风机装配数字化技术革新方略研究

李琳

摘要：随着计算机技术的日新月异，其在各个领域中的应用越来越广泛，这也为风机装配技术的数字化提供了技术基础，在此背景下，探讨风机装配数字化技术的革新方略，具有重要的现实意义。本文介绍了风机装配数字化技术的主要类型，分析了风机装配数字化技术的重要工艺环节，并重点探讨了基于工艺仿真技术的风机数字化装配的创新设计方案。

关键词：风机 风机装配 数字化技术 工艺仿真 虚拟现实

中图分类号：V262.4

Abstract： With the rapid development of computer technology， it is more and more widely used in various fields， which also provides a technical basis for the digitization of fan assembly technology. Under this background， it has important practical significance to discuss the innovation strategy of fan assembly digitization technology. This paper introduces the main types of digital technology of fan assembly， analyzes the important process of digital technology of fan assembly， and focuses on the innovative design scheme of digital assembly of fan based on process simulation technology.

Key Words： Fan; Fan assembly; Digital technology; Process simulation; Virtual reality

随着数字化信息技术的不断更新迭代，信息化、数字化、虚拟化的计算机辅助技术在各个领域得到了广泛的应用，这也为风机装配环节应用数字化技术提供了坚实的技术支撑。

1风机装配数字化技术概述

目前在风机装配中常见的数字化技术主要包括：数字化装配即利用计算机技术、信息技术及相关工具，通过数据分析、仿真模型构建、可视化等手段实现风机装配的技术。通过收集、分析、整合风机实体的零部件数据，从而实现整个装配过程仿真。该项技术在操作真实性强、人机交互性上具有显著优势。另外可通过穿戴现实增强设备（头盔等），使得虚拟的影响能够显现于真实的物理环境中。该项技术多用于较为烦琐、零部件关系复杂的装配工作中【1】。

2风机装配数字化技术的重要工艺环节

2.1装配建模

风机的装配建模本质上是对风机各个零部件之间关系的可视化描述。装配模型主要包括关系性模型、层次性模型与面向对象模型3种。关系模型基于图论法的建模原理，表达简单，但存在较多的冗余连接，从而在一定程度上增加了后续计算的难度;层次模型一般以树形结构进行建模，这种方式能够更加直观地表达各个零部件之间的层级关系与连接关系，是目前使用较为广泛的一种建模方式。

2.2装配规划

风机的装配规划包含装配序列规划和装配路径规划两个部分。装配序列规划主要针对装配序列的生成环节，旨在探索可将各个零部件整合为风机成品且满足各项限制条件（物力限制、工艺限制、装配工具限制等）的装配顺序;而装配路径规划则是装配者完成建模和序列规划后，应用这些风机装配的数据信息，执行各种装配路径的分析，旨在得出最为科学合理的装配路径，为后续操作环节提供操作依据【2】。

2.3装配评估

通过在装配环节应用数字化技术，能够模拟整个风机装配流程，从而实现风机成品的质量评估，并测试各种不同的风机装配方案，但要实现上述各项操作，应当首先制定合理的风机装配评估标准。

在设置风机的装配质量评估标准时，综合考虑风机自身性能与企业的实际情况。主要包括：人员配合情况、风机装配花费时间、风机装配序列、人机工作效能、工作环境安全性、风机各项尺寸数据、过程数据、零部件处理方式等。通过在装配过程中参照评估标准，对风机装配流程进行评估得出评估结果，对于进行科学化、高效化风机装配具有积极的现实意义【3】。

2.4实时图形处理

通过在风机数字化装配过程中使用实时图形处理技术能够有效降低整个系统运行过程中的时间成本，大幅提升系统的工作效能。图形处理技术主要分为硬件与软件两种处理方式。硬件上的图形处理主要借助于高性能的图形工作站实现，通过使用图形工作站，能够大幅提升大体量、高精度图形的运算处理速度，从而实现风机数字化装配的實时性与高效性;软件上的图形处理主要借助实时图形绘制算法、快速的图形处理算法与分布式运算实现，使用该算法能够有效提升图形的处理速度与显示速度。目前常用的工艺仿真软件，如Process Simulation（以下简称为PS）和Process Designer（以下简称为PD）等，均采用这些算法，对于处理较为复杂的图形具有显著优势。

2.5干涉检验

干涉检验是实现风机数字化装配的有力保障，主要包括风机结构的干涉检验与装配规划方案的干涉检验，通过开展干涉检验能够有效验证风机的实际可装配性以及风机装配过程中各个零部件之间、装配工具与零部件之间是否存在碰撞等【4】。目前干涉检验一般基于碰撞检验算法与空间分割法，碰撞检验算法可在呈离散分布的各个时间节点中，实现对存在干涉可能的物体进行受力面、边缘以及整体的检验;空间分割法则可大幅降低需要检验的个体数量，而空间分割法主要包括k-d trees、Octrees、Sphere trees、BSP treesL等分割方法。

3风机数字化装配的创新工艺设计方案

本设计主要基于通过应用NX与PS软件，设计了一套能够在一定程度上实现人机交互功能的风机装配工艺仿真工作流程。在设计风机装配的工艺仿真工作流程时，可按照以下的设计流程开展工作，如图1与所示。

3.1 通过NX构建风机3D模型

搭建风机的3D模型是实现风机装配VR系统的先决条件，模型的精准度及各个零部件之间装配关系的准确性会直接影响到后续各个环节的装配质量与整体功能的实现。而Unigraphics NX软件作为世界上虚拟产品设计软件的集大成者，功能完善，通过NX软件搭建风机3D模型，能够直观地、精准地呈现出零部件尺寸大小、各零部件之间的关系等重要信息，从而减少模型搭建的工程量，降低模型搭建的难度【5】。

装配人员应当首先全面收集风机整体及各个零部件的相关数据信息，从而明确风机各个零部件的准确尺寸、装配关系、装配顺序等特征，然后在NX中输入这些数据信息，进行风机零部件模型的搭建。

在构建风机零部件的模型时，应当严格遵照以下3点基本要求。

（1）确保满足3D建模的基本质量要求，满足零部件模型的精准度、与实体零部件的一致性以及模型的可编辑性。

（2）开始构建3D模型时，应当先进行全局性的思考，深入剖析不同零部件的特性，从而制定科学合理的模型搭建顺序，选择行之有效的模型搭建方法。一般而言，模型的搭建顺序应当遵循以下原则：先建立模型搭建的环境，明确搭建工作会用到的各项坐标的位置，设定初始基准，并根据不同零部件的具体特点，让模型搭建的顺序与零部件的加工顺序相同。

（3）搭建模型时，应当反复核查各个零部件的实际尺寸是否准确、装配关系是否正确，避免出现过大误差，从而影响后续操作流程。

在完成各个零部件的3D模型搭建后，应当将各个零部件模型整合为一个完成的风机虚拟成品。通过虚拟的风机装配过程，可以进一步检测风机各个零部件的尺寸大小及装配关系是否存在问题。

3.2 通过PS中搭建风机工作场景

通过PS中搭建风机模拟工作场景，可以使得场景具有较高的真实性，并且能够为操作者提供完全自由的操作方式。具体操作步骤如下：载入风机模型→从PS中将载入场景→人员穿戴设备→工艺人员对场景分析、工具移动、细节检查及相关标记等各项操作。

可通过PS各个命令面板的应用及窗口操作库中资源，或者外部直接进行资源库数据导入。首先要创建合适的背景，背景的创建一定要使风机更加清晰明了，以便于更清楚明了地观察整个风机工作状况。例如风场吊装，可导入草坪JT模型作为背景，在PS中布局草坪背景。特别是在风机车间安装的环境中，可导入CAD制作的车间Layout图，然后根据布局图，利用建模模块进行车间厂房整体的搭建，导入相关的车间行车、举升车、叉车、工作平台、各种基础工具等，逐步完成设备资源的布局【6】。

针对车间行车、运输车等复杂运动的资源设备，利用PS中机器人模块，定义其为机器人，通过逆向运算，生成各工序步骤POSE，完成相对工艺过程的设备动作及物流操作。

3.3 架构工艺仿真整体过程

将产品轻量化JT模型整体导入PS中，输入前段工艺规划及工艺结构树，根据分配好的组件、工装工具、设备资源进行工艺仿真动作。通过干涉检验（静态干涉及动态路径干涉减压）、物流操作、组合操作、人因工程学定义等不同模块和一系列工作，完成相关工序的工艺仿真过程。通过应用PS软件，可实现各个零部件与装配信息的有效关联，并且当风机模型中的零部件进行修改后，可自动进行整体模型数据的更新。在进行风机的虚拟装配时，可根据实际需要，生成新的零部件或编辑、修改、删除现有的零部件，从而实现风机装配的灵活性与精确性。同时预装配过程后，根据各项仿真报告模板，输出工艺仿真整体报告。

在仿真序列过程中通过添加不同的视角，来进行仿真过程视频的输出。

3.4 VR场景展示及体验

完成风场模拟工作场景的搭建工作后，可通过PS执行交互式渲染，可在显卡性能较好的工作站中直接打开进行操作，操作者可实现人体动作进行虚拟设备的操作与零部件的拆卸等操作，实现人机交互的目的;除此之外，还可以通过穿戴VR动作捕捉设备，直接将人体动作通过算法导入PS中，补充建设人体动作库，从而进一步提升了交互性。另外，所有的PS装配过程都可导出形成生工作场景的动画视频，用于嵌入工艺文件做说明或相关培训【7】。

数字化风机装配是数字孪生最直接的应用场景，工艺是整个设计到制造的核心枢纽，后端可连接MES制造执行系统，前端连接研发设计输出，用模型指导生产，用数字化的生产过程完成正向及不断迭代数据流，在实际生产前完成工艺验证、产品验证，节约降低制造成本，对于企业快速研发产品是非常有益的。

参考文献

[1]敖国旭，李飞，周萍，等.产品数字化装配技术的研究[J].低碳世界， 2019， 9（4）：285-286.

[2]尤海潮.數字化装配技术概述[J].科技创新与应用， 2020（4）：167-168.

[3]舒送，张小辉，孙涛，等.基于Tecnomatix PS软件的熔覆机器人建模仿真与离线编程[J].机床与液压，2018，46（15）：109-113.

[4]沙丽娜，徐星洁.飞机数字化柔性装配关键技术及其发展解析[J].军民两用技术与产品，2016（12）：285.

[5]孙国栋，何其昌.螺钉机工艺智能化设计与仿真方法研究[J].系统仿真学报，2021，33（1）：62-73.

[6]穆尚琦，付莉.基于某型机大部件数字化对接技术的研究及应用[J].中国设备工程，2019，412（1）：101-102.

[7]赵仁兵，刘金科.基于Unigraphics NX二次开发功能的批量后置软件[J].机械制造，2020，58（11）：53-58.

3899500338261