李文華

（長(zhǎng)江工程監(jiān)理咨詢有限公司（湖北），湖北 武漢 430010）

水利機(jī)電設(shè)備的虛擬裝配技術(shù)淺析

李文華

（長(zhǎng)江工程監(jiān)理咨詢有限公司（湖北），湖北 武漢 430010）

對(duì)水利機(jī)電設(shè)備的虛擬裝配技術(shù)展開分析，對(duì)常用的技術(shù)特點(diǎn)、水利機(jī)電設(shè)備的安裝要求、應(yīng)用模式和實(shí)踐進(jìn)行分析，得到一定的可行性建議，為水利機(jī)電安裝工程的管理和安裝技術(shù)提供一定的依據(jù)。

虛擬裝配；安裝；水電；機(jī)電

2016年12月《水利改革發(fā)展“十三五”規(guī)劃》正式發(fā)布，提出到2020年建成防洪抗旱減災(zāi)體系、水資源配置和利用體系，屆時(shí)我國(guó)的水利基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)將進(jìn)一步得到完善。未來水利工程的建設(shè)將進(jìn)一步擴(kuò)大規(guī)模，而水利機(jī)電設(shè)備作為水利工程項(xiàng)目不可或缺的一部分，其裝配就成為了關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。如何優(yōu)化水利機(jī)電安裝成為當(dāng)前的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

虛擬裝配是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)階段，通過技術(shù)仿真在虛擬環(huán)境下對(duì)產(chǎn)品的裝配過程進(jìn)行預(yù)演，提前通過三維可視化技術(shù)將整個(gè)模擬安裝過程，從而發(fā)現(xiàn)問題，驗(yàn)證裝配可行性和裝配性能。相對(duì)于傳統(tǒng)安裝采用的“預(yù)裝整體調(diào)整法”安裝技術(shù)，虛擬安裝具有很好的協(xié)調(diào)性，將對(duì)機(jī)電安裝工程的管理和安裝技術(shù)具有極大的借鑒意義和參考價(jià)值。本文對(duì)水電設(shè)備虛擬裝配的技術(shù)特點(diǎn)，應(yīng)用模式和實(shí)踐展開分析。

1 虛擬裝配技術(shù)概述

1.1 技術(shù)概述

虛擬裝配技術(shù)是基于人機(jī)交互模式下的一種仿真技術(shù)，通過與計(jì)算機(jī)虛擬的物體進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，在虛擬環(huán)境下模擬出裝配的整個(gè)過程。最早的虛擬裝配技術(shù)是在上世紀(jì)90年代出現(xiàn)，如今經(jīng)過計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和演變，這一技術(shù)越來越成熟，對(duì)設(shè)備的可裝配性、可拆卸性、可維修性、裝配精度都能夠很好的模擬，從而提高試裝成功率，提高裝配質(zhì)量。機(jī)電安裝是水電建設(shè)中的重點(diǎn)主體工程之一，安裝難度大，利用虛擬裝配能夠有效的提高裝配的成功率。

與傳統(tǒng)裝配工藝規(guī)劃方法相比，虛擬裝配的特點(diǎn)如下。

第一，虛擬性，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供一種高度逼真、直觀自然的交互環(huán)境，能夠?qū)崟r(shí)的觀察水電機(jī)電設(shè)備裝配過程以及產(chǎn)生效果。

第二，協(xié)同性，這種協(xié)同是指在人與機(jī)器之間的協(xié)同，走人機(jī)一體的技術(shù)路線，共同構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)。

第三，集成性，虛擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)了裝配建模，裝配仿真以及工藝規(guī)劃，從而得到實(shí)物的初始裝配工藝，并驗(yàn)證裝配的可行性等。

1.2 虛擬裝配技術(shù)體系

其技術(shù)體系如圖1，幾個(gè)重要的裝配技術(shù)模塊包括了CAD幾何建模，三維虛擬仿真、裝配分析。整個(gè)虛擬裝配的實(shí)現(xiàn)過程可以概括如下：首先，基于CAD模型，提取三維幾何數(shù)據(jù)；其次，建立信息集成的裝配模型，生成設(shè)備裝配的屬性關(guān)系，基于虛擬三維仿真系統(tǒng)，觀察和操作零部件模型，生成裝配序列、路徑和可行的裝配方案，最終落實(shí)這一方案，引入裝配分析系統(tǒng)驗(yàn)證裝配方案的可行性。

圖1 虛擬裝配技術(shù)體系圖

2 虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用

裝配模型是裝配分析的最初環(huán)節(jié)，下面以對(duì)水輪發(fā)電機(jī)虛擬安裝來探討其具體的應(yīng)用過程。

2.1 裝配結(jié)構(gòu)

裝配結(jié)構(gòu)反映了產(chǎn)品的構(gòu)成，把裝配體、子裝配體和零件之間的關(guān)系表現(xiàn)為一種結(jié)構(gòu)圖的形式（見圖2），從而構(gòu)造裝配BOM，快速了解裝配體的基本構(gòu)成，定制產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，并且支持并行裝配的指導(dǎo)。

圖2 裝配結(jié)構(gòu)圖

水輪發(fā)電機(jī)裝配是一個(gè)涉及零部件多、部件間干擾大，需要準(zhǔn)確合理地將它們反映到構(gòu)建的虛擬裝配模型中，其裝配結(jié)構(gòu)中包括了如下的關(guān)系。

位置關(guān)系，描述水電機(jī)電設(shè)備中兩個(gè)零部件之間的幾何安裝位置，反映出配合關(guān)系和距離關(guān)系。配合包括了平面貼合、平面對(duì)齊、夾角配合、柱面配合等，同時(shí)還有過渡配合、過盈配合。距離關(guān)系反映出零件之間接觸關(guān)系，按精度分類。

緊固關(guān)系，兩個(gè)零件成為一體，零件間的緊固方式是必須考慮的。其包含了焊接、鉚接、銷連接、螺紋等多種連接方式，傳動(dòng)關(guān)系反映零部件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和傳動(dòng)關(guān)系，如鏈傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、繞軸的旋轉(zhuǎn)等。

2.2 虛擬技術(shù)下的網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃編制

安裝一般是分步進(jìn)行，加快進(jìn)度的方法是采用并行施工或交叉作業(yè)的方式，在水電站機(jī)電安裝過程的分步中，受到施工競(jìng)爭(zhēng)的影響，如工期要求，空間布置、工藝邏輯、工藝組織等眾多因素影響下，傳統(tǒng)工藝不再適應(yīng)，所以虛擬裝配的優(yōu)勢(shì)凸顯出來，“網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃技術(shù)”已經(jīng)成了一種工程管理不可缺少的方法，利用“網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃技術(shù)”模擬計(jì)算，明確項(xiàng)目關(guān)鍵路線和關(guān)鍵工作點(diǎn)，對(duì)空間資源加以整合計(jì)算可以獲得一套施工信息，避免窩工、誤工情況等，解決施工中遇到的空間沖突矛盾時(shí)有較強(qiáng)的靈活性，對(duì)水電站機(jī)電安裝工程有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一級(jí)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃是根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際來設(shè)計(jì)安裝，施工初期利用原有的資料與施工經(jīng)驗(yàn)先編制出的網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃初稿，然后再結(jié)合實(shí)際中我國(guó)的一些水電站的施工經(jīng)驗(yàn)資料的匯總，針對(duì)項(xiàng)目自身的特點(diǎn)，進(jìn)行合理的修正和完善，在實(shí)際的施工安裝過程中，水電站的場(chǎng)地受到限制，工位十分緊張，而且很多的水電站都是位于深山峽谷之中，施工場(chǎng)地的布置困難，實(shí)際的機(jī)電安裝所需的拼裝緊缺。如大朝山電站發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)輪、上下機(jī)架等大型的組裝件在工期限制下，而實(shí)際的安裝面積只有不到1200平米，這就使得很多工位以及進(jìn)場(chǎng)都十分的困難。為此需要編制工位的網(wǎng)絡(luò)圖，適當(dāng)?shù)哪M增設(shè)工作平臺(tái)。

另外，很多的水電站的交通條件很差，距離工地距離太遠(yuǎn)，而且長(zhǎng)期受到雨水沖刷，道路泥濘，且容易塌方，利用虛擬技術(shù)來模擬編制成套的運(yùn)輸計(jì)劃，例如可以將搭建的運(yùn)輸安排在旱季。

在水電設(shè)備安裝過程中，工期也是一個(gè)重要的因素，一方面要在施工的過程中配合土建的進(jìn)度，又要保障自己的進(jìn)度，而且其中很多的工序?qū)嶋H上是交叉的，例如壓力鋼管下平段安裝在主廠房，通過這些節(jié)點(diǎn)的按期實(shí)現(xiàn)來有效保證年度工期的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)以及廠房開挖結(jié)束時(shí)的再進(jìn)行安裝。利用虛擬裝配技術(shù)進(jìn)行分析和實(shí)驗(yàn)，還可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃進(jìn)行修正，通過模擬，編制出更為準(zhǔn)確、精確的，更符合施工條件的網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃，有效指導(dǎo)整個(gè)機(jī)電的安裝過程，虛擬技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃進(jìn)一步的編制出二級(jí)、三級(jí)等一系列網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃，便與合理安排安裝施工、勞力調(diào)配以及資源消耗量的計(jì)算。

2.3 裝配可視化

利用現(xiàn)行的計(jì)算機(jī)輔助和VR系統(tǒng)，通過輸入到虛擬環(huán)境，通過三維交互設(shè)備和顯示設(shè)備，可以選擇、生成、修改裝配軌跡或進(jìn)行裝配?？梢暬哪K部分可以為用戶提供監(jiān)測(cè)警告，如果軌跡信息、裝配順序的不合理，都會(huì)產(chǎn)生影響，施工人員可以直接觀察和操作零部件模型，同時(shí)進(jìn)行裝配復(fù)雜度估算、裝配成本估算及裝配過程人機(jī)工程估算等。

2.4 虛擬技術(shù)的效果

目前虛擬裝配技術(shù)已經(jīng)在很多水電設(shè)備中得到使用，如公伯峽水電站、大朝山電站，通過虛擬技術(shù)的應(yīng)用，提高的不僅僅是水電站的設(shè)備裝配效率，通過系統(tǒng)實(shí)施,也能促進(jìn)工程管理人員現(xiàn)代管理觀念的更新, 增強(qiáng)機(jī)件模型的真實(shí)感。尤其是針對(duì)一些項(xiàng)目比較復(fù)雜、工期緊張、規(guī)模特大的水電站設(shè)備裝配，虛擬技術(shù)有著很大的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)出現(xiàn)的各種不確定因素以及協(xié)調(diào)工作容易偏差的問題而進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控管理，從而將這些問題進(jìn)行有效的解決。

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