三維可視化工藝在汽輪機裝配中的應用

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品性能需求的提高，產品外形、結構愈發趨向復雜化、精細化，相應的開發設計過程已經基本實現了三維可視化。與此同時，作為指導一線生產的工藝技術文件也需要向三維化和可視化發展。

目前市場上出現了許多可實現工藝三維化和可視化的商業軟件，如開目3DCAPP、DELMIA工藝設計平臺等。應小昆等[1]研究開發了基于DELMIA的三維數字化裝配集成平臺軟件系統，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，基于現有的人機工程分析工具，實現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劃，在實際生產中應用了三維動態裝配工藝。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，但對于零件數量龐大、結構復雜的產品，就需要設計專用軟件，以方便快捷地進行可視化工藝規劃[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模型繪制，由于其軟件功能定位的限制，若要實現復雜模型的動態三維可視化工藝規劃，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，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量和數據量較小的裝配部件，但對于零件數量和數據量龐大的汽輪機裝配件，進行動態三維裝配工藝規劃的難度會顯著增加。因此有必要尋求一種快速、高效的動態三維裝配工藝規劃方案。

經市場調研，本文認為Smart3Dviewer可視化裝配工藝設計系統可滿足三維可視化工藝開發的需求，其已應用在多個制造領域中，包括航天器、煙草機械等。為驗證該軟件系統是否適用于汽輪機產品的三維可視化工藝開發過程，我們選擇了一種典型結構的汽輪機，通過Smart3Dviewer可視化裝配工藝設計系統對機組的總裝過程進行三維可視化工藝開發。

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，模型數據總量龐大，達4.82 GB，普通配置的個人計算機和常用軟件難以處理。根據該汽輪機裝配模型的特點以及動態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、重新構建裝配物料清單(Bill of Material，BOM)、三維動畫編制，以及工藝參數輸入等4項基本功能。根據以上需求，本文擬用Smart3DViewer可視化裝配工藝設計系統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，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用于重新構建裝配BOM、三維動畫編制以及工藝參數輸入，也可在工藝中添加數據圖表、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，規劃后續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，文件里包含了后續所需的所有零件信息，輕量化后文件的數據大小僅為原始模型的1/20至1/10。對于含有數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，但在后續的可視化裝配工藝規劃過程中，可能需要不同的零件分組。為方便后續工藝規劃，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是汽輪機內缸內部葉片和汽封片等零件的裝配BOM。

圖3 汽輪機內缸裝配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。在后續編輯過程中，如果發現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可實現零件平移、旋轉以及復合運動，視角可以隨意轉換，可漫游進入零件內部，還可以實現零件透明度變化，并可利用透明度變化實現線纜的動態延伸展示。

雖然APDtools可以將零件拆卸的動畫過程一鍵轉換成裝配動畫過程，但是對于零件數量龐大、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，在零件需要出現時設置為全不透明，不需要出現時設置為全透明，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，可實現汽輪機中熱電偶線、電纜線布線過程的動態展示，汽輪機內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生碰撞，并會提示碰撞的具體位置，工藝設計人員可根據需要重新規劃裝配的順序或裝配運動路徑。

5 工藝參數的輸入

根據已制作好的三維裝配動畫，工藝人員可在APDtools中實現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。汽輪機內缸總裝的部分工序和工步如圖5所示。

圖5 汽輪機低壓內缸總裝工藝規程

規劃好工序和工步后，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據進行填寫，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 論

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