張國永，程宇浩，劉 霞

(上海電氣電站設備有限公司汽輪機廠，上海 200240)

傳統(tǒng)的工藝文件一般以文字描述和二維工程圖為主，存在空間位置表達不直觀、容易誤解文字等缺點。隨著人們對汽輪機產(chǎn)品性能需求的提高，產(chǎn)品外形、結(jié)構(gòu)愈發(fā)趨向復雜化、精細化，相應的開發(fā)設計過程已經(jīng)基本實現(xiàn)了三維可視化。與此同時，作為指導一線生產(chǎn)的工藝技術文件也需要向三維化和可視化發(fā)展。

目前市場上出現(xiàn)了許多可實現(xiàn)工藝三維化和可視化的商業(yè)軟件，如開目3DCAPP、DELMIA工藝設計平臺等。應小昆等[1]研究開發(fā)了基于DELMIA的三維數(shù)字化裝配集成平臺軟件系統(tǒng)，以輪式裝甲車輛的動力艙吊裝和輪轂裝配過程為例，進行了三維工藝設計與仿真。張朋真[2]借助DELMIA軟件的人機工程模塊，基于現(xiàn)有的人機工程分析工具，實現(xiàn)了裝配過程的人機工程仿真，生成了具有可操作性的飛機部件裝配工藝方案。徐昌飛[3]利用開目3DCAPP對手動齒輪箱裝配工藝進行了規(guī)劃，在實際生產(chǎn)中應用了三維動態(tài)裝配工藝。雖然UG和Pro/E等三維設計軟件也可以制作可視化的裝配動畫，用于實際生產(chǎn)，但對于零件數(shù)量龐大、結(jié)構(gòu)復雜的產(chǎn)品，就需要設計專用軟件，以方便快捷地進行可視化工藝規(guī)劃[4-8]。通過上述文獻可知，DELMIA、UG、Pro/E等通用建模軟件的使用場景主要針對三維靜態(tài)模型繪制，由于其軟件功能定位的限制，若要實現(xiàn)復雜模型的動態(tài)三維可視化工藝規(guī)劃，就需要使用配置很高的個人計算機，甚至還需要進行二次開發(fā)，技術難度很高，工作量也很大。開目3DCAPP雖然可以輕松應對零件數(shù)量和數(shù)據(jù)量較小的裝配部件，但對于零件數(shù)量和數(shù)據(jù)量龐大的汽輪機裝配件，進行動態(tài)三維裝配工藝規(guī)劃的難度會顯著增加。因此有必要尋求一種快速、高效的動態(tài)三維裝配工藝規(guī)劃方案。

經(jīng)市場調(diào)研，本文認為Smart3Dviewer可視化裝配工藝設計系統(tǒng)可滿足三維可視化工藝開發(fā)的需求，其已應用在多個制造領域中，包括航天器、煙草機械等。為驗證該軟件系統(tǒng)是否適用于汽輪機產(chǎn)品的三維可視化工藝開發(fā)過程，我們選擇了一種典型結(jié)構(gòu)的汽輪機，通過Smart3Dviewer可視化裝配工藝設計系統(tǒng)對機組的總裝過程進行三維可視化工藝開發(fā)。

1 總體方案

本文以一個復雜的汽輪機裝配模型作為對象，進行三維可視化裝配工藝規(guī)劃。該汽輪機裝配模型用UG NX7.5設計，含有約1萬個主要零件，模型數(shù)據(jù)總量龐大，達4.82 GB，普通配置的個人計算機和常用軟件難以處理。根據(jù)該汽輪機裝配模型的特點以及動態(tài)三維裝配工藝的要求，選用的設計軟件至少應具有模型輕量化、重新構(gòu)建裝配物料清單(Bill of Material，BOM)、三維動畫編制，以及工藝參數(shù)輸入等4項基本功能。根據(jù)以上需求，本文擬用Smart3DViewer可視化裝配工藝設計系統(tǒng)進行該汽輪機的三維裝配工藝設計。

Smart3DViewer是一套兼容當前主流三維設計軟件的可視化裝配工藝設計系統(tǒng)，它由1個主軟件APDtools和2個輔助軟件SmartAdapter、SmartViewer組成。其中SmartAdapter是安裝于UG NX的一個插件，用于裝配模型的輕量化；APDTools用于重新構(gòu)建裝配BOM、三維動畫編制以及工藝參數(shù)輸入，也可在工藝中添加數(shù)據(jù)圖表、音頻等其余要素；SmartViewer則用于瀏覽三維裝配工藝，無法對工藝進行編輯，主要應用于車間使用場景。

2 三維模型的準備和輕量化

汽輪機零部件使用三維設計軟件UG進行設計，并用UG軟件完成模型裝配。由于一臺汽輪機由多達數(shù)千個甚至上萬個零件組成，裝配模型占用了大量的計算機內(nèi)存和硬盤資源，因此，必須對各零件進行輕量化，才能進一步制作三維裝配動畫，規(guī)劃后續(xù)的三維可視化裝配工藝。

安裝SmartAdapter后，UG軟件中增加了一個下拉菜單，可對模型一鍵輕量化。在UG中安裝了SmartAdapter后新增加的菜單如圖1所示。利用該菜單，將UG里裝配好的汽輪機模型導出，便生成了擴展名為SVF的文件，文件里包含了后續(xù)所需的所有零件信息，輕量化后文件的數(shù)據(jù)大小僅為原始模型的1/20至1/10。對于含有數(shù)千個零件的裝配模型，必須采用分批輕量化的方法，在“選項配置”里設置好輕量化的精度，去掉“導出隱藏模型”勾選框，如圖2所示，然后在UG中將零部件分批隱藏和顯示。使用“導出當前模型”則會把UG中當前顯示的零部件導出成為輕量化文件，分批導出后得到若干個輕量化SVF模型文件。

圖1 UG中安裝SmartAdapter后添加的菜單

圖2 SmartAdapter選項配置

3 重新構(gòu)建裝配BOM

從UG裝配模型里導出的SVF文件保留了UG中的裝配關系和零件分組，但在后續(xù)的可視化裝配工藝規(guī)劃過程中，可能需要不同的零件分組。為方便后續(xù)工藝規(guī)劃，建議利用APDtools中的零件復制、粘貼、剪切、插入等操作對SVF文件中的零件模型進行重新分組，構(gòu)建新的裝配BOM。由于UG NX7.5不支持模型文件的中文命名，為了便于閱讀，可在APDtools中直接對零件名稱進行編輯。圖3是汽輪機內(nèi)缸內(nèi)部葉片和汽封片等零件的裝配BOM。

圖3 汽輪機內(nèi)缸裝配BOM

對于多個SVF文件，可多次使用APDTools的導入功能，逐個導入SVF文件，組合成為1個SVF文件。在后續(xù)編輯過程中，如果發(fā)現(xiàn)缺少零件模型或者模型裝配錯誤，也可以通過模型編輯功能導入缺失的零件，或者對原模型中裝配位置錯誤的零件進行位置編輯。

4 三維裝配動畫編制

編制三維裝配動畫是APDtools軟件的核心功能，也是可視化裝配工藝技術的關鍵。APDtools可實現(xiàn)零件平移、旋轉(zhuǎn)以及復合運動，視角可以隨意轉(zhuǎn)換，可漫游進入零件內(nèi)部，還可以實現(xiàn)零件透明度變化，并可利用透明度變化實現(xiàn)線纜的動態(tài)延伸展示。

雖然APDtools可以將零件拆卸的動畫過程一鍵轉(zhuǎn)換成裝配動畫過程，但是對于零件數(shù)量龐大、需要反復多次拆裝的汽輪機，不宜采用這種方法。推薦的做法是利用透明度變化的功能，在零件需要出現(xiàn)時設置為全不透明，不需要出現(xiàn)時設置為全透明，然后按照實際的裝配順序進行動畫設計。

透明度漸變是APDtools的一項特別的功能，利用透明度漸變功能，可實現(xiàn)汽輪機中熱電偶線、電纜線布線過程的動態(tài)展示，汽輪機內(nèi)缸的熱電偶線布置動畫制作如圖4所示。

圖4 熱電偶線布線動畫制作

在模型中可以添加文字標注，文字標注可以作為一個零件模型，在可視化裝配動畫中動態(tài)展示出來。

完成裝配動畫編制后，APDtools還可以檢查零件在裝配運動過程中是否會與其他零件產(chǎn)生碰撞，并會提示碰撞的具體位置，工藝設計人員可根據(jù)需要重新規(guī)劃裝配的順序或裝配運動路徑。

5 工藝參數(shù)的輸入

根據(jù)已制作好的三維裝配動畫，工藝人員可在APDtools中實現(xiàn)一鍵自動生成各裝配工序的功能，但這樣的裝配工序一般不符合實際工藝規(guī)劃的要求。這時就需要重新進行編輯，按照實際情況進行重新劃分。因為有了自動生成的裝配工序，重新劃分工序也就比較簡便，只需進行復制、粘貼并配上相應的道序描述即可。汽輪機內(nèi)缸總裝的部分工序和工步如圖5所示。

圖5 汽輪機低壓內(nèi)缸總裝工藝規(guī)程

規(guī)劃好工序和工步后，還可按需給各工序和工步添加語音說明、文字說明、記錄表格等各種工藝信息。諸如工裝圖號、零件圖號、復雜工藝技術要求等不適合用可視化方式展示的信息，則可以在各工序或工步的屬性里添加。相關的視頻、圖片等也可以添加在各工序和工步中，方便操作人員更直觀地進行對比操作。工序工步的屬性內(nèi)容編輯如圖6所示。

圖6 工序工步屬性

6 三維裝配工藝的瀏覽和使用

SmartViewer是專門用于瀏覽可視化裝配工藝的軟件，在SmartViewer里只能查看編制好的動畫以及工藝信息，不能進行編輯。由于可視化三維裝配工藝文件包含記錄表格，操作時打開記錄表格即可對實際裝配過程中的數(shù)據(jù)進行填寫，非常方便。編制好的三維裝配動畫也可導出成avi格式的視頻文件，以提供給沒有SmartViewer軟件的人員觀看。各裝配工藝道序也可以導出成XML格式的文件，供其他軟件使用。

7 結(jié) 論

本文采用Smart3DViewer可視化裝配工藝設計系統(tǒng)，對復雜的UG模型進行輕量化后制作裝配動畫，對零件數(shù)量龐大、結(jié)構(gòu)復雜的汽輪機裝配模型進行了三維裝配工藝設計，實現(xiàn)了UG裝配模型輕量化、重新構(gòu)建裝配BOM、三維動畫編制，以及工藝參數(shù)輸入等4項基本功能。工藝人員可在工藝文件中添加數(shù)據(jù)記錄表格、音視頻、圖片等多媒體文件，添加過程高效、快速。該設計系統(tǒng)的應用對指導實際生產(chǎn)具有積極作用。