三维可视化工艺在汽轮机装配中的应用

张国永，程宇浩，刘 霞

(上海电气电站设备有限公司汽轮机厂，上海 200240)

传统的工艺文件一般以文字描述和二维工程图为主，存在空间位置表达不直观、容易误解文字等缺点。随着人们对汽轮机产品性能需求的提高，产品外形、结构愈发趋向复杂化、精细化，相应的开发设计过程已经基本实现了三维可视化。与此同时，作为指导一线生产的工艺技术文件也需要向三维化和可视化发展。

目前市场上出现了许多可实现工艺三维化和可视化的商业软件，如开目3DCAPP、DELMIA工艺设计平台等。应小昆等[1]研究开发了基于DELMIA的三维数字化装配集成平台软件系统，以轮式装甲车辆的动力舱吊装和轮毂装配过程为例，进行了三维工艺设计与仿真。张朋真[2]借助DELMIA软件的人机工程模块，基于现有的人机工程分析工具，实现了装配过程的人机工程仿真，生成了具有可操作性的飞机部件装配工艺方案。徐昌飞[3]利用开目3DCAPP对手动齿轮箱装配工艺进行了规划，在实际生产中应用了三维动态装配工艺。虽然UG和Pro/E等三维设计软件也可以制作可视化的装配动画，用于实际生产，但对于零件数量庞大、结构复杂的产品，就需要设计专用软件，以方便快捷地进行可视化工艺规划[4-8]。通过上述文献可知，DELMIA、UG、Pro/E等通用建模软件的使用场景主要针对三维静态模型绘制，由于其软件功能定位的限制，若要实现复杂模型的动态三维可视化工艺规划，就需要使用配置很高的个人计算机，甚至还需要进行二次开发，技术难度很高，工作量也很大。开目3DCAPP虽然可以轻松应对零件数量和数据量较小的装配部件，但对于零件数量和数据量庞大的汽轮机装配件，进行动态三维装配工艺规划的难度会显著增加。因此有必要寻求一种快速、高效的动态三维装配工艺规划方案。

经市场调研，本文认为Smart3Dviewer可视化装配工艺设计系统可满足三维可视化工艺开发的需求，其已应用在多个制造领域中，包括航天器、烟草机械等。为验证该软件系统是否适用于汽轮机产品的三维可视化工艺开发过程，我们选择了一种典型结构的汽轮机，通过Smart3Dviewer可视化装配工艺设计系统对机组的总装过程进行三维可视化工艺开发。

1 总体方案

本文以一个复杂的汽轮机装配模型作为对象，进行三维可视化装配工艺规划。该汽轮机装配模型用UG NX7.5设计，含有约1万个主要零件，模型数据总量庞大，达4.82 GB，普通配置的个人计算机和常用软件难以处理。根据该汽轮机装配模型的特点以及动态三维装配工艺的要求，选用的设计软件至少应具有模型轻量化、重新构建装配物料清单(Bill of Material，BOM)、三维动画编制，以及工艺参数输入等4项基本功能。根据以上需求，本文拟用Smart3DViewer可视化装配工艺设计系统进行该汽轮机的三维装配工艺设计。

Smart3DViewer是一套兼容当前主流三维设计软件的可视化装配工艺设计系统，它由1个主软件APDtools和2个辅助软件SmartAdapter、SmartViewer组成。其中SmartAdapter是安装于UG NX的一个插件，用于装配模型的轻量化；APDTools用于重新构建装配BOM、三维动画编制以及工艺参数输入，也可在工艺中添加数据图表、音频等其余要素；SmartViewer则用于浏览三维装配工艺，无法对工艺进行编辑，主要应用于车间使用场景。

2 三维模型的准备和轻量化

汽轮机零部件使用三维设计软件UG进行设计，并用UG软件完成模型装配。由于一台汽轮机由多达数千个甚至上万个零件组成，装配模型占用了大量的计算机内存和硬盘资源，因此，必须对各零件进行轻量化，才能进一步制作三维装配动画，规划后续的三维可视化装配工艺。

安装SmartAdapter后，UG软件中增加了一个下拉菜单，可对模型一键轻量化。在UG中安装了SmartAdapter后新增加的菜单如图1所示。利用该菜单，将UG里装配好的汽轮机模型导出，便生成了扩展名为SVF的文件，文件里包含了后续所需的所有零件信息，轻量化后文件的数据大小仅为原始模型的1/20至1/10。对于含有数千个零件的装配模型，必须采用分批轻量化的方法，在“选项配置”里设置好轻量化的精度，去掉“导出隐藏模型”勾选框，如图2所示，然后在UG中将零部件分批隐藏和显示。使用“导出当前模型”则会把UG中当前显示的零部件导出成为轻量化文件，分批导出后得到若干个轻量化SVF模型文件。

图1 UG中安装SmartAdapter后添加的菜单

图2 SmartAdapter选项配置

3 重新构建装配BOM

从UG装配模型里导出的SVF文件保留了UG中的装配关系和零件分组，但在后续的可视化装配工艺规划过程中，可能需要不同的零件分组。为方便后续工艺规划，建议利用APDtools中的零件复制、粘贴、剪切、插入等操作对SVF文件中的零件模型进行重新分组，构建新的装配BOM。由于UG NX7.5不支持模型文件的中文命名，为了便于阅读，可在APDtools中直接对零件名称进行编辑。图3是汽轮机内缸内部叶片和汽封片等零件的装配BOM。

图3 汽轮机内缸装配BOM

对于多个SVF文件，可多次使用APDTools的导入功能，逐个导入SVF文件，组合成为1个SVF文件。在后续编辑过程中，如果发现缺少零件模型或者模型装配错误，也可以通过模型编辑功能导入缺失的零件，或者对原模型中装配位置错误的零件进行位置编辑。

4 三维装配动画编制

编制三维装配动画是APDtools软件的核心功能，也是可视化装配工艺技术的关键。APDtools可实现零件平移、旋转以及复合运动，视角可以随意转换，可漫游进入零件内部，还可以实现零件透明度变化，并可利用透明度变化实现线缆的动态延伸展示。

虽然APDtools可以将零件拆卸的动画过程一键转换成装配动画过程，但是对于零件数量庞大、需要反复多次拆装的汽轮机，不宜采用这种方法。推荐的做法是利用透明度变化的功能，在零件需要出现时设置为全不透明，不需要出现时设置为全透明，然后按照实际的装配顺序进行动画设计。

透明度渐变是APDtools的一项特别的功能，利用透明度渐变功能，可实现汽轮机中热电偶线、电缆线布线过程的动态展示，汽轮机内缸的热电偶线布置动画制作如图4所示。

图4 热电偶线布线动画制作

在模型中可以添加文字标注，文字标注可以作为一个零件模型，在可视化装配动画中动态展示出来。

完成装配动画编制后，APDtools还可以检查零件在装配运动过程中是否会与其他零件产生碰撞，并会提示碰撞的具体位置，工艺设计人员可根据需要重新规划装配的顺序或装配运动路径。

5 工艺参数的输入

根据已制作好的三维装配动画，工艺人员可在APDtools中实现一键自动生成各装配工序的功能，但这样的装配工序一般不符合实际工艺规划的要求。这时就需要重新进行编辑，按照实际情况进行重新划分。因为有了自动生成的装配工序，重新划分工序也就比较简便，只需进行复制、粘贴并配上相应的道序描述即可。汽轮机内缸总装的部分工序和工步如图5所示。

图5 汽轮机低压内缸总装工艺规程

规划好工序和工步后，还可按需给各工序和工步添加语音说明、文字说明、记录表格等各种工艺信息。诸如工装图号、零件图号、复杂工艺技术要求等不适合用可视化方式展示的信息，则可以在各工序或工步的属性里添加。相关的视频、图片等也可以添加在各工序和工步中，方便操作人员更直观地进行对比操作。工序工步的属性内容编辑如图6所示。

图6 工序工步属性

6 三维装配工艺的浏览和使用

SmartViewer是专门用于浏览可视化装配工艺的软件，在SmartViewer里只能查看编制好的动画以及工艺信息，不能进行编辑。由于可视化三维装配工艺文件包含记录表格，操作时打开记录表格即可对实际装配过程中的数据进行填写，非常方便。编制好的三维装配动画也可导出成avi格式的视频文件，以提供给没有SmartViewer软件的人员观看。各装配工艺道序也可以导出成XML格式的文件，供其他软件使用。

7 结 论

本文采用Smart3DViewer可视化装配工艺设计系统，对复杂的UG模型进行轻量化后制作装配动画，对零件数量庞大、结构复杂的汽轮机装配模型进行了三维装配工艺设计，实现了UG装配模型轻量化、重新构建装配BOM、三维动画编制，以及工艺参数输入等4项基本功能。工艺人员可在工艺文件中添加数据记录表格、音视频、图片等多媒体文件，添加过程高效、快速。该设计系统的应用对指导实际生产具有积极作用。