基于仿真三維動畫技術的自動化鉆機管柱處理系統運動分析

王蘭，張志偉，張利賢，李亞輝，張茄新

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西寶雞 721002；2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司，陜西寶雞 721002）

0 引言

自動化鉆機管柱處理系統的設計研發周期長、成本高，樣機試驗發現的各類設計缺陷問題嚴重制約自動化鉆機的研制進程。為減少產品設計制造成本，加快產品研發進度，在智能制造理念的引領下，非常有必要合理選擇、應用仿真三維動畫技術在虛擬空間對研發產品進行預試驗。

1 石油鉆機管柱自動化處理系統工作原理分析

鉆機管柱自動化處理系統是以自動化設備代替人工將鉆井用鉆桿、套管等鉆具由地面輸送至井口或鼠洞，完成鉆具連接、立根排放并實現起、下鉆工況下鉆具的自動化轉移處理等工作。主要有建立根、起鉆、下鉆、甩鉆等工況。以某型號自動化鉆機管柱系統為例，該系統配套有液壓排管架、動力貓道、鉆臺機械手、防噴泥漿盒、緩沖機械手、鐵鉆工、氣動卡瓦、液壓吊卡、二層臺排管裝置等自動化工具，系統組成如圖1所示，各個單元設備相互配合，完成對鉆具的處理過程。

圖1 鉆機管柱自動化處理系統組成

以該系統建立根作業為例，其工藝流程為：液壓排管架將鉆桿滾動至動力貓道排管架；動力貓道排管架每次滾動一根鉆桿至動力貓道送鉆裝置；動力貓道送鉆裝置將鉆桿輸送至鉆臺面；液壓吊卡上提第一根鉆桿至井口，同時動力貓道輸送第二根鉆桿至鉆臺面；液壓吊卡上提第二根鉆桿至鼠洞，同時動力貓道輸送第三根鉆桿至鉆臺面；液壓吊卡上提第三根鉆桿至鼠洞上方，鐵鉆工完成第二、三根鉆桿的上扣；液壓吊卡上提第二、三根鉆桿至井口上方，鐵鉆工完成第一、二根鉆桿的上扣；液壓吊卡上提第一、二、三根鉆桿至二層臺上方，二層臺排管裝置將立根排放至二層臺。至此，完成一組建立根作業。

2 仿真三維動畫技術應用分析

2.1 鉆機管柱自動化處理系統設備三維模型建立

如圖2所示，三維模型的建立是以二維設計圖樣為基準，將其導入三維建模軟件作為參照，進行三維模型創建。本案例的設備三維模型主要來自機械設計類軟件建立的單元設備三維模型，部分外圍設備模型采用三維動畫軟件進行創建。然后需將各單元設備三維模型以STEP、STL等中間格式輸出，在一個仿真軟件的虛擬空間內按照二維圖樣總體設計方案完成三維布放。

圖2 三維模型的建立流程圖

完成系統三維布放之后，為真實模擬總體方案，完整呈現設計效果，按照系統油漆方案對設備的各組成部分添加材質效果，同時進行簡單的燈光、場景設計。

運動機構調整：本案例運動仿真的實現主要依靠動畫軟件的運動學動畫、骨骼動畫、參數動畫、約束動畫、關聯參數等功能[1]。首先調整運動部件的運動軸位置，創建必要的輔助對象，然后對關聯運動機構進行鏈接和動作約束。

2.2 運動程序設計

首先對建立根運動流程進行分解，根據設計要求，分解動作流程，并為每套動作賦予時間要求，設計包含流程動作及各設備運動時間長度的流程表（如圖3），按運動時間的先后，在仿真三維動畫軟件中依次設定每一運動構件的關鍵幀動畫。

圖3 運動流程圖

2.3 運動軌跡分析

在進行流程關鍵幀動畫設定的同時，反復推敲流程是否合理，必要時打開運動構件的運動軌跡線，確認與方案設計的運動軌跡是否一致。對運動軌跡進行分析，在此基礎上不斷優化設計方案，讓運動流程更合理，將調整后的運動軌跡線輸出為二維線條供設計參考。最后將整段運動仿真以可視化視頻形式輸出，提供給設計者，進行設計方案再評審。

2.4 檢查

為了確保運動程序設計的完整性和準確性，在建立完整的運動軌跡后，需對設備相對運動位置進行檢查，在仿真運動的同時，查看作業時的設備間距，對距離較近的兩設備極端點進行實時間距查看，測量最小運動間距，確保設備之間有足夠的安全距離。

3 仿真三維動畫技術應用關鍵問題及解決方案

仿真的目的是要達到提前預演設計，驗證設計。提前精確模擬真實產品，確保仿真結果準確，需要綜合分析設計方案和仿真軟件等多方面因素。在進行建立根作業仿真三維動畫工作時，會存在模型占用空間大，運動順序和時間卡點偏差，設備間動態測量不準確等問題，這些問題直接影響仿真三維動畫的顯示效果和應用的準確性。針對以上3點問題，采用三維模型精細化處理、運動流程理論規劃、創建卷尺輔助對象等方法，獲得了較為精確的鉆機管柱自動化處理系統三維動畫。

3.1 模型的精細化處理

分析模型的重要性，對設備三維模型分類型建造，以機械設計軟件創建的三維模型，參數化建模，獲得的模型尺寸精確、細節豐富，可用于設計圖樣輸出、力學分析、運動仿真等。以三維動畫軟件創建的三維模型，考慮工作效率，所建三維模型相對設計方案來說較為簡化，可作設計參考、運動仿真分析、產品可視化。管柱自動化處理系統建立根仿真所需的設備數量多，運動機構復雜，如果將設計建模直接合并，會造成文件占用系統空間大、軟件運行卡頓或報錯等情況，不利于仿真工作的開展。因此，在布放前，需將各設備進行簡化處理，在不影響仿真三維動畫制作的前提下，盡量多地去除無關仿真結構，包括驅動構件運動的內部機構。模型精細化處理（如圖4）解決了仿真文件占用空間大的問題。

圖4 模型精細化處理前后對比

3.2 運動流程理論規劃

一般三維動畫的制作是以運動先后順序進行關鍵幀動作設定，在一定時間內完整演示運動流程。與一般三維動畫制作不同的是，仿真三維動畫設計要具備更高的準確性和真實性，所以仿真三維動畫的制作要以設計方案為依據，以設計的各運動構件實際工作時間為參數，進行關鍵幀動作的設定。如果運動順序和時間卡點偏差較大，容易導致運動仿真分析結果失真，誤導設計。進行管柱自動化處理系統建立根三維動畫仿真之前，計算系統的所有運動部件理論行程并確定相應運動時長，建立完整的運動流程關鍵幀動作表，按照運動流程表進行關鍵幀動作編寫（如表1），最后按編寫內容逐一進行關鍵幀動畫設置。采用這種方式與方案設計同步，解決了運動時間點與理論不相符的問題。

表1 某運動部件運動關鍵幀動作編寫

3.3 設備間距動態測量

由于仿真三位動畫要真實虛擬設備運動時間和運動軌跡，為設計提供依據，在預覽動畫時，需檢查運動中的干涉問題，同時也要確保設備之間有足夠的安全距離，因此，對設備間距的測量必不可少。因為觀察者視角的不同，距離是有偏差的，所以常用的停在某一動畫幀測量設備間距的方法所得結果并不一定是正確的。因此，如何實現相互運動的設備之間動態距離的測量是需要解決的關鍵問題。在管柱自動化處理系統建立根仿真分析中，應用三維動畫軟件創建卷尺輔助對象進行測量的方法可有效解決這個問題。具體操作為：打開捕捉開關，在兩設備的極端間距點處，將卷尺的兩端分別移動至兩點，并將卷尺兩端鏈接至相應運動構件上，完成設置后，通過滑動動畫幀時間線查看卷尺數據的變化，得出最小間距（如圖6）。這種間距動態測量法，解決了最小間距測量不準確的問題。

圖6 設備間距離測量

4 結論

石油鉆機管柱自動化處理系統適應工況和工藝流程較為復雜，在研發過程中利用仿真三維動畫技術對鉆機管柱自動化處理系統進行了運動仿真和分析，以可視化形式對建立根過程進行直觀的模擬，對設計方案進行了驗證，對系統存在的缺陷反饋給設計者進行修改，減少了產品設計制造成本，加快了產品研發。

在仿真三維動畫制作過程中，需依據原始設計建立準確的三維模型，按照實際情況分解流程、設計程序，進行運動學分析。針對仿真三維動畫分析時出現的模型大、運動順序和時間卡點偏差大、設備運動距離測量不準確等問題，可通過模型簡化處理、運動流程理論規劃、采用創建卷尺輔助對象的方法加以解決。仿真三維動畫的實例應用代表了企業在發展過程中對于仿真三維動畫的實際需求[2]。應用仿真三維動畫技術的優勢顯而易見，它不僅限于機械運動仿真，還有設備布局、安裝順序預驗證，以及攝像頭、燈光可視化仿真等，今后這類技術在機械產品設計中的應用將會越來越廣。