王蘭，張志偉，張利賢，李亞輝，張茄新

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西寶雞 721002；2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司，陜西寶雞 721002）

0 引言

自動(dòng)化鉆機(jī)管柱處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)周期長、成本高，樣機(jī)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的各類設(shè)計(jì)缺陷問題嚴(yán)重制約自動(dòng)化鉆機(jī)的研制進(jìn)程。為減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造成本，加快產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)度，在智能制造理念的引領(lǐng)下，非常有必要合理選擇、應(yīng)用仿真三維動(dòng)畫技術(shù)在虛擬空間對研發(fā)產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)。

1 石油鉆機(jī)管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)工作原理分析

鉆機(jī)管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)是以自動(dòng)化設(shè)備代替人工將鉆井用鉆桿、套管等鉆具由地面輸送至井口或鼠洞，完成鉆具連接、立根排放并實(shí)現(xiàn)起、下鉆工況下鉆具的自動(dòng)化轉(zhuǎn)移處理等工作。主要有建立根、起鉆、下鉆、甩鉆等工況。以某型號(hào)自動(dòng)化鉆機(jī)管柱系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)配套有液壓排管架、動(dòng)力貓道、鉆臺(tái)機(jī)械手、防噴泥漿盒、緩沖機(jī)械手、鐵鉆工、氣動(dòng)卡瓦、液壓吊卡、二層臺(tái)排管裝置等自動(dòng)化工具，系統(tǒng)組成如圖1所示，各個(gè)單元設(shè)備相互配合，完成對鉆具的處理過程。

圖1 鉆機(jī)管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)組成

以該系統(tǒng)建立根作業(yè)為例，其工藝流程為：液壓排管架將鉆桿滾動(dòng)至動(dòng)力貓道排管架；動(dòng)力貓道排管架每次滾動(dòng)一根鉆桿至動(dòng)力貓道送鉆裝置；動(dòng)力貓道送鉆裝置將鉆桿輸送至鉆臺(tái)面；液壓吊卡上提第一根鉆桿至井口，同時(shí)動(dòng)力貓道輸送第二根鉆桿至鉆臺(tái)面；液壓吊卡上提第二根鉆桿至鼠洞，同時(shí)動(dòng)力貓道輸送第三根鉆桿至鉆臺(tái)面；液壓吊卡上提第三根鉆桿至鼠洞上方，鐵鉆工完成第二、三根鉆桿的上扣；液壓吊卡上提第二、三根鉆桿至井口上方，鐵鉆工完成第一、二根鉆桿的上扣；液壓吊卡上提第一、二、三根鉆桿至二層臺(tái)上方，二層臺(tái)排管裝置將立根排放至二層臺(tái)。至此，完成一組建立根作業(yè)。

2 仿真三維動(dòng)畫技術(shù)應(yīng)用分析

2.1 鉆機(jī)管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)設(shè)備三維模型建立

如圖2所示，三維模型的建立是以二維設(shè)計(jì)圖樣為基準(zhǔn)，將其導(dǎo)入三維建模軟件作為參照，進(jìn)行三維模型創(chuàng)建。本案例的設(shè)備三維模型主要來自機(jī)械設(shè)計(jì)類軟件建立的單元設(shè)備三維模型，部分外圍設(shè)備模型采用三維動(dòng)畫軟件進(jìn)行創(chuàng)建。然后需將各單元設(shè)備三維模型以STEP、STL等中間格式輸出，在一個(gè)仿真軟件的虛擬空間內(nèi)按照二維圖樣總體設(shè)計(jì)方案完成三維布放。

圖2 三維模型的建立流程圖

完成系統(tǒng)三維布放之后，為真實(shí)模擬總體方案，完整呈現(xiàn)設(shè)計(jì)效果，按照系統(tǒng)油漆方案對設(shè)備的各組成部分添加材質(zhì)效果，同時(shí)進(jìn)行簡單的燈光、場景設(shè)計(jì)。

運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)整：本案例運(yùn)動(dòng)仿真的實(shí)現(xiàn)主要依靠動(dòng)畫軟件的運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)畫、骨骼動(dòng)畫、參數(shù)動(dòng)畫、約束動(dòng)畫、關(guān)聯(lián)參數(shù)等功能[1]。首先調(diào)整運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)軸位置，創(chuàng)建必要的輔助對象，然后對關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行鏈接和動(dòng)作約束。

2.2 運(yùn)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

首先對建立根運(yùn)動(dòng)流程進(jìn)行分解，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，分解動(dòng)作流程，并為每套動(dòng)作賦予時(shí)間要求，設(shè)計(jì)包含流程動(dòng)作及各設(shè)備運(yùn)動(dòng)時(shí)間長度的流程表（如圖3），按運(yùn)動(dòng)時(shí)間的先后，在仿真三維動(dòng)畫軟件中依次設(shè)定每一運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的關(guān)鍵幀動(dòng)畫。

圖3 運(yùn)動(dòng)流程圖

2.3 運(yùn)動(dòng)軌跡分析

在進(jìn)行流程關(guān)鍵幀動(dòng)畫設(shè)定的同時(shí)，反復(fù)推敲流程是否合理，必要時(shí)打開運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)軌跡線，確認(rèn)與方案設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)軌跡是否一致。對運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，讓運(yùn)動(dòng)流程更合理，將調(diào)整后的運(yùn)動(dòng)軌跡線輸出為二維線條供設(shè)計(jì)參考。最后將整段運(yùn)動(dòng)仿真以可視化視頻形式輸出，提供給設(shè)計(jì)者，進(jìn)行設(shè)計(jì)方案再評審。

2.4 檢查

為了確保運(yùn)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的完整性和準(zhǔn)確性，在建立完整的運(yùn)動(dòng)軌跡后，需對設(shè)備相對運(yùn)動(dòng)位置進(jìn)行檢查，在仿真運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，查看作業(yè)時(shí)的設(shè)備間距，對距離較近的兩設(shè)備極端點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)間距查看，測量最小運(yùn)動(dòng)間距，確保設(shè)備之間有足夠的安全距離。

3 仿真三維動(dòng)畫技術(shù)應(yīng)用關(guān)鍵問題及解決方案

仿真的目的是要達(dá)到提前預(yù)演設(shè)計(jì)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)。提前精確模擬真實(shí)產(chǎn)品，確保仿真結(jié)果準(zhǔn)確，需要綜合分析設(shè)計(jì)方案和仿真軟件等多方面因素。在進(jìn)行建立根作業(yè)仿真三維動(dòng)畫工作時(shí)，會(huì)存在模型占用空間大，運(yùn)動(dòng)順序和時(shí)間卡點(diǎn)偏差，設(shè)備間動(dòng)態(tài)測量不準(zhǔn)確等問題，這些問題直接影響仿真三維動(dòng)畫的顯示效果和應(yīng)用的準(zhǔn)確性。針對以上3點(diǎn)問題，采用三維模型精細(xì)化處理、運(yùn)動(dòng)流程理論規(guī)劃、創(chuàng)建卷尺輔助對象等方法，獲得了較為精確的鉆機(jī)管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)三維動(dòng)畫。

3.1 模型的精細(xì)化處理

分析模型的重要性，對設(shè)備三維模型分類型建造，以機(jī)械設(shè)計(jì)軟件創(chuàng)建的三維模型，參數(shù)化建模，獲得的模型尺寸精確、細(xì)節(jié)豐富，可用于設(shè)計(jì)圖樣輸出、力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)仿真等。以三維動(dòng)畫軟件創(chuàng)建的三維模型，考慮工作效率，所建三維模型相對設(shè)計(jì)方案來說較為簡化，可作設(shè)計(jì)參考、運(yùn)動(dòng)仿真分析、產(chǎn)品可視化。管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)建立根仿真所需的設(shè)備數(shù)量多，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，如果將設(shè)計(jì)建模直接合并，會(huì)造成文件占用系統(tǒng)空間大、軟件運(yùn)行卡頓或報(bào)錯(cuò)等情況，不利于仿真工作的開展。因此，在布放前，需將各設(shè)備進(jìn)行簡化處理，在不影響仿真三維動(dòng)畫制作的前提下，盡量多地去除無關(guān)仿真結(jié)構(gòu)，包括驅(qū)動(dòng)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)的內(nèi)部機(jī)構(gòu)。模型精細(xì)化處理（如圖4）解決了仿真文件占用空間大的問題。

圖4 模型精細(xì)化處理前后對比

3.2 運(yùn)動(dòng)流程理論規(guī)劃

一般三維動(dòng)畫的制作是以運(yùn)動(dòng)先后順序進(jìn)行關(guān)鍵幀動(dòng)作設(shè)定，在一定時(shí)間內(nèi)完整演示運(yùn)動(dòng)流程。與一般三維動(dòng)畫制作不同的是，仿真三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)要具備更高的準(zhǔn)確性和真實(shí)性，所以仿真三維動(dòng)畫的制作要以設(shè)計(jì)方案為依據(jù)，以設(shè)計(jì)的各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件實(shí)際工作時(shí)間為參數(shù)，進(jìn)行關(guān)鍵幀動(dòng)作的設(shè)定。如果運(yùn)動(dòng)順序和時(shí)間卡點(diǎn)偏差較大，容易導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)仿真分析結(jié)果失真，誤導(dǎo)設(shè)計(jì)。進(jìn)行管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)建立根三維動(dòng)畫仿真之前，計(jì)算系統(tǒng)的所有運(yùn)動(dòng)部件理論行程并確定相應(yīng)運(yùn)動(dòng)時(shí)長，建立完整的運(yùn)動(dòng)流程關(guān)鍵幀動(dòng)作表，按照運(yùn)動(dòng)流程表進(jìn)行關(guān)鍵幀動(dòng)作編寫（如表1），最后按編寫內(nèi)容逐一進(jìn)行關(guān)鍵幀動(dòng)畫設(shè)置。采用這種方式與方案設(shè)計(jì)同步，解決了運(yùn)動(dòng)時(shí)間點(diǎn)與理論不相符的問題。

表1 某運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)關(guān)鍵幀動(dòng)作編寫

3.3 設(shè)備間距動(dòng)態(tài)測量

由于仿真三位動(dòng)畫要真實(shí)虛擬設(shè)備運(yùn)動(dòng)時(shí)間和運(yùn)動(dòng)軌跡，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)，在預(yù)覽動(dòng)畫時(shí)，需檢查運(yùn)動(dòng)中的干涉問題，同時(shí)也要確保設(shè)備之間有足夠的安全距離，因此，對設(shè)備間距的測量必不可少。因?yàn)橛^察者視角的不同，距離是有偏差的，所以常用的停在某一動(dòng)畫幀測量設(shè)備間距的方法所得結(jié)果并不一定是正確的。因此，如何實(shí)現(xiàn)相互運(yùn)動(dòng)的設(shè)備之間動(dòng)態(tài)距離的測量是需要解決的關(guān)鍵問題。在管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)建立根仿真分析中，應(yīng)用三維動(dòng)畫軟件創(chuàng)建卷尺輔助對象進(jìn)行測量的方法可有效解決這個(gè)問題。具體操作為：打開捕捉開關(guān)，在兩設(shè)備的極端間距點(diǎn)處，將卷尺的兩端分別移動(dòng)至兩點(diǎn)，并將卷尺兩端鏈接至相應(yīng)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件上，完成設(shè)置后，通過滑動(dòng)動(dòng)畫幀時(shí)間線查看卷尺數(shù)據(jù)的變化，得出最小間距（如圖6）。這種間距動(dòng)態(tài)測量法，解決了最小間距測量不準(zhǔn)確的問題。

圖6 設(shè)備間距離測量

4 結(jié)論

石油鉆機(jī)管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)適應(yīng)工況和工藝流程較為復(fù)雜，在研發(fā)過程中利用仿真三維動(dòng)畫技術(shù)對鉆機(jī)管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真和分析，以可視化形式對建立根過程進(jìn)行直觀的模擬，對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了驗(yàn)證，對系統(tǒng)存在的缺陷反饋給設(shè)計(jì)者進(jìn)行修改，減少了產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造成本，加快了產(chǎn)品研發(fā)。

在仿真三維動(dòng)畫制作過程中，需依據(jù)原始設(shè)計(jì)建立準(zhǔn)確的三維模型，按照實(shí)際情況分解流程、設(shè)計(jì)程序，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。針對仿真三維動(dòng)畫分析時(shí)出現(xiàn)的模型大、運(yùn)動(dòng)順序和時(shí)間卡點(diǎn)偏差大、設(shè)備運(yùn)動(dòng)距離測量不準(zhǔn)確等問題，可通過模型簡化處理、運(yùn)動(dòng)流程理論規(guī)劃、采用創(chuàng)建卷尺輔助對象的方法加以解決。仿真三維動(dòng)畫的實(shí)例應(yīng)用代表了企業(yè)在發(fā)展過程中對于仿真三維動(dòng)畫的實(shí)際需求[2]。應(yīng)用仿真三維動(dòng)畫技術(shù)的優(yōu)勢顯而易見，它不僅限于機(jī)械運(yùn)動(dòng)仿真，還有設(shè)備布局、安裝順序預(yù)驗(yàn)證，以及攝像頭、燈光可視化仿真等，今后這類技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用將會(huì)越來越廣。