大型海工平臺三維可視化裝配工藝設計

郭 亮，賈 濤，邱成國，田大肥，孫新濤，南福鄭

（1. 太重（天津）濱海重型機械有限公司技術中心，天津 300457；2. 煙臺中集來福士海洋工程有限公司，山東 煙臺 264000）

0 引 言

目前國內海洋工程鉆井平臺的生產設計環節已完全實現三維建模、出圖，但其分段建造、預舾裝及平臺合攏等建造和裝配環節仍采用二維施工圖樣和工藝圖樣等文件指導生產，在設計環節形成的三維可視化文件無法傳遞給工藝和生產部門。

海工鉆井平臺除了自身結構以外，還包含鉆井系統、輪機系統、電氣系統和舾裝系統等多個系統模塊，由于其內部結構和系統錯綜復雜，生產周期較長，生產工藝復雜，導致生產和工藝圖樣種類繁多、數量巨大。因此，生產部門管理和消化各類圖樣不僅需耗費大量的時間和精力，而且易出現漏裝、錯裝和裝配順序顛倒等問題[1]。同時，在平臺各分段之間、各系統與平臺結構之間、各系統之間建造裝配時經常發生結構干涉、系統干涉和無法裝配等生產設計和工藝設計階段沒有發生的問題，這些問題導致后續大量的現場修改作業，影響平臺的建造質量、建造周期和建造成本。采用三維數字化工藝設計技術，對已有的三維數據資料進行有效的整合和驗證，可有效解決上述問題。

三維可視化裝配工藝設計與仿真技術已在汽車、航空等制造行業得到廣泛應用，顯著提升了企業的裝配工藝水平[1-2]。但是，在海工和船舶等領域，生產三維化水平還處于起步階段，還沒有成熟的解決方案。

對此，本文研究大型海工平臺三維可視化裝配工藝設計與仿真的原理和實現方法，構建三維裝配系統結構，通過企業計算機系統和相關軟件實現對各功能模塊的有效連接和轉換，在三維裝配系統中實現基礎數據管理、三維裝配工藝設計、三維裝配工藝仿真和三維可視化裝配文件管理，最終提供一種海工平臺數字化設計與制造方案[3]，使基于三維模型的海工平臺設計、工藝和建造等多個環節的信息能實現互聯互通，從而有效提高海工平臺的建造質量和建造效率。

1 三維裝配系統設計

1.1 三維裝配系統結構

根據海工企業從平臺設計到車間裝配、場地建造等主要工作的實施過程及裝配工藝設計與仿真技術的特點，將海工平臺三維可視化裝配工藝設計與仿真系統分成支撐層、數據層、應用功能層和發布層等4個層面（見圖1）[4]。

圖1 大型海工平臺三維可視化裝配工藝設計與仿真系統結構

1) 支撐層：由操作系統、分布式網絡和各類網絡通信協議組成整個系統的網絡及運行環境，提供軟件的運行平臺和實現各部門信息的共享。

2) 數據層：主要有在設計與仿真過程中形成的各種文檔、三維模型和人員管理數據等，各類型數據之間有較強的關聯性。

3) 應用功能層：系統的主體部分，由三維裝配工藝設計系統、三維裝配工藝仿真系統和三維可視化裝配文件管理系統組成。

4) 發布層：用戶和系統的交互接口，用戶可根據不同的權限瀏覽相應的數據。

1.2 三維裝配系統數據類型

大型海工平臺三維可視化裝配工藝設計與仿真系統的數據類型主要有人員數據、設計數據和仿真數據等3種（見表1）。

表1 大型海工平臺三維可視化裝配工藝設計與仿真系統的數據分類

1.3 可視化裝配數據管理

三維可視化裝配工藝設計與仿真系統采用域管理形式的總線型結構[5]，其拓撲結構見圖2。

圖2 大型海工平臺三維可視化裝配工藝設計與仿真系統的拓撲結構

各設計部門（如船體設計部門、舾裝設計部門和工藝設計部門等）將繪制完成的二維圖樣、文檔、三維模型和裝配視頻等發送給文件服務器。文件服務器自動保存各設計部門發送的文件之后對其進行協同設計處理，每個設計部門都可提取其他設計部門設計的二維圖樣、文檔、三維模型和裝配視頻等，進行關聯工作。

三維可視化服務器與文件服務器具有關聯性，經過文件服務器保存、處理的數據傳送到三維可視化服務器內；三維可視化服務器接收到執行端的反饋之后對原文件進行修改，修改之后的文件傳送到文件服務器內保存。

人員管理認證系統的管理人員確定項目人員的權限，包括查看各部門發送到服務器的三維模型、裝配視頻和工藝文件等系統中的各類信息，以及對生產現場反饋的信息進行識別、處理。

層次性不強的數據（如初始三維設計模型、裝配動畫和部分沒有關聯性的二維圖樣等）保存在數據管理系統中，通過數據訪問接口訪問；層次性很強的具有樹狀結構的數據采用XML形式保存，并由框架管理和訪問。不同服務器之間的數據集成具有透明性和平臺獨立性。

按結構化、可視化的設計原則對三維設計模型和工藝文件等設計數據進行結構樹關聯重構、裝配路徑設計和裝配工藝仿真，形成的相關文件作為指導生產的唯一裝配工藝資料。設計平臺與仿真平臺之間的信息可交互關聯，建立模型、工藝文件、工裝和仿真動畫文件等關聯關系，實現對相關工藝數據的查詢和匯總[6]。利用不同三維設計平臺得到的三維模型均應包含詳細的幾何信息和加工焊接信息，經過模型輕量化處理之后轉化為可供裝配工藝設計和仿真驗證使用的基礎資料。

2 三維裝配工藝設計

根據海工平臺產品的結構特點、分段劃分和制造方案等制訂出詳細的裝配流程和裝配方案，完成三維數字化裝配工藝設計，完整流程見圖3。

圖3 大型海工平臺三維可視化裝配工藝設計流程

2.1 三維協同設計

各設計部門按協同設計原則進行平臺設計，并將設計好的二維圖樣、文檔和三維模型等資料上傳給產品服務器，各部門都可在數據庫中查閱這些資料。圖4為協同設計平臺文件管理系統。

圖4 協同設計平臺文件管理系統

2.2 初始工藝設計

完成初始工藝劃分，包括各部件和組件的分配。

工藝分離面的劃分：在三維裝配環境下，按已有的生產工藝文件和生產現場的車間、場地布置及吊裝能力等劃分平臺分段、總段等工藝分離面，制訂平臺的裝配方案；同時，確定各分段需裝配的組立、部件、零件和舾裝件等，構建三維裝配工藝設計的零件、部件、組立和舾裝件模型結構。

仿真驗證：根據工藝分離面的劃分結果進行整船工藝仿真，驗證工藝分離面劃分是否合理，并根據仿真結果優化裝配方案，避免碰撞干涉和施工困難等情況出現。圖5為采用DELMIA軟件完成的海洋鉆井平臺和工程船的初始裝配工藝設計與仿真驗證。

圖5 海洋鉆井平臺和工程船的初始裝配工藝設計與仿真驗證

2.3 詳細工藝設計

在平臺分段和總段劃分的基礎上進行詳細的三維可視化裝配工藝設計，確定該工藝過程中零件、部件、組立和舾裝件等部件的裝配順序、裝配路徑及裝配要求[7]。

裝配指令編制：根據優化之后的詳細工藝設計結果進行各裝配工序三維可視化視圖設計，通過三維視圖表示各裝配工序所要表達的裝配工藝信息并形成裝配指令文件保存在系統中（見圖6）。

圖6 裝配工序三維可視化設計及裝配指令文件

仿真驗證：在仿真環境中提取工序、工步和裝配件等信息，細化船體和舾裝裝配順序，對裝配過程進行實時仿真與分析[7]，明確平臺散裝件和分離面位置零件設備的裝配方式與裝配路徑。根據人機工程學原理分析裝配過程中人員的工作環境是否科學、作業空間是否足夠、工具和工裝的使用是否合理。

三維工藝信息標注：將裝配過程中比較重要且易忽略的工藝信息（如零件尺寸、位置信息和制作工藝要求等）標注在經過三維仿真驗證的仿真動畫中，形成具有指導意義的裝配工藝作業視頻文件，使施工人員能更直觀地掌握整個裝配過程和裝配要點。圖7為分段詳細裝配工藝設計與仿真及工藝信息標注。

圖7 分段詳細裝配工藝設計與仿真及工藝信息標注

2.4 現場可視化

將裝配作業指導文件和仿真驗證文件等工藝設計文件傳遞到企業三維可視化系統中，施工人員可通過現場可視化終端直觀地查看平臺的裝配工藝流程、裝配指令及相關的三維仿真等裝配信息。

現場可視化文件輸出和管理：利用裝配仿真視頻指導現場裝配作業，將完成的部件、組件工藝規劃和設計內容提取到模板中，包括內容頁、輔材配套表、標準件配套表和零件配套表等文檔信息，同時輸出部件和組件的仿真視頻。

現場可視化應用：操作人員可直接查看三維裝配指令及相關的三維仿真，獲取產品的裝配零件及詳細工作內容，最終完成裝配工作。圖8為平臺裝配仿真視頻界面。

圖8 平臺裝配仿真視頻界面

3 三維裝配工藝仿真設計

3.1 裝配工藝仿真流程

平臺裝配工藝設計完成之后，調用三維裝配工藝設計工序中的輕量化模型到工藝仿真系統中進行工藝驗證，判斷裝配過程是否存在碰撞干涉和施工困難情況，計算優化裝配順序和裝配路徑，完成裝配關系評價和裝配效率評估。將驗證之后的三維仿真動畫等數據保留在三維可視化系統中，并以數據集的形式在裝配工藝節點上對其進行保存管理，形成鏈接文件[6]。

3.2 裝配工藝仿真過程

裝配過程仿真：分析平臺分段零部件與工裝、設備之間是否存在碰撞干涉，裝配路徑是否可行，裝配順序是否合理，裝配操作空間是否足夠等。

裝配樹管理：根據裝配仿真結果優化裝配樹，按整船/區域/專業/系統和整船/總段/分段/小分段/部件等規則完成裝配樹的重構。

工藝布局仿真：按設計好的裝配工藝流程對產品、流程和操作者進行融為一體的三維動態仿真，驗證車間和工作場地是否符合工藝布局要求。

警告信息要求：若零件的裝配工序有錯誤，通過干涉功能發出警告。警告由各零件顏色的變化來表示或通過在界面上彈出對話框來實現。

人機工程仿真：在虛擬環境中分析校驗操作人員在裝配過程中的各種姿態和視野，對其工作狀態進行評估，驗證其工作環境是否滿足可操作性和安全性等要求。

4 三維可視化裝配文件管理

三維可視化裝配工藝設計與仿真系統最終形成的數據一般有圖樣和文檔（如組立圖、分段劃分圖、焊材明細表、合攏順序、吊運方案、加工制作圖、零件表、設備資料、原理圖、安裝圖、布置圖和托盤表等)、三維模型、虛擬裝配順序及仿真信息。每類文檔數據都設有各自的屬性和特征，具有唯一的類別標識號。系統能實現全面的信息檢索，如分類樹檢索、關鍵字檢索和智能關聯檢索等。

系統中的三維模型是從設計階段轉化而來的三維文件格式，經輕量化之后可供客戶端瀏覽查看。三維模型的內容頁列出該文檔的所有關聯內容，包括詳細信息、屬性、關聯條目和文件版本。模型保留所有精確的幾何信息，可在客戶端通過瀏覽器直接查看；瀏覽器界面提供模型的操作工具，主要有旋轉、飛行、標注、隔離、尺寸測量、隱藏和透明化等，方便人員操作。

已發布的分段組立圖、零件明細表、焊材明細表、加工制作圖、舾裝件安裝圖、托盤表和設備資料等設計和工藝資料傳遞到可視化系統之后，轉化為可直接在瀏覽器上查看的文件格式（如PDF、SVG等）。

虛擬裝配包括分段的三維裝配順序規劃、裝配路徑規劃、動態干涉檢查和交互裝配動畫。在設計海工平臺時，一般用組立結構表達平臺零部件之間的層次關系，組立樹為樹狀數據結構，能表達平臺從小組立、中組立、大組立和總組到整船的數據。每個樹節點都有對應結構的名稱、位姿關系等基本屬性，以及裝配基面、建造方法等工藝信息[8]。虛擬裝配界面具有模型組合、虛擬裝配播放器、可視化報表和三維材質等選項。圖9為某平臺三維可視化裝配終端顯示界面。

圖9 某平臺三維可視化裝配終端顯示界面

5 結 語

本文研究了三維可視化裝配工藝設計與仿真技術在大型海工平臺建造上的實現方法，從組織架構、信息輸入、信息處理和信息發布等方面對整個系統提出了具體的要求。為實現大型海工平臺建造裝配工藝從三維設計輸入、三維工藝編制和三維裝配仿真到現場終端使用的三維可視化裝配工藝設計和工藝仿真提出了理論指導。