三維可視化技術在電力一次設備上的工程應用

黃瑩瑛，陳成玉，陳春來，陳 亮，陳亮宏

(常州博瑞電力自動化設備有限公司，江蘇 常州 213000)

在科技發展日新月異的當今時代，電力裝備制造行業正以前所未有的速度迅猛發展并深刻改變著人們的生活。在傳統電力裝備制造中，產品工藝過程主要依靠二維裝配工序卡進行傳遞，文件不夠立體直觀，生產指導、培訓及參觀展示等方面的效果較為局限[1]。

三維可視化技術的問世和推廣進一步革新了制造理念，對于企業提高生產自動化水平和實現降本增效具有重要意義[2]。三維可視化技術能夠將三維模型與文字、影音等不同維度的信息加以整合，建立更加直觀的工藝過程；高效的裝配模擬仿真和干涉檢查等也能為產品的研發設計保駕護航；同時，靈活多樣的文件輸出格式也能很好地適應各種工況場景。因此，三維可視化技術將成為電力一次裝備制造工藝革新的重要手段[3]。

經調研，目前國內應用較為廣泛的三維可視化軟件主要在傳統機械行業有較成熟的應用，而在智能電力設備制造方面鮮有實踐。本文重點分析三維工藝設計在電力一次裝備制造過程中的應用實踐。

1 三維工藝設計

1.1 設計準備

利用三維可視化軟件進行三維工藝設計是一種綜合性的工藝技術手段，需要將產品三維模型、二維裝配規程等資源系統有機整合起來，三維工藝編制準備工作主要從統籌工藝梳理和建模兩方面開展[4]。

工藝技術人員應熟知產品總裝的全過程及各環節工藝要點、所需產線設備、工裝工具等細節。尤其需要明確的是輔料及組件裝配等并行工序和主線的協調，它直接關系到模型整合和工藝設計。一般來說，在三維工藝編制前具備已評審的二維工藝規程是必要的，它將作為整個三維工藝設計的藍本。

基于三維建模軟件創建的prt、asm及stp等多種格式產品三維模型是三維工藝設計的主要對象。鑒于軟件開發邏輯對模型在線裝配的限制及零部件分步驟配置的需求，技術人員應提前對三維模型進行梳理整合。三維模型準備如圖1所示。

圖1 三維模型準備

產品模型首先要求準確完整，產品結構件和緊固件及線束、產線及工作臺乃至安裝所需的設備工具，都應按照實際位置進行補充建模并保證約束關系清晰。零部件對象在三維演示過程中需要體現物料名稱代碼等信息，方便操作人員識別安裝。因此，在建模或模型整合時應結合產品BOM將零件的名稱代碼等參數寫入；同時，對三維模型進行適當渲染也可以提升展示效果。最關鍵的一點是，按照工藝規程中的工序排布要求將模型結構樹進行優化，根據其在三維工藝中的動作性質來確定零部件以組件或零件的形式介入模型[5]。例如：某組件先完成組裝后再整體進行安裝，則該組件應該以子裝配的形式創建父項，零部件作為其子級項目排列，而非所有的零部件均在上級目錄中排列。

上述模型準備工作應在三維環境下完成后輸出asm或stp格式的裝配體。創建并整合完的三維模型應借助三維轉換工具進行格式轉換以保證模型在工藝規程編制過程中的穩定可靠，避免出現約束關系錯亂、部件特征加載失敗等問題。三維模型轉換如圖2所示。

圖2 三維模型轉換

1.2 三維工藝編制及應用

基于三維可視化軟件的電力一次裝備三維工藝設計主要包括模型的梳理準備、裝配結構引入、工藝流程創建、物料識別分配、軌跡動作定義、技術圖解編制、仿真效果調整及工程文件輸出等環節。三維工藝編制流程如圖3所示。

圖3 三維工藝編制流程

裝配結構引入即是將轉換后的三維模型導入軟件工程界面，本文不再贅述。

工藝流程創建和物料識別分配2個環節相輔相成，需要協調進行。先按照二維工藝規程依次創建各個裝配步驟，然后根據安裝內容在步驟中添加零部件，提前寫入的零部件名稱代碼等參數可以幫助我們快速識別各類物料并完成分配。應當注意的是，部分子裝配過程以組件還是并列零件形式導入需要具體靈活地分析。例如：在輔料準備中，組件中的各零件應以最小層級導入，而在上層的總裝步驟中該組件則應整體導入。工藝流程構建的重難點在于結合投料特點完成主線與副線的梳理穿插，前后工序的關聯，保證每個工序工步模型準確且方便定義動作。對于復雜產品，其三維工藝流程往往需要優化調整數次才能實現最佳效果。某產品子單元三維工藝流程構建及物料識別分配示意圖如圖4所示。

軌跡定義本質是基于拆解動作的逆向仿真，通過軌跡性質及參數調整實現，包括產品結構件活動、工藝裝備引入及系統工具標準活動等，其以最大程度還原裝配過程為目的。

對于某一步驟，按照產品拆解的順序在工藝過程結構樹中依次定義每個工步的活動，例如工件的拼裝、螺釘的旋擰及膠脂的涂覆等。先通過“活動”功能區粗略構建工件的運動形式，然后對時間、位移、轉角等細節參數進行設定，使其盡可能地符合操作實際。復雜產品涉及的零部件種類多、數量大，不可能對每個零組件定義軌跡，可以借助“閃爍”功能對重復安裝的物料進行示意說明。此外，通過切換觀察視角及定義局部放大等功能可以使畫面富于變化，更加立體直觀地展現整個安裝過程，提升可讀性和指導性。某組件組裝三維工藝示意圖(軌跡定義)如圖5所示。

技術圖解是對模型實體空間運動的補充說明。在工藝過程工作界面下，可以給步驟和工步插入標簽或文本，對工件的名稱、物料代碼等識別信息及安裝方位和緊固要求等進行說明。此外，還可以插入基準面標識、控制尺寸、三維文本及平面圖形等不同形式的注解或插入演示視頻、實物圖等素材，來全面詳實地體現產品裝配的過程細節，幫助操作者更好地把握工藝要點，保證裝配質量。

對于每一工序和下屬工步或部分工段，其活動軌跡及技術圖解定義結束后，通過裝配仿真功能進行預覽，為調整優化提供依據。根據仿真情況，可以對模型渲染、整體架構、觀察視角、字體樣式、節奏速度等關鍵點來進行針對性的修改和完善，從而保證最佳的展示觀感。

常用的三維可視化技術軟件可以提供PDF文檔、AVI視頻、EXCEL文檔和程序包以及apc輕量化文件等多種形式的文件輸出選擇，可適應不同工況、不同人群的使用需求。在車間裝配指導過程中更多使用apc格式的輕量化文件，可以將裝配過程、物料明細、工藝要求等信息應有盡有地傳遞出來，代替傳統的二維工藝規程；要強調的是，apc輕量化文件專用的游覽器(見圖6)還開發了模型旋轉縮放等交互式查看功能，幫助使用者更加全方位地了解產品的空間結構。諸如參觀展示和用戶培訓等場合則一般輸出AVI視頻進行演示，也可以結合需求進行調速、配音和字幕等剪輯處理以適應不同需求[6]。

圖6 apc輕量化文件專用游覽器

2 三維工藝應用實效

基于各種三維工藝軟件，適應多種工況需求，可以編制輸出apc輕量化文件用以指導車間總裝和培訓，輸出AVI視頻文件以進行參觀展示、客戶培訓和售后檢修等。三維工藝設計成果示例如圖7～圖10所示。

圖7 某產品裝配工藝仿真

圖8 某產品關鍵工序培訓

圖9 某產品檢修動畫

圖10 某產品參觀展示視頻

三維工藝應用能夠有效整合設計、工藝、生產、售后等各個干系環節，經對某公司電力一次裝備制造過程中三維工藝應用階段各環節的關鍵指標進行跟蹤統計，形成某公司三維工藝應用前后生產過程關鍵效率對比(見圖11)。

圖11 某公司三維工藝應用前后生產過程關鍵效率對比

分析圖11可知，實施推廣三維工藝對產品設計制造的全周期各環節均有比較明顯的改善和推動作用。一方面，設計建模等前端環節的規范性、準確性將顯著提升，同時工藝員對產品的認識也不斷得到深化；另一方面，三維工藝文件結合產品模型進行演示的人機交互功能可以使操作人員更快更好地掌握相關技巧與要求；此外，三維工藝形式可以更好地適應各種工況條件，助力無紙化車間建設，提升企業智能化水平[7-8]。

同時也應認識到，現有三維工藝技術仍存在一些不足，例如：軟件系統工具種類偏少、接線動作不便模擬、部分操作不夠智能等。因此，企業應該在深入分析問題的基礎上聯合軟件廠商進行開發優化，提高軟件邏輯與企業業務流程適配度，立足實戰，在人員技能提升、保障機制建立等方面探究，切實用好三維工藝技術，使其真正成為電力裝備制造業的發展動力。

3 結語

三維工藝技術在培訓效率和效果提升、數字化和智能化車間構建等方面展現出巨大技術優勢，對電力裝備制造產業發展具有積極意義[9]。盡管目前在三維工藝技術的應用實踐還存在一定欠缺和制約。但是可以預見，三維工藝技術將憑借集成性、交互性、直觀性等特點，可在電力一次裝備的研發設計、結構總裝及檢修維保等環節提供強大技術支撐，將成為引領制造業深刻變革[10]的重要基石。