風機裝配數字化技術革新方略研究

李琳

摘要：隨著計算機技術的日新月異，其在各個領域中的應用越來越廣泛，這也為風機裝配技術的數字化提供了技術基礎，在此背景下，探討風機裝配數字化技術的革新方略，具有重要的現實意義。本文介紹了風機裝配數字化技術的主要類型，分析了風機裝配數字化技術的重要工藝環節，并重點探討了基于工藝仿真技術的風機數字化裝配的創新設計方案。

關鍵詞：風機 風機裝配 數字化技術 工藝仿真 虛擬現實

中圖分類號：V262.4

Abstract： With the rapid development of computer technology， it is more and more widely used in various fields， which also provides a technical basis for the digitization of fan assembly technology. Under this background， it has important practical significance to discuss the innovation strategy of fan assembly digitization technology. This paper introduces the main types of digital technology of fan assembly， analyzes the important process of digital technology of fan assembly， and focuses on the innovative design scheme of digital assembly of fan based on process simulation technology.

Key Words： Fan; Fan assembly; Digital technology; Process simulation; Virtual reality

隨著數字化信息技術的不斷更新迭代，信息化、數字化、虛擬化的計算機輔助技術在各個領域得到了廣泛的應用，這也為風機裝配環節應用數字化技術提供了堅實的技術支撐。

1風機裝配數字化技術概述

目前在風機裝配中常見的數字化技術主要包括：數字化裝配即利用計算機技術、信息技術及相關工具，通過數據分析、仿真模型構建、可視化等手段實現風機裝配的技術。通過收集、分析、整合風機實體的零部件數據，從而實現整個裝配過程仿真。該項技術在操作真實性強、人機交互性上具有顯著優勢。另外可通過穿戴現實增強設備（頭盔等），使得虛擬的影響能夠顯現于真實的物理環境中。該項技術多用于較為煩瑣、零部件關系復雜的裝配工作中【1】。

2風機裝配數字化技術的重要工藝環節

2.1裝配建模

風機的裝配建模本質上是對風機各個零部件之間關系的可視化描述。裝配模型主要包括關系性模型、層次性模型與面向對象模型3種。關系模型基于圖論法的建模原理，表達簡單，但存在較多的冗余連接，從而在一定程度上增加了后續計算的難度;層次模型一般以樹形結構進行建模，這種方式能夠更加直觀地表達各個零部件之間的層級關系與連接關系，是目前使用較為廣泛的一種建模方式。

2.2裝配規劃

風機的裝配規劃包含裝配序列規劃和裝配路徑規劃兩個部分。裝配序列規劃主要針對裝配序列的生成環節，旨在探索可將各個零部件整合為風機成品且滿足各項限制條件（物力限制、工藝限制、裝配工具限制等）的裝配順序;而裝配路徑規劃則是裝配者完成建模和序列規劃后，應用這些風機裝配的數據信息，執行各種裝配路徑的分析，旨在得出最為科學合理的裝配路徑，為后續操作環節提供操作依據【2】。

2.3裝配評估

通過在裝配環節應用數字化技術，能夠模擬整個風機裝配流程，從而實現風機成品的質量評估，并測試各種不同的風機裝配方案，但要實現上述各項操作，應當首先制定合理的風機裝配評估標準。

在設置風機的裝配質量評估標準時，綜合考慮風機自身性能與企業的實際情況。主要包括：人員配合情況、風機裝配花費時間、風機裝配序列、人機工作效能、工作環境安全性、風機各項尺寸數據、過程數據、零部件處理方式等。通過在裝配過程中參照評估標準，對風機裝配流程進行評估得出評估結果，對于進行科學化、高效化風機裝配具有積極的現實意義【3】。

2.4實時圖形處理

通過在風機數字化裝配過程中使用實時圖形處理技術能夠有效降低整個系統運行過程中的時間成本，大幅提升系統的工作效能。圖形處理技術主要分為硬件與軟件兩種處理方式。硬件上的圖形處理主要借助于高性能的圖形工作站實現，通過使用圖形工作站，能夠大幅提升大體量、高精度圖形的運算處理速度，從而實現風機數字化裝配的實時性與高效性;軟件上的圖形處理主要借助實時圖形繪制算法、快速的圖形處理算法與分布式運算實現，使用該算法能夠有效提升圖形的處理速度與顯示速度。目前常用的工藝仿真軟件，如Process Simulation（以下簡稱為PS）和Process Designer（以下簡稱為PD）等，均采用這些算法，對于處理較為復雜的圖形具有顯著優勢。

2.5干涉檢驗

干涉檢驗是實現風機數字化裝配的有力保障，主要包括風機結構的干涉檢驗與裝配規劃方案的干涉檢驗，通過開展干涉檢驗能夠有效驗證風機的實際可裝配性以及風機裝配過程中各個零部件之間、裝配工具與零部件之間是否存在碰撞等【4】。目前干涉檢驗一般基于碰撞檢驗算法與空間分割法，碰撞檢驗算法可在呈離散分布的各個時間節點中，實現對存在干涉可能的物體進行受力面、邊緣以及整體的檢驗;空間分割法則可大幅降低需要檢驗的個體數量，而空間分割法主要包括k-d trees、Octrees、Sphere trees、BSP treesL等分割方法。

3風機數字化裝配的創新工藝設計方案

本設計主要基于通過應用NX與PS軟件，設計了一套能夠在一定程度上實現人機交互功能的風機裝配工藝仿真工作流程。在設計風機裝配的工藝仿真工作流程時，可按照以下的設計流程開展工作，如圖1與所示。

3.1 通過NX構建風機3D模型

搭建風機的3D模型是實現風機裝配VR系統的先決條件，模型的精準度及各個零部件之間裝配關系的準確性會直接影響到后續各個環節的裝配質量與整體功能的實現。而Unigraphics NX軟件作為世界上虛擬產品設計軟件的集大成者，功能完善，通過NX軟件搭建風機3D模型，能夠直觀地、精準地呈現出零部件尺寸大小、各零部件之間的關系等重要信息，從而減少模型搭建的工程量，降低模型搭建的難度【5】。

裝配人員應當首先全面收集風機整體及各個零部件的相關數據信息，從而明確風機各個零部件的準確尺寸、裝配關系、裝配順序等特征，然后在NX中輸入這些數據信息，進行風機零部件模型的搭建。

在構建風機零部件的模型時，應當嚴格遵照以下3點基本要求。

（1）確保滿足3D建模的基本質量要求，滿足零部件模型的精準度、與實體零部件的一致性以及模型的可編輯性。

（2）開始構建3D模型時，應當先進行全局性的思考，深入剖析不同零部件的特性，從而制定科學合理的模型搭建順序，選擇行之有效的模型搭建方法。一般而言，模型的搭建順序應當遵循以下原則：先建立模型搭建的環境，明確搭建工作會用到的各項坐標的位置，設定初始基準，并根據不同零部件的具體特點，讓模型搭建的順序與零部件的加工順序相同。

（3）搭建模型時，應當反復核查各個零部件的實際尺寸是否準確、裝配關系是否正確，避免出現過大誤差，從而影響后續操作流程。

在完成各個零部件的3D模型搭建后，應當將各個零部件模型整合為一個完成的風機虛擬成品。通過虛擬的風機裝配過程，可以進一步檢測風機各個零部件的尺寸大小及裝配關系是否存在問題。

3.2 通過PS中搭建風機工作場景

通過PS中搭建風機模擬工作場景，可以使得場景具有較高的真實性，并且能夠為操作者提供完全自由的操作方式。具體操作步驟如下：載入風機模型→從PS中將載入場景→人員穿戴設備→工藝人員對場景分析、工具移動、細節檢查及相關標記等各項操作。

可通過PS各個命令面板的應用及窗口操作庫中資源，或者外部直接進行資源庫數據導入。首先要創建合適的背景，背景的創建一定要使風機更加清晰明了，以便于更清楚明了地觀察整個風機工作狀況。例如風場吊裝，可導入草坪JT模型作為背景，在PS中布局草坪背景。特別是在風機車間安裝的環境中，可導入CAD制作的車間Layout圖，然后根據布局圖，利用建模模塊進行車間廠房整體的搭建，導入相關的車間行車、舉升車、叉車、工作平臺、各種基礎工具等，逐步完成設備資源的布局【6】。

針對車間行車、運輸車等復雜運動的資源設備，利用PS中機器人模塊，定義其為機器人，通過逆向運算，生成各工序步驟POSE，完成相對工藝過程的設備動作及物流操作。

3.3 架構工藝仿真整體過程

將產品輕量化JT模型整體導入PS中，輸入前段工藝規劃及工藝結構樹，根據分配好的組件、工裝工具、設備資源進行工藝仿真動作。通過干涉檢驗（靜態干涉及動態路徑干涉減壓）、物流操作、組合操作、人因工程學定義等不同模塊和一系列工作，完成相關工序的工藝仿真過程。通過應用PS軟件，可實現各個零部件與裝配信息的有效關聯，并且當風機模型中的零部件進行修改后，可自動進行整體模型數據的更新。在進行風機的虛擬裝配時，可根據實際需要，生成新的零部件或編輯、修改、刪除現有的零部件，從而實現風機裝配的靈活性與精確性。同時預裝配過程后，根據各項仿真報告模板，輸出工藝仿真整體報告。

在仿真序列過程中通過添加不同的視角，來進行仿真過程視頻的輸出。

3.4 VR場景展示及體驗

完成風場模擬工作場景的搭建工作后，可通過PS執行交互式渲染，可在顯卡性能較好的工作站中直接打開進行操作，操作者可實現人體動作進行虛擬設備的操作與零部件的拆卸等操作，實現人機交互的目的;除此之外，還可以通過穿戴VR動作捕捉設備，直接將人體動作通過算法導入PS中，補充建設人體動作庫，從而進一步提升了交互性。另外，所有的PS裝配過程都可導出形成生工作場景的動畫視頻，用于嵌入工藝文件做說明或相關培訓【7】。

數字化風機裝配是數字孿生最直接的應用場景，工藝是整個設計到制造的核心樞紐，后端可連接MES制造執行系統，前端連接研發設計輸出，用模型指導生產，用數字化的生產過程完成正向及不斷迭代數據流，在實際生產前完成工藝驗證、產品驗證，節約降低制造成本，對于企業快速研發產品是非常有益的。

參考文獻

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