2 VR 培訓(xùn)

通過VR 技術(shù)部署水輪發(fā)電機(jī)組虛擬環(huán)境，工作人員可以在虛擬環(huán)境中模擬水輪發(fā)電機(jī)組的運行狀態(tài)和故障情況，并學(xué)習(xí)如何檢修設(shè)備、處理故障和進(jìn)行維護(hù)操作。水輪發(fā)電機(jī)組VR 培訓(xùn)畫面，如圖9 所示。

圖9 水輪發(fā)電機(jī)組VR 培訓(xùn)畫面

在VR 界面里，水輪發(fā)電機(jī)組以1 ∶1 的比例展現(xiàn)在工作人員面前。在VR 場景中，可以輕松查看設(shè)備結(jié)構(gòu)，還可以通過手柄拆裝零件，查看零件的相關(guān)信息，觀看整機(jī)的三維爆炸視圖，在虛擬水輪發(fā)電機(jī)組內(nèi)自由穿梭。

5 結(jié)語

以彭水水電廠水輪發(fā)電機(jī)組為參考，利用FDM和LCD 兩種3D 打印技術(shù)相結(jié)合的方式，進(jìn)行1 ∶25立軸半傘式水輪發(fā)電機(jī)組教具開發(fā)。應(yīng)用該模型教具進(jìn)行教學(xué)培訓(xùn)，將理論與實踐相融合的教學(xué)模式，開展具有系統(tǒng)性、靈活性、專業(yè)性的機(jī)組大規(guī)模檢修專項培訓(xùn)。參加培訓(xùn)的人員可以親手拆裝水輪發(fā)電機(jī)組，熟悉機(jī)組檢修工藝，使得機(jī)組整機(jī)檢修工藝知識點的講解更加生動有趣，同時增強(qiáng)參訓(xùn)人員的檢修技能和動手能力。在電廠水輪發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)原理及檢修工藝培訓(xùn)中，該模型教具已成為重要的輔助工具。