三維CAD軟件在煙草加工線布局設計中的應用

劉光明，王利軍，孫仕榮，王鵬祥

（1.昆明船舶設備集團有限公司，云南 昆明 650051；2.云南冶金 昆明重工有限公司，云南 昆明 650203）

1 煙草加工工藝總體設計的特點

煙草加工線主要包括制絲生產(chǎn)線和打葉復烤生產(chǎn)線。目前，煙草加工線的工藝總體設計主要使用二維平面設計手段，其不足之處是總體的平面、立面（剖面）、單機三視圖及剖視圖數(shù)據(jù)的一致性很難保證，設計過程中難免存在修改，且修改時相關的各視圖中存在遺漏的可能較大，致使審圖的工作量大；其次，參數(shù)很難提取以作為單機設計的輸入，設計效率不高，有時難以滿足用戶快速響應的需求。

煙草加工線是由若干單機設備順序連接而成，其中包括煙草工藝處理的主機設備、聯(lián)接主機的輔聯(lián)設備及檢測設備等。主機的種類和系列較多，但是每一個系列的產(chǎn)品尺寸規(guī)格為離散的幾個，主機設備的外形結構相對復雜；輔聯(lián)設備種類少，但尺寸變化較多，主要包括帶式輸送機、振動輸送機、鏈式輸送機和輥式輸送機等。由于各煙廠的物料狀況、工藝要求及場地結構等的差異，使各條生產(chǎn)線主機的種類、數(shù)量及布置方位都不盡相同，接口也難以標準化，以致輔聯(lián)設備的尺寸規(guī)格難以窮舉；尤其改造項目中，尺寸常精確到1mm，而不作圓整，因此有必要實施參數(shù)化。鑒于二維平面設計的不足和煙草加工線的特點，在此提出采用三維方法來進行工廠布局設計。

2 工廠設計對三維CAD軟件的基本要求

隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，設計軟件等工具也日新月異，三維設計作為一種先進的設計手段，在工程項目中得到了廣泛運用。尤其在機械行業(yè)中，其在單機設備、數(shù)字化零部件的設計應用更為廣泛，而三維工廠設計對軟件的要求與單機及零部件設計有較大的不同，單機要求細節(jié)準確，而工廠設計更注重接口及極限尺寸、設備外觀、性能參數(shù)等。三維工廠設計包括工程設計、效果渲染、工藝處理運動仿真、漫游動畫展示等。工廠設計涉及的模型種類復雜，包括生產(chǎn)線的單機設備、土建、通用工程、空調(diào)系統(tǒng)等。目前三維軟件應用于工廠設計的主要有AVEVA公司的PDMS，BENTLEY公司的PSDS，歐特克公司的PLANT 3D和鷹圖公司的 PDS、Smart plant 3D、CADWorx等。這些軟件在以管線設計為重點的石化、水泥、制氧等行業(yè)的工廠設計中運用已經(jīng)比較成熟［1-3］，在冶金、電力、汽車制造等行業(yè)的工廠設計中得到快速發(fā)展［4］，在其他行業(yè)的效果圖設計方面也已經(jīng)大量使用，而在工程設計方面還稍顯欠缺，主要的矛盾在于：三維工程設計軟件對硬件的要求較高，參數(shù)化設計實現(xiàn)并不方便，各部門或者各公司使用的三維軟件不盡相同，在轉(zhuǎn)換成通用格式時，數(shù)據(jù)冗余量大，處理速度也較慢。

三維軟件的設計模型分為3種：三維線框、三維表面及三維實體［5］。三維線框模型可以提供外形的大致估計，使各視圖的一致性得到保證。三維表面模型可以提供隱藏、著色和渲染計算。三維實體模型可以提供實體的物理特性，包括體積、干涉量、重心。三維線框模型由于不具有表面，因此無法生成適用的二維工程圖。三維表面和三維實體模型都可以實現(xiàn)工廠的表達。由于煙草工廠所涉及的設備數(shù)目多、結構復雜，三維設計的普及速度也就相當慢。隨著三維軟件的進一步升級優(yōu)化，硬件的逐漸發(fā)展，兩者互相匹配的能力越來越高，三維設計的使用也會越來越廣泛。三維工廠設計對軟件的主要要求如下：①對于在三維總體布置中有聯(lián)接關系的單機設備，能輸出俯視圖及立面投影圖；②能實現(xiàn)聯(lián)動更新，即在某個布局里更換某臺設備，能在其余的視圖里實現(xiàn)同步更新（一般是三維里修改，在平立面圖打開時提示并提供更新）；③能實現(xiàn)設備的參數(shù)化設計；④能提取單機設備的參數(shù)及屬性，生成總體明細表及單機特性參數(shù)表；⑤能與PDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)）共享數(shù)據(jù)，并能用PDM數(shù)據(jù)驅(qū)動模型參數(shù)；⑥計算機處理千臺量級的設備單機模型和各種管道閥門等工廠附件及通用工程的模型，速度要能接受。

以爬坡的某型振動輸送機（見圖1）的參數(shù)化設計為例，其尺寸參數(shù)主要包括：槽寬、槽幫高、進料口高、出料口高、水平投影總長、出口與前支腿的距離、收口長、收口寬、擴口長、擴口寬等；結構參數(shù)主要包括：斜出口向左／右，電機／操作面板置于左／右側，是否出料端收口、進料端擴口，是否帶排水盒、氣動門、均料結構等。其尺寸參數(shù)和結構參數(shù)均需要實現(xiàn)一定的關聯(lián)關系。

圖1 振動輸送機外形圖

尺寸參數(shù)的關聯(lián)關系按強弱可以分為：始終等式關聯(lián)、不等式判斷決定是否關聯(lián)、初始值定義關聯(lián)等。這些關聯(lián)可以使模型具有更強的適用性和方便性。結構參數(shù)需要CAD程序支持邏輯控制，該控件是三維CAD顯示／隱藏功能的進一步強化，該功能可以減少設備庫中模型個數(shù)，進一步增強模型的適應性。

3 三維CAD與PDM的集成分析

設計團隊涉及更多的協(xié)同工作，產(chǎn)品數(shù)據(jù)的管理和傳遞需要PDM的支持。面向三維CAD的PDM與面向二維的PDM不同點主要在于其設計方法不同，造成設計過程管理的不同和設計過程的復雜性不同（三維包含豐富的幾何信息、特征信息和工藝信息）［6］，三維的設計數(shù)據(jù)具有多點相互關聯(lián)的功能，因此要求PDM應有更強大的數(shù)據(jù)管理功能。

PDM與CAD三種直接集成方式如下：①PDM與CAD封裝集成；②PDM與CAD接口的集成；③PDM與CAD的緊密集成［7］。第一種集成方式是在PDM中調(diào)用CAD程序，并不管理文件內(nèi)部的數(shù)據(jù)，只能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的單向傳遞，數(shù)據(jù)的提取和對比不方便。第二種是利用API編制中間接口程序，實現(xiàn)PDM和CAD數(shù)據(jù)共享，較為容易，但是大量使用三維通用格式，使運行速度減慢。第三種是底層開發(fā)以達到兩個系統(tǒng)對產(chǎn)品數(shù)據(jù)、應用數(shù)據(jù)等所有類型數(shù)據(jù)的雙向交換和共享，要求PDM和CAD的開發(fā)者向?qū)Ψ焦荚创a。

煙草機械并非通用設備，與其他行業(yè)的交叉甚少，各家設備生產(chǎn)商提供的結構和尺寸無法統(tǒng)一，軟件提供商也很難為企業(yè)提供完備的設備模型，因此需要設計單位建立設備庫，這就要求建模方法要相對簡單，且需支持外部導入。

4 三維軟件在工廠設計中的應用

目前一些優(yōu)秀的工廠設計軟件已經(jīng)能夠提供導入導出數(shù)據(jù)的雙向傳遞接口。比如Autodesk公司的Factory Design Suite（簡稱 FDS），該軟件通過 XML文件導出三維設計信息的所有標注尺寸的參數(shù)表，并接受導入符合一定規(guī)則的XML外部數(shù)據(jù)表，由此對PDM系統(tǒng)作簡單的開發(fā)就能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。在PDM中存有符合FDS的單機或工廠的XML文件，因此只需修改PDM就可以生成相應的XML文件數(shù)據(jù)，當該文件數(shù)據(jù)變化時，打開單機或工廠文件，即提示數(shù)據(jù)已更改，詢問是否更新。同理在模型文件中當需修改尺寸參數(shù)或者設備種類、數(shù)量時，即可提示并提供數(shù)據(jù)更新操作。該軟件可與Invent無縫對接，其外部數(shù)據(jù)也可通過通用格式導入。PDM調(diào)用CAD主程序和模型文件，讀取單機屬性和參數(shù)信息，并不解構三維模型，此種方式屬于接口集成的衍生。但是該軟件為三維實體軟件，由外部導入其他三維軟件生成的模型時，記錄了過多的三維零部件等信息，致使數(shù)據(jù)冗余量較大，處理速度較慢，導入的模型要經(jīng)過裝配關系和零厚度檢查等，報錯的幾率較高。

AutoCAD Mechanical三維模式是一種三維表面模型設計軟件，該模型容量大，運行速度較快，對由外部導入的三維模型的通用格式容差率高。缺點是該軟件是非專業(yè)化流程工廠設計軟件，暫不支持干涉檢查，無連接點定義，用戶參數(shù)化界面很難實現(xiàn)，與外部數(shù)據(jù)的接口缺乏，與PDM兼容的接口不完備。而在煙草工藝總體的設計中，設備間的包容關系和層次并不復雜，定義設備與連接點的關系后，是否干涉在剖視圖上較容易看出來。如果能干涉檢查，則可以高亮顯示干涉區(qū)域（不要求計算干涉區(qū)域的體積等）；若無干涉檢查，也不會存在嚴重問題。

西門子的Factory CAD是基于AutoCAD開發(fā)的三維表面模型工廠設計軟件。該軟件是為汽車制造廠開發(fā)，因此汽車行業(yè)的設備庫較為完善，其參數(shù)化接口也較為完備，對系統(tǒng)自帶庫中的模型調(diào)用和參數(shù)修改的速度也可以接受，能夠與西門子公司的PDM緊密集成。但是該軟件對其他三維軟件生成的模型兼容性較差，軟件本身的建模能力較弱，因此不適用于煙草行業(yè)的總體設計。

3種常用軟件用于工廠設計時的情況對比見表1。

表1 3種工廠設計軟件對比

煙草工藝總體設計對工廠軟件的需求越來越迫切，與此同時，設備的用戶也日益注重數(shù)字化工廠的建設，逐漸要求供貨商提供設備的三維模型。PDM可以為供貨商提供設備設計和生產(chǎn)的全生命周期管理，并可以為用戶提供設備使用和維護全生命周期管理的大量基礎數(shù)據(jù)。

5 結論

本文分析了目前煙草工藝總體設計的特點和三維工廠設計軟件的不足，提出適用煙草加工工藝總體設計軟件的重點，即方便地導入三維模型和結構參數(shù)化是軟件在煙草生產(chǎn)線布局設計的關鍵，三維實體軟件在導入外部三維模型時需要減少存儲空間、提高處理速度，三維表面軟件可以省略較多的數(shù)據(jù)，也是工廠設計軟件的發(fā)展方向。

［1］ 王國峰.石化行業(yè)三維工廠設計軟件的應用與發(fā)展［J］.中國石油和化工標準與質(zhì)量，2013（14）：222.

［2］ 相沖，郭天代，陳剛，等.三維設計方法在水泥工廠設計中的應用［J］.水泥技術，2009（6）：27-30，34.

［3］ 孫德英，周張炯.三維工廠設計在大型制氧工程中的應用［J］.深冷技術，2010（3）：29-35.

［4］ 趙占斌，王國立，彭飛.冶金礦山三維工廠設計的應用現(xiàn)狀［J］.有色金屬工程，2013（5）：53-54.

［5］ 何法江.機械CAD／CAM 技術［M］.北京：清華大學出版社，2012.

［6］ 李海峰，吳慧中，張曉東.面向3維CAD的PDM系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)［J］.計算機集成制造系統(tǒng)，2005，11（8）：1109-1114.

［7］ 林飛.PDM與CAD集成的研究［J］.中國高新技術企業(yè)評價，2008（11）：137-138.