三维建模在厂房设计的应用与推广厂房设计进入数字化仿真时代

朱 岩，梁步龙，何沛麇

0 引言

随着科学技术的不断进步，三维建模技术得到了飞速发展，特别是在各种三维CAD/CAM/CAE等商业软件的推动下，三维建模技术在根本上改变了工业产品设计以及生产制造的理念，将人从传统的二维平面空间带到了三维可视化空间，不但深刻地影响着产品的设计、制造、使用、检验及评估，更在生产过程的规划布局、组织管理、资源调度、物流配送、现场目视化管理等方面表现出了极大的优势。虽然三维建模技术体现了一种良好的思维模式和工作方式，但是它在分厂生产活动中的使用率并不高，三维建模技术没有被作为一种新思维、新方法广泛应用于生产活动中以提效率、保质量、降成本，创造最高效益。

厂房作为企业生产活动的主要场所，需要不断改进和完善，以满足企业持续发展的要求。如果厂房没有一个标准化的样式，在不断改进和完善的过程中，缺乏统一的思想，整体的布局，厂房整体显现出凌乱，整体效果不够美观，局部设备设施配置不够合理，由于布局不合理，影响生产与运输以至于制约着生产活动的全过程。厂房传统的设计是通过二维图形表达三维产品（如图1），这是一种直接的设计方法，在尺寸参数上虽然能精确表达，但是二维图形及不直观，也难以对三维产品进行直接分析，如厂房中各设备、零件小车、工作台、叉车、操作员工等生产要素之间运动轨迹进行仿真分析，难以判断各生产要素是否相互干涉、布局是否合理。三维建模的思想是根据厂房或零件的二维图（一般是CAD图），利用计算机的三维软件（如AUTO CAD、UG、PRO/E等，本文以UG为例）构建三维模型，输入厂房的三维模型数据，三维软件可直接显示三维真实的形状效果（如图2），并可以将生产场景进行模拟仿真（如图3），从而在设计阶段就能提前验证设计方案，对存在的问题提前进行整改、优化，减少了厂房设计、验证周期，降低了厂房设计成本。

图1 厂房设计二维平面视图

图2 厂房设计三维立体图

图3 生产场景三维模拟仿真

近年来，随着计算机的普及和计算机技术的迅速发展，为三维建模技术提供了有利条件；硬件上，计算机走向高集成化、高性能化；软件上，计算机辅助设计（CAD）软件越来越多，越来越完善，在制造业的应用越来越广泛，应用人员的CAD水平也有了很大的提高，用三维CAD软件应用于产品设计已逐渐成为潮流，而玉柴机器股份有限公司在其二发厂厂房重新规划设计是率先利用UG三维建模技术，并取得了良好的成效，本文以玉柴机器股份有限公司二发厂运用UG的设计为例介绍三维建模技术在厂房设计的应用。

1 三维建模在厂房设计上的基本思路

1.1 厂房的三维建模制定方案流程

厂房的三维建模与机械零件三维建模相似，不同点在于机械零件三维建模的系统库模块中有很多机械零件模块，但厂房设计中很多生产要素是不规则的，大部分需要用户自己定义，部分还需要通过扫描来创建，例如看板、零件小车、吊车等，其精度要求无机械零件高，但是更为复杂，厂房的三维建模制定方案流程图如图4.

图4 厂房的三维建模方案制定流程

由图4可见，厂房方案的实施分为下面几个步骤。

第一步，根据企业实际需求和条件制约构建出初步方案，可以先以二维草图表示。

第二步，根据构想的方案和二维草图利用三维软件（本文以UG为例）引入三维建模技术构建三维模型，并评估三维模型的可行性，通过模型对方案进行不断仿真分析，对不合理的地方进行优化整改。

第三步，对优化整改好的方案组织企业高层和专业技术人员进行评审；由于形象、直观的三维评估模型给评审带来了极大的便利，方便分析方案的优与劣以及提出整改意见，并参照第一、第二步的方法对方案进行重新修订再评审，直到通过评审。

第四步，对通过评审的方案制定相关标准文件，签订相关技术协议，根据多方评审意见修订的方案实施标准具有很好的现实可行性。

最后，根据标准文件实施方案，并根据技术协议验收方案。

厂房的三维建模方案制定流程见图4.

1.2 三维建模的简介

在众多的三维CAD软件中，Unigraphics Solutions公司（简称UGS）的UG软件是G是集CAD/CAE/CAM于一体的三位参数化软件，是当今世界最先进的计算机辅助设计、分析和制造软件，广泛应用于航空、航天、汽车、造船、通用机械和电子等工业领域。UG软件在三维实体模型的构建和编辑、曲线与草图的绘制、三维模型输出二维工程图、零件装配和仿真模拟方面有着独特的功效，因此，UG软件是目前设计师和工程师理想的集成工作平台[1]。

1.3 模型的构建

1.3.1 三维模型的建立

UG建模技术是一种基于特征和约束的建模技术，具有交互建立和编辑复杂实体模型的能力。UG三维模型的构建充分发挥了传统的实体、表面、线框模型优势，能够很方便的建立二维和三维线框模型及扫描、旋转实体并可以进行模拟操作和参数化编辑。草图工具可供用户定义为二维轮廓曲线。特征建模块提高了表达设计的层次是实际信息可以用工程特征来定义[2]。

以玉柴机器股份有限公司二发厂车机车间厂房为原型，建立起庞大的厂房三维模型库。大体可以概括为三部分：厂房主体结构、车机装试线区、车机机加工线区。整个三维模型库将现实厂房中的绝大部分内容囊括进去，实现将现实厂房形象地搬上电脑，为三维建模技术的全面应用打下了坚实的基础。

1.3.2 三维模型精度控制

建立三维模型的指导思想就是要精确地还原现实，所以对尺寸的精度控制很重要。三维模型需要根据实际尺寸按照1∶1的比例绘制，现实厂房最大的长度达到两百多米，宽达到一百五十米，内部还会分布有各种机床、工位器具、管道、小车、悬挂链、高空架、吊车等，外形复杂，数量众多，分布散乱，所以保证模型的几何尺寸和位置尺寸的准确显得困难却又具有重要意义。

生产线仿真应用对模型的精度要求更高，进行模拟仿真就是以精确的三维模型为基础的，精度要求毫米以下。为了保证得到准确的仿真分析报告，在建立生产线仿真的时候，要对模拟分析涉及的尺寸进行严格控制精度，而对于模拟分析不涉及，比如辊道、小车等，可以不严格控制尺寸。

1.3.3 三维模型库的管理

庞大的模型库除了需要有基本的硬件条件保证运行外，还需要有很好的方式来进行维护管理，使得能在应用的时候，以最快的速度得到想要的结果，保证更好地开展各种实际应用。模型库的建立是为全面应用打下坚实的基础，实际某一方面应用常常只需要模型库中的某一区域内容，比如飞轮、飞轮壳运输优化整改，需要的是部装的一个小区域，可以将这部分导出来进行独立处理分析。选择性的应用是模型管理的一个方面，另一个重要方面是模型库的维护更新，现实时刻在改变，三维模型库也要随着更新，才能保证其时效性，准确性。1.4三维模拟仿真

以玉柴机器股份有限公司二发厂缸盖线仿真建立作为试点，将生产现场情况，采用三维建模技术建立高精度的生产线仿真模型，整条仿真线由许多严格控制尺寸精度的仿真单元和输送连接辊道组成，高精度的仿真生产线是现实生产线真实的再现。仿真线的建立，实现了新品在设计开发之初便可以同时考虑工艺问题，将产品三维模型输入仿真生产线中进行分析其上线生产的可行性，分析其是否会产生物理干涉等兼容性问题，以便提前考虑相关对策。通过动态模拟仿真，可以提前发现这些问题，并提出可行的解决方案，首先在仿真模型中解决这些问题，并模拟试运行。从而在缸盖上线前调整好定位销的位置、滚道的宽度，更换新品样机不可以使用的工装等等，解决一切在仿真中发现的问题，确保新品样机缸盖的部装过程能够顺利的进行，将工艺开发的时间大大提前。

1.4.1 厂房布局的仿真展示

厂房的布局以1∶1比例仿真（如图5和图6），在厂房设计初期就能直观形象展现出厂房建成后的状态，便于对厂房方案的评审和优化，也有利于对方案进行前期宣传，给企业投资者带来信心。

图5 三维模型

图6 厂房现状

1.4.2 物流仿真展示

利用三维模型（如图7）可以根据生产线和工位的布局合理规划物流路线、定置物流区域，通过仿真可以轻松推算出物流周期，从而优化生产线的物流配送、零件配置；同时，通过对生产场景的仿真可推算出物流车是否对生产岗位有干涉，是否威胁到员工的安全，员工该如何避开物流车等。

图7 物流场景仿真

1.4.3 生产工位操作仿真

对生产工位的模拟仿真可以模拟员工实际操作，员工操作轨迹、移动位置、发动机的位置、零件和工作台的定置都能实时模拟出来，可以清晰的分析岗位布局是否合理，对不合理进行优化的部分可以在UG仿真软件直接模拟出来，及时知道整改的结果，有效缩短方案设计和验证周期，如图8的生产工位仿真。

图9 生产工位仿真

1.4.4 工装、工位器具的仿真设计

对工装、工位器具的模拟仿真与零件的三维模拟仿真相似，都是先设计CAD二维草图模型（如图9），然后根据二维草图构建UG三维仿真模型（如图10）。UG三维模拟仿真模型能直观展现工装、工位器具完成后的状态，能在厂房设计图上形象的显示出使用状态，在方案评审时能直观向员工展示，便于后续的优化整改。

图9 工作台CAD二维图

图11 工作台UG三维模拟仿真模型图

1.4.5 设备技改仿真

厂房车间不断发展和建设，配套的设备设施也会不断进行更换和整改。设备设施不但讲究实用，也要考虑美观。三维建模技术在这一整改过程中可发挥重要作用。新设备的安装更换涉及面比较广，要尽量做到一步到位，反复整改会造成各方面的损失，耗费人力物力不说，还影响生产。三维模拟的好处在于提前对方案实施后的结果作出评估，优与劣一览无余。例如，车间的美观，色彩的选择很重要。美是人的主观感受，将这种主观感受精确地描述出来，这是现实模拟的优势，如图11设备着色方案对比。

图11 设备着色方案对比

1.4.6 宣传、培训仿真

企业的宣传栏的布置需要形象、直观，利用UG三维仿真模型可以将宣传栏信息多角度、全方位对厂房进行预览，导出并制作所需区域视图，辅助目视化管理。对于一些安全宣传的警示图，可以利用三维动态模式进行教育、宣传，是宣传更为直观、更有吸引力，从而更容易达到宣传效果，如图12文化宣传长廊和图13交通安全宣传。

图12 文化宣传长廊

图13 交通安全宣传

2 收益分析

三维建模技术作为一种新思维、新方法被引入玉柴机器股份有限公司二发厂的生产活动中，带来了思维模式与工作方式等多方面的改变，具有非常重要的意义。三维建模技术已经广泛应用到玉柴机器股份有限公司二发厂的工艺设计与优化、精益制造、物流优化、设备设施技改、人机工程研究、目视化管理、厂房标准建立、形象化培训等多个方面。具体应用案例众多，比如部装物流路线模拟、热泵支架配色方案模拟、工装整改模拟、员工培训辅助、精益宣传短片制作、目视看板预览及设计、现场立体导航图预览及设计、宣传手册插图设计等等，产生了较大的经济效益。随着它的优势不断涌现与应用的不断深入，它的更多潜能将释放出来，所带来的经济效益会更加巨大。

在新品样机实际装配前，可以预先利用该缸盖线仿真模型进行模拟，从中发现问题，并分析解决。这样可以减少实际装机的未知因素，大大提高了样品装机的效率与正确率，避免出现大量人力物力和时间的浪费，排除对于生产节拍的影响。缸盖仿真线的建立，具有重大意义，它为全面实现工艺开发与产品开发同步，迈出了标志性的一步，是具有突破性的良好开端。

进行工厂三维建模设计与应用项目对于提效率、保质量、降成本等方面具有重要意义，它的全面应用渗透在生产活动的整个过程、各个细节，期间产生的经济效益不可估量。

3 应用与推广——“数字化工厂”

三维模型技术在厂房设计领域的应用开创了一个新纪元，引领企业走进了一个新时代——“数字化时代”，“数字化时代”在工业生产的体现为“数字化工厂”，如图14.“数字化工厂”贯穿整个工艺设计、规划、验证、直至车间生产工艺整个制造过程，除了在工厂仿真、物流仿真、人机装配仿真外，同时增加基建仿真等。“数字化工厂”应用提高资金利用效率外，还能为数字设计、数字制造带来变革，而最终带来企业经营运作模式的转变。应该说完整的“数字化工厂”牵动着整个企业各方的神经。在数字化工厂没有出现以前，一般是根据产品设计方案来决定生产流程，并按序生产，一旦产品发生变化，工厂里的一切都需要改变。数字化工厂利用数字化技术能够根据市场需求，实现产品设计、制造工艺设计、产品仿真、虚拟试生产等多个环节的数字化。也就是说，无需投资制作样品，也可模拟未来产品，并预见生产这件产品时可能遇到的问题，这可以在最大限度上节约研发的时间和费用。换而言之，只需随时调出设计图，修改或虚拟某一个工艺段，就可以在不影响其他工艺段的情况下完成改变，甚至可以不花一分钱虚拟出整个生产流程，并看到其中可能存在的问题。

图14 数字化工厂概念示意图

从一定意义上说，玉柴机器股份有限公司二发厂所进行的厂房三维建模，是对“数字化工厂”做最初的尝试，毕竟“数字化工厂”是以厂房三维模型作为基础的，这个环节必不可缺。拍摄的厂房三维模型展示视频虽然跟一个研发团队制作精良的“数字化工厂”演示片不在一个等级上，但是基本思路是一样的。

从以上阐述可以看出，玉柴机器股份有限公司二发厂建立的厂房三维模型在各方面的应用广泛，给生产活动带来了很大的便利，虽然它与真正意义上的“数字化工厂”还有很长一段距离，但是“数字化工厂”所折射的思想精髓对继续探索具有很强的指导意义。下一步，将以建立“数字化工厂”作为追求的目标，发扬永无止步的创新思维，继续探索，以追求效益的最大化。

4 总结

通过引入三维建模技术在生产活动中的应用，已经在工艺设计与优化、精益制造、物流优化、设备设施技改、人机工程研究、目视化管理、厂房标准建立、形象化培训等多个方面取得令人满意的效果，不断创造效益。基于精确三维模型的生产线仿真应用更好地确保新产品上线的顺利进行，实现工艺开发与产品开发同步，将工艺开发的时间大大缩短。在以后的生产管理需要中，它将在更大宽度更广深度的应用中起到至关重要的作用。

[1]徐 赵，易侃黎.UG NX5.0技能模块[M].成都：西南交大出版社，2010.

[2]叶南海.UGNX5.0模具设计基础与应用提高[M].北京：国防工业出版社，2008.