船廠工藝快速布局工具2.0的開發(fā)與應用

胡世南，丁煒杰

(中船第九設(shè)計研究院工程有限公司，上海 200063)

0 引 言

在國內(nèi)船舶工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的背景下，船廠基建工程越來越重視前期的工藝布局與規(guī)劃。工藝布局不僅影響船廠投產(chǎn)后的運轉(zhuǎn)效果，而且影響工程建設(shè)的成本。由于船廠的工藝規(guī)劃具有一定的特殊性，在行業(yè)內(nèi)缺少適用于船廠工藝快速布局的工具軟件，因此團隊開發(fā)一種船廠工藝快速布局工具，并針對該工具在生產(chǎn)中的使用反饋進行有針對性的升級。

1 開發(fā)背景

在船廠工程建設(shè)的前期需要進行船廠車間工藝規(guī)劃設(shè)計。船廠車間工藝規(guī)劃設(shè)計的主要任務是根據(jù)船廠綱領(lǐng)產(chǎn)品的生產(chǎn)制造流程與生產(chǎn)物料數(shù)量，進行船廠生產(chǎn)資源要素(人、機、料、法、環(huán))的規(guī)劃。工藝規(guī)劃設(shè)計的成果主要體現(xiàn)為車間空間體量、車間內(nèi)工位劃分、工藝設(shè)備選型與布局方案等內(nèi)容，是船廠車間廠房進行土建、公用設(shè)計及設(shè)備安裝與集成的依據(jù)與基礎(chǔ)。

與采用二維計算機輔助設(shè)計(Computer Aided Design,CAD)工具相比，采用三維建模方式進行車間工藝布局具有明顯的優(yōu)勢，三維表達方式更直觀、更美觀、更符合人們的視覺習慣,讓每個人均可輕松讀懂布局規(guī)劃內(nèi)容[1]。

由于各行業(yè)工廠布局均具有相對特殊的需求，在國內(nèi)外的軟件市場上很難找到一種適用于所有工程行業(yè)的布局工具，因此需要根據(jù)行業(yè)特點進行布局工具的定制化開發(fā)。例如，SJTU-SANY數(shù)字化工廠技術(shù)聯(lián)合實驗室開發(fā)三維工廠布局規(guī)劃平臺(VR-Layout)，該平臺為操作者提供逼真的交互式虛擬漫游環(huán)境，是一款專業(yè)的工廠三維布局軟件工具[2]。

船廠工藝布局具有自身的特點與需求，選擇自主三維快速布局工具的技術(shù)路線。經(jīng)相關(guān)開發(fā)工作，形成船廠工藝快速布局工具1.0。布局工具1.0在船廠工程設(shè)計應用中顯著提升設(shè)計深度與響應速度，但在使用過程中發(fā)現(xiàn)一些問題：沒有形成完整的模型庫，制約建模內(nèi)容與功能的可擴展性；只能進行單向參數(shù)化建模，若需要對模型進行修改，則操作過程非常繁瑣。上述問題制約布局工具1.0的使用效率，因此在其基礎(chǔ)上進行船廠工藝快速布局工具2.0的開發(fā)，重點解決基于構(gòu)件模型庫的參數(shù)化建模及基于數(shù)模關(guān)聯(lián)的雙向參數(shù)化建模技術(shù)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)與主要功能

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

船廠工藝快速布局工具2.0是一種使用Ruby語言、在SketchUp平臺上進行二次開發(fā)的插件工具。SketchUp軟件是一款通用于建筑方案設(shè)計的三維建模軟件，操作簡單便捷，同時開放強大、完善的Ruby應用程序編程接口(Application Programming Interface,API)[3]。SketchUp的Ruby API可幫助開發(fā)者擴展SketchUp的功能以滿足各自不同的使用需求，創(chuàng)建文本格式的腳本文件并將其放置于SketchUp的插件目錄下[4]。布局工具2.0采用該開發(fā)方式，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 布局工具2.0的系統(tǒng)架構(gòu)

布局工具2.0各構(gòu)成模塊之間的關(guān)系如圖2所示。在進行某型設(shè)備的布局建模過程中，運行設(shè)備建模程序控件，該控件調(diào)用該設(shè)備的正向建模腳本，進行參數(shù)的錄入與解析；建模腳本根據(jù)數(shù)據(jù)解析結(jié)果從設(shè)備模型構(gòu)件庫中加載相應的設(shè)備構(gòu)件模型，組合為所需要的設(shè)備模型并布置在車間指定位置。

圖2 布局工具2.0的主要構(gòu)成模塊及其相互關(guān)系

2.2 主要功能

船廠工藝快速布局工具2.0以SketchUp插件的形式存在，包括6類工具條，如圖3所示，實現(xiàn)車間廠房環(huán)境，物流設(shè)備，船體車間生產(chǎn)加工設(shè)備、船用管子車間設(shè)備，船廠船塢與碼頭等設(shè)施，外場門式起重機、碼頭起重機等大型設(shè)備，船廠陸域設(shè)施(道路、廠房體塊、辦公建筑體塊、公用動力站房等)的快速布局功能。

圖3 布局工具2.0的6類建模插件工具條

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于構(gòu)件模型庫的參數(shù)化建模技術(shù)

3.1.1 參數(shù)化建模原理

SketchUp支持通過Ruby語言腳本實現(xiàn)所有的操作命令，在理論上可通過Ruby語言腳本從零創(chuàng)建所有模型。但這樣的方式會帶來大量的代碼編寫工作，且每一種設(shè)備需要專門對應一段代碼程序。為提高軟件開發(fā)效率，在布局工具2.0中主要采取預制構(gòu)件拓撲法，在開發(fā)過程中按照工藝設(shè)備與建筑結(jié)構(gòu)件的幾何特征與變形特征，將模型按照空間拓撲關(guān)系拆分為預制構(gòu)件，如圖4所示。在創(chuàng)建非標設(shè)備模型的過程中調(diào)取相應設(shè)備構(gòu)件，基于幾何參數(shù)對相應構(gòu)件進行拉伸、復制和移動等操作，組裝為完整的設(shè)備三維模型，使用該方法不僅可保證模型的精細度，而且可有效控制模型體量[5]。

圖4 預制構(gòu)件拓撲法建模原理

3.1.2 工藝設(shè)備模型庫的編碼體系

預制構(gòu)件拓撲法實現(xiàn)的關(guān)鍵在于從模型庫中調(diào)用設(shè)備構(gòu)件模型，采用合適的構(gòu)件調(diào)用方法會顯著提升插件程序的建模效果。布局工具2.0貫徹成組技術(shù)理念，通過建立工藝設(shè)備模型庫的編碼體系，對建模程序進行優(yōu)化。

設(shè)備模型庫的編碼體系就是一種根據(jù)工藝設(shè)備形態(tài)特征、設(shè)備規(guī)格類型及建模參數(shù)等要素進行設(shè)備構(gòu)件模型命名的規(guī)則。以船體車間的門式板材切割機為例，其構(gòu)件模型由4位代碼組成：第1位是部位碼，表示該構(gòu)件屬于設(shè)備的具體部位；第2位是特征碼，表示該部位具有的幾何特征；第3位和第4位是規(guī)格碼，表示設(shè)備的規(guī)格類型。因此，代碼C101為等離子切割機的割矩頭本體，如圖5所示。

圖5 設(shè)備構(gòu)件編碼表原理示例

板材切割機的建模程序代碼如圖6所示。建模程序通過字符運算，將輸入的選項參數(shù)轉(zhuǎn)化為構(gòu)件模型的模型名，從數(shù)據(jù)庫中調(diào)用同名模型構(gòu)件，經(jīng)幾何變換后組合為相應的切割機設(shè)備。按照這樣的方法，僅需要200行代碼即可實現(xiàn)幾十種不同規(guī)格與類型切割設(shè)備的參數(shù)化建模功能，且不需要修改程序代碼，按命名規(guī)則將新的構(gòu)件模型添加至模型構(gòu)件庫即可實現(xiàn)新設(shè)備的參數(shù)化建模。

圖6 板材切割機的建模程序代碼

3.2 基于數(shù)模關(guān)聯(lián)的雙向參數(shù)化建模技術(shù)

參數(shù)化建模是在20世紀80年代末逐漸占據(jù)主導地位的一種CAD方法，是參數(shù)化設(shè)計的重要過程。在參數(shù)化建模環(huán)境中，零件由特征組成[6]。布局工具1.0的參數(shù)化建模方式為單向，實用性較差。布局工具2.0通過Ruby語言開發(fā)實現(xiàn)工藝設(shè)備雙向參數(shù)化建模功能，如圖7所示。

圖7 工藝設(shè)備雙向參數(shù)化建模的實現(xiàn)原理

在進行設(shè)備的第一次建模過程中，正向建模腳本在完成模型創(chuàng)建后，通過如圖8所示的程序命令將輸入的設(shè)計參數(shù)附加至創(chuàng)建的模型。

圖8 實現(xiàn)建模參數(shù)與模型關(guān)聯(lián)功能的代碼

若需要對已完成建模的設(shè)備進行修改，僅需要在選中該設(shè)備模型后點擊設(shè)備更新控件。該控件自動讀取模型附帶的建模參數(shù)，調(diào)用反向建模腳本。反向建模腳本自動讀取在上一次建模時輸入的參數(shù)，并彈出參數(shù)修改界面，在設(shè)計人員完成參數(shù)修改后，反向建模腳本即可自動生成新模型，并將新建模參數(shù)與模型進行關(guān)聯(lián)，如圖9所示。

圖9 設(shè)備參數(shù)化反向修改功能實現(xiàn)過程

4 使用效果與工程實例

4.1 建模效率提升情況

在布局工具2.0的開發(fā)過程中，共經(jīng)歷3輪技術(shù)迭代。以某四聯(lián)跨雙層行車的船體分段車間三維建模為對象，分別對升級前、第一輪升級后、第二輪升級后、第三輪升級后的布局工具進行建模效率測試，如圖10所示。經(jīng)設(shè)計人員實操測試，布局工具2.0第三輪的整體布局效率可達布局工具1.0的2.9倍。

圖10 布局工具2.0建模效率提升情況示例

4.2 工程實例

某船廠鋼結(jié)構(gòu)車間生產(chǎn)線工藝方案投標項目需要對多條自動化生產(chǎn)線進行方案論證，每條生產(chǎn)線均包含復雜的加工設(shè)備與物流設(shè)備，如圖11所示。為進行高效的方案論證，設(shè)計人員使用廠房布局工具條快速生成鋼結(jié)構(gòu)車間，使用物流設(shè)備工具條和船體加工設(shè)備工具條完成車間內(nèi)的地面輥道、起重機、運輸臺車、焊接門架等設(shè)備的三維布局，整個過程僅用時0.5 d；以該布局模型為基礎(chǔ)，與船廠進行工藝方案的討論與優(yōu)化。使用參數(shù)化布局工具的反向修改控件，可在方案討論會的現(xiàn)場對生產(chǎn)線布局方案進行快速變更與優(yōu)化，顯著提升方案溝通與設(shè)計方案優(yōu)化的效率，僅通過1次方案討論會，設(shè)計方與船廠即對設(shè)計方案基本達成共識。

圖11 某船廠鋼結(jié)構(gòu)車間生產(chǎn)線工藝方案投標項目

在某船舶配套園區(qū)改造規(guī)劃項目中，為進行多方案對比論證，設(shè)計人員使用總圖布局工具對園區(qū)的現(xiàn)狀布局進行三維快速建模，如圖12所示。在該模型基礎(chǔ)上，使用反向修改控件生成多套改造方案布局，實現(xiàn)基于模型的多方案對比論證，整個過程僅用時1 d，在不影響項目進度的前提下顯著提升方案論證效果。

圖12 某船舶配套園區(qū)改造規(guī)劃項目的三維多方案論證

5 結(jié) 語

通過應用參數(shù)化與編碼等關(guān)鍵技術(shù)，船廠工藝快速布局工具2.0在人機交互界面、模型庫標準化、建模效率等方面顯著地提升船廠規(guī)劃設(shè)計質(zhì)量與效率，在船廠工程規(guī)劃設(shè)計項目中得到廣泛應用。該工具可在設(shè)備構(gòu)件庫、操作流程及內(nèi)部程序架構(gòu)等方面進一步完善，在船廠規(guī)劃中發(fā)揮更大作用。