基于3D可視化技術(shù)的膨脹線冷端虛擬系統(tǒng)

趙浩東，趙強，劉玉民，段志勇，王進安

(山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司濟南卷煙廠，山東 濟南 250104）

近年來，三維建模技術(shù)在各領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。以三維建模為基礎(chǔ)，衍生出了設(shè)備可視化管理，促進了企業(yè)智能制造的發(fā)展。隨著煙草行業(yè)智能化和信息化的進步，建模技術(shù)在煙草行業(yè)逐漸應(yīng)用，為科學(xué)培訓(xùn)、工藝流程的可視化提供了支撐。

1 背景

膨脹煙絲生產(chǎn)線由于其設(shè)備和工藝的復(fù)雜性，一直是制絲車間、企業(yè)乃至公司安全生產(chǎn)、設(shè)備管理的重點。根據(jù)生產(chǎn)介質(zhì)的不同，膨脹線設(shè)備分為冷端和熱端。其中，冷端設(shè)備多為壓力容器、壓力管道，這些壓力容器、壓力管道和氣動閥門相互配合完成浸漬工藝的核心流程。浸漬工藝涉及閥門眾多、管道繁雜，如何讓操作、維修人員清晰便捷地掌握冷端生產(chǎn)流程，快速解決設(shè)備問題是生產(chǎn)的迫切需要，也是擺在技術(shù)人員面前的一大課題。

2 課題內(nèi)涵

在充分學(xué)習(xí)浸漬工藝、研究現(xiàn)場設(shè)備壓力管道走向、設(shè)備空間布置的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)有資料并通過測繪手段繪制設(shè)備草圖、運用三維建模平臺SolidWorks建立壓縮機、浸漬器、制冷機組、工藝罐等主機設(shè)備及安全閥、氣動閥等部件的三維模型，運用SolidWorks Routing 建立了膨脹冷端所有壓力管道模型，完成了整個膨脹冷端的3D建模。并以此為基礎(chǔ)，將浸漬工藝流程在計算機平臺上虛擬實現(xiàn)。

3 技術(shù)路線

論文以膨脹冷端的三維建模為核心，在三維建模的基礎(chǔ)上，完成浸漬工藝流程的虛擬呈現(xiàn)，實現(xiàn)壓力管道、安全閥的統(tǒng)計功能，實現(xiàn)膨脹工藝布局的3D化。項目的流程如圖1。

4 建模過程

4．1 建模平臺的選擇

SolidWorks作為一款功能強大的三維建模平臺，不僅具備零部件建模能力，還具備強大的管道系統(tǒng)建模功能。通過在車間內(nèi)的推廣及應(yīng)用實踐，驗證了SolidWorks作為本項目建模平臺的適用性。

膨脹線的核心在冷端，冷端的核心在浸漬工藝流程。膨脹冷端壓力管道縱橫交錯，流體通過彈簧回動式氣動閥門的開閉控制在管道中輸送以完成煙絲浸漬的工藝流程。項目前期主要準(zhǔn)備工作是熟練應(yīng)用三維建模平臺并做好膨脹冷端的知識儲備。

圖1 制絲設(shè)備3D建模流程圖

4．2 閥門架的建模

如果將膨脹冷端比作一個完整的神經(jīng)系統(tǒng)，閥門架就相當(dāng)于這個系統(tǒng)的神經(jīng)中樞。閥門架是將具有特殊功能的一組閥門用管道連接在一起，組成的一個固定的構(gòu)架。它囊括了完成浸漬工藝需要的絕大多數(shù)閥門及所有接口。閥門架有10個接口，分別連接著浸漬器、工藝罐、充壓罐、氣球等冷端設(shè)備。準(zhǔn)確繪制出閥門架的模型是整個虛擬系統(tǒng)建立的第一步，也是最關(guān)鍵的一步。閥門架的建模主要包括以下幾個步驟：（1）拍攝多角度現(xiàn)場照片，準(zhǔn)確把握管道的走向，尤其關(guān)注管道交叉點、拐點的位置。（2）通過測繪獲得閥門架的全局尺寸，閥門架內(nèi)部管道拐點尺寸，準(zhǔn)確得到各接口準(zhǔn)確位置。通過現(xiàn)場調(diào)查確定各氣動球閥位置及編號，繪制閥門架草圖。（3）根據(jù)草圖繪制閥門架三維模型，測繪并繪制出氣動球閥模型，并進行整體裝配。

4．3 主要管道的3D建模

以閥門架為基準(zhǔn)，以10個接口為起點，利用SolidWorks Routing專業(yè)管道建模模塊，測繪并完成10條關(guān)鍵管道的3D建模（部分管道及裝配模型如圖4所示）。以此確定與這些管道直接相連的浸漬器、沖壓罐、氣球、工藝罐的空間位置。

圖2 閥門架局部視圖

圖3 閥門架三維裝配模型

圖4 閥門架的主要管道連接

4．4 主機設(shè)備的3D建模

閥門架與連接管道的位置確定后，大部分主機設(shè)備的空間位置已經(jīng)確定。根據(jù)測繪及部分紙質(zhì)圖紙獲得的數(shù)據(jù)建立主機設(shè)備的三維模型。由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，壓縮機、制冷機組是該部分建模的難點。在此，建模過程不再贅述。部分主機模型如圖5所示。

圖5 部分主機3D模型

4．5 系統(tǒng)裝配及調(diào)試

主機設(shè)備的建模工作完成后，將上述所建模型進行統(tǒng)一裝配。為了使系統(tǒng)更加完善，還需做以下幾個方面的工作：

（1）輔連管道的建模；

（2）工藝泵建模；

（3）安全閥，手動閥，氣動球閥的選型、測繪、建模；

（4）整個系統(tǒng)的裝配、調(diào)試、渲染。整機裝配模型如圖6所示。

5 虛擬系統(tǒng)的功能實現(xiàn)

浸漬工藝是膨脹冷端的核心流程。圖7所示為冷端設(shè)備流程圖和操作屏顯示界面。二者是實際設(shè)備流程的抽象，在指導(dǎo)生產(chǎn)中具有十分重要的意義。但兩圖很難直觀地表達出膨脹線的復(fù)雜流程，利用其進行設(shè)備學(xué)習(xí)和故障排除難度較大。

5．1 系統(tǒng)操作界面

通過系統(tǒng)集成化的手段，將3D建模在可視化的平臺上展現(xiàn)，輸出不依賴于三維建模平臺的.exe可執(zhí)行文件，在Windows系統(tǒng)下即可以進行縮放、測量、旋轉(zhuǎn)等操作，實現(xiàn)自由的人機交互操作。

5．2 設(shè)備可視化管理

安全閥、壓力管道的管理是設(shè)備管理的一項內(nèi)容，如圖9所示，本虛擬系統(tǒng)的建立為膨脹冷端的設(shè)備管理提供了可視化的手段。

圖6 冷端裝配模型

圖7 膨脹冷端工藝流程

圖8 人機交互界面

5．3 3D定置圖功能實現(xiàn)

膨脹線作為濟南卷煙廠安全管理的重點之一。定置圖的懸掛是安全管理的基本工作。鑒于整個膨脹冷端設(shè)備是空間布置，二維定置圖不能十分清晰地表達設(shè)備位置。基于三維模型建立的三維定置圖則可達到這一目的。冷端虛擬系統(tǒng)的建立為三維定置圖繪制提供了技術(shù)支撐（圖10）。

6 結(jié)語

（1）推動數(shù)字化車間建設(shè)由單機設(shè)備建模向更高層次的生產(chǎn)線建模發(fā)展。

（2）為設(shè)備精益管理提供數(shù)據(jù)支撐，實現(xiàn)壓力管道、安全閥的統(tǒng)計及可視化管理等功能。

圖9 安全閥、壓力管道統(tǒng)計功能的實現(xiàn)

（3）為復(fù)雜的冷端浸漬工藝提供直觀、形象的3D培訓(xùn)資料。

（4）虛擬系統(tǒng)應(yīng)用膨脹設(shè)備故障分析中，縮短了故障解決的時間。

圖10 二維、三維定置圖對比