玻璃熔窑小炉三维数字化建模

游 俊，吴琼辉，张世港

(中国建材国际工程集团有限公司,上海 200063)

小炉是玻璃熔窑中重要的供热结构，其设计形式决定于燃料的燃烧方式。从当前玻璃行业来看，燃烧方式的选择取决于每个厂的操作习惯。近年来随着冷修改造项目增多，出于对经济效益和社会效应的更高要求，需要对当前玻璃熔窑小炉结构作进一步优化设计。小炉结构设计合理，对提高燃料效率、提高火焰对玻璃液的传热效率、节能降耗有重要意义[1]。

小炉通道内的流体介质为高温烟气或高温预热空气，温度高且侵蚀性强。小炉通常采用电熔锆刚玉质材料。因小炉构造复杂，电熔锆刚玉质材料现场加工难度大，而小炉安装一般在窑炉建设后期，一旦出现设计错误影响及损失很大。

小炉部位周围空间狭小且配套钢结构复杂，其间还穿杂喷枪设备、燃料管道及风管水管，属于设计过程中的错漏碰缺多发区。

综上原因，国内在目前仍使用传统二维cad绘图软件进行设计的玻璃窑炉里，小炉一直是难度最大的部分，需耗费大量的人力和时间成本。通过数字化来赋能智能制造，已成为众多企业的发展目标。而三维建模是数字化工厂的技术基础和支柱[2]。为了适应这一趋势，笔者在公司浮法玻璃熔窑三维化建模[3]的基础上，利用Autodesk Inventor软件对小炉进行三维建模，并在建模过程中外链Excel表格数据实现数字化控制。

1 小炉三维数字化建模思路

基于多实体的自上向下设计思路，整体模型创建完成后利用分割工具来分割模型。把模型分割成多个实体，并在多实体模型上创建细节特征。

基于衍生、跨零件投影、对象复制等技术实现关联性设计。关联性是实现参数化的基本技术和条件[4]。

依据现有小炉设计，固化设计流程中的参数尺寸。对小炉设计尺寸中的定量、自变量与因变量进行分类，设定装配约束，制定出一套快速的数字化三维建模流程。在小炉组装模型fx参数表中链接Excel单元，利用fx参数驱动模型生成，通过改变Excel表格数据，实现小炉模型实时更新并得到相应施工图。

2 小炉三维数字化建模实例

2.1 模型分解及建模顺序

对小炉按照安装部位分解为小炉碹、小炉侧墙、小炉铺底及小炉保温四大部分。依据模型的装配关系及关联性，建模先后顺序应为：首先完成小炉碹结构，其次通过衍生命令保留小炉碹的位置特征，完成小炉铺底结构。在一顶一底的框架中，通过自适应特性，最终完成小炉侧墙及小炉的保温结构。

2.2 构造小炉参数表

在构造小炉模型过程中，观察fx参数表，可以发现，虽然一个模型参数众多，往往有上百列，但是其实有很多尺寸参数是重复使用的。另外决定一个模型变化的参数，其实占比很小。把这几类尺寸单独提取出来，在Excel表格中用自己专业内约定俗成的名称定义这些参数，如图1所示。需要注意的是Excel表格中的数据列顺序与fx参数表中数据列的顺序不同，参数名称和表达式的值是一样的，见图2。

2.3 Excel表格与小炉模型的关联

在零件或部件模型建立前，先链接包含自定义参数的Excel表格，见图2。在建模过程中，将模型中具有关联性的参数表达式与自定义的Excel表格参数名称统一，通过链接Excel表格，将这些模型实现关联性。当然fx参数表里用户参数也能在一定程度上实现类似的功能，在实践后，选择Excel表格作为小炉数字化建模的参数维护工具。因为Excel表格相比于Inventor软件自带的fx用户参数有以下几个优势：一是不同模型间调用同一个参数，外链同一个Excel表格是最方便快捷的；二是Excel强大的计算功能，某些不能直接获取的参数，可以调用公式计算间接获取；三是Excel具备更好的可视效果，可以对每个参数进行注释说明，必要时辅助图片，这将帮助我们更快地定位需要修改的数据，这是Inventor软件自带功能目前无法快速做到的。

2.4 小炉模型之间的关联

虽然Excel表格数据管理能力强大，但是自定义参数不可超过一定数量。不然建模调用参数时会耗费大量时间选择参数，后期维护起来也变得繁琐困难。因而还要利用Inventor软件衍生、跨零件投影、对象复制等技术实现模型关联性设计。模型拆解以及建模顺序亦基于此关联性。

2.5 小炉三维建模

建模顺序是以小炉碹为起始点，图3所示为小炉碹组合模型，通过拆解建模先后顺序应为：首先完成小炉斜碹建模，其次建立出口平碹模型，然后是小炉直碹段建模，最后是小炉顶碹胀缝砖建模。所有小炉碹在建模开始就通过fx参数表链接自定义的参数Excel表格：小炉碹.xlsx，以建立模型间的参数关联性。另外后建立的模型通过衍生上一个模型草图或者工作集合图元，以保证模型之间的参数及装配关联性。

按照此方法，后面依次完成小炉底建模，小炉侧墙建模，最后是小炉保温建模。小炉组装模型如图4所示。

2.6 小炉三维模型参数化控制

在完成小炉建模后，需要调整小炉大小，比如修改小炉入口大小及出口大小时，无需打开模型，并对所有模型逐一进行修改。仅需打开公司自建参数Excel表格，定位到图1表格里入口碹跨以及出口碹跨参数，修改值并保存Excel表格后，则组装模型后会自动调整为公司需要大小。

2.7 生成二维工程图

在小炉建模完成后，基于目前工厂生产条件及现场安装习惯所限，目前依然需要出二维施工成品图。创建了适合公司专业的工程图模板，实现了工程图样式和二维CAD的一致性。得益于Inventor的工程图特性，在选择合理的视图投影后，可按照表达需求建立所需的全剖、半剖或者局部剖视图。当然图面里和模型无关的加工及浇注等特殊符号以及剖面符号，也需与视图之间建立相对关系。当修改自建参数Excel表格后，模型会即时自动更新，与此同时工程图将会随着模型改变而改变。这将大大缩短成品图的出图时间，极大地提高工作效率。

3 结 语

小炉三维数字化建模，一方面是为了满足数字化工厂新要求，另一方面还有以下几点优势：

相对于二维图纸，三维模型具有多角度可视化的优势，校对审核更容易发现问题，从而保证窑炉成品图的设计质量，并为其他专业提供参考。

三维模型包含了每个部位详尽信息，可以生成耐材、钢构件等各种清单表格。应用这些表格进行概预算报价，快速而且准确。

窑炉设计过程中，设计人员一半以上的时间花费在砖材和钢构件数量的统计和修改方面。利用Inventor模型bom表，可以实现数量统计的自动化，将设计人员从繁杂的统计工作解放出来，将更多精力放在窑炉结构设计合理性上面。

利用数字化三维建模的自适应特性，当模型局部参数改变时，模型可动态调整，缩短出图周期。