基于3D可視化技術的膨脹線冷端虛擬系統

趙浩東，趙強，劉玉民，段志勇，王進安

(山東中煙工業有限責任公司濟南卷煙廠，山東 濟南 250104）

近年來，三維建模技術在各領域應用廣泛。以三維建模為基礎，衍生出了設備可視化管理，促進了企業智能制造的發展。隨著煙草行業智能化和信息化的進步，建模技術在煙草行業逐漸應用，為科學培訓、工藝流程的可視化提供了支撐。

1 背景

膨脹煙絲生產線由于其設備和工藝的復雜性，一直是制絲車間、企業乃至公司安全生產、設備管理的重點。根據生產介質的不同，膨脹線設備分為冷端和熱端。其中，冷端設備多為壓力容器、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流程，快速解決設備問題是生產的迫切需要，也是擺在技術人員面前的一大課題。

2 課題內涵

在充分學習浸漬工藝、研究現場設備壓力管道走向、設備空間布置的基礎上，利用現有資料并通過測繪手段繪制設備草圖、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，將浸漬工藝流程在計算機平臺上虛擬實現。

3 技術路線

論文以膨脹冷端的三維建模為核心，在三維建模的基礎上，完成浸漬工藝流程的虛擬呈現，實現壓力管道、安全閥的統計功能，實現膨脹工藝布局的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建模功能。通過在車間內的推廣及應用實踐，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。項目前期主要準備工作是熟練應用三維建模平臺并做好膨脹冷端的知識儲備。

圖1 制絲設備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系統，閥門架就相當于這個系統的神經中樞。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架。它囊括了完成浸漬工藝需要的絕大多數閥門及所有接口。閥門架有10個接口，分別連接著浸漬器、工藝罐、充壓罐、氣球等冷端設備。準確繪制出閥門架的模型是整個虛擬系統建立的第一步，也是最關鍵的一步。閥門架的建模主要包括以下幾個步驟：（1）拍攝多角度現場照片，準確把握管道的走向，尤其關注管道交叉點、拐點的位置。（2）通過測繪獲得閥門架的全局尺寸，閥門架內部管道拐點尺寸，準確得到各接口準確位置。通過現場調查確定各氣動球閥位置及編號，繪制閥門架草圖。（3）根據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，以10個接口為起點，利用SolidWorks Routing專業管道建模模塊，測繪并完成10條關鍵管道的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，大部分主機設備的空間位置已經確定。根據測繪及部分紙質圖紙獲得的數據建立主機設備的三維模型。由于結構的復雜性，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 系統裝配及調試

主機設備的建模工作完成后，將上述所建模型進行統一裝配。為了使系統更加完善，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）整個系統的裝配、調試、渲染。整機裝配模型如圖6所示。

5 虛擬系統的功能實現

浸漬工藝是膨脹冷端的核心流程。圖7所示為冷端設備流程圖和操作屏顯示界面。二者是實際設備流程的抽象，在指導生產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雜流程，利用其進行設備學習和故障排除難度較大。

5．1 系統操作界面

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

5．2 設備可視化管理

安全閥、壓力管道的管理是設備管理的一項內容，如圖9所示，本虛擬系統的建立為膨脹冷端的設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

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備是空間布置，二維定置圖不能十分清晰地表達設備位置。基于三維模型建立的三維定置圖則可達到這一目的。冷端虛擬系統的建立為三維定置圖繪制提供了技術支撐（圖10）。

6 結語

（1）推動數字化車間建設由單機設備建模向更高層次的生產線建模發展。

（2）為設備精益管理提供數據支撐，實現壓力管道、安全閥的統計及可視化管理等功能。

圖9 安全閥、壓力管道統計功能的實現

（3）為復雜的冷端浸漬工藝提供直觀、形象的3D培訓資料。

（4）虛擬系統應用膨脹設備故障分析中，縮短了故障解決的時間。

圖10 二維、三維定置圖對比