三维可视化技术在电力一次设备上的工程应用

黄莹瑛，陈成玉，陈春来，陈 亮，陈亮宏

(常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏 常州 213000)

在科技发展日新月异的当今时代，电力装备制造行业正以前所未有的速度迅猛发展并深刻改变着人们的生活。在传统电力装备制造中，产品工艺过程主要依靠二维装配工序卡进行传递，文件不够立体直观，生产指导、培训及参观展示等方面的效果较为局限[1]。

三维可视化技术的问世和推广进一步革新了制造理念，对于企业提高生产自动化水平和实现降本增效具有重要意义[2]。三维可视化技术能够将三维模型与文字、影音等不同维度的信息加以整合，建立更加直观的工艺过程；高效的装配模拟仿真和干涉检查等也能为产品的研发设计保驾护航；同时，灵活多样的文件输出格式也能很好地适应各种工况场景。因此，三维可视化技术将成为电力一次装备制造工艺革新的重要手段[3]。

经调研，目前国内应用较为广泛的三维可视化软件主要在传统机械行业有较成熟的应用，而在智能电力设备制造方面鲜有实践。本文重点分析三维工艺设计在电力一次装备制造过程中的应用实践。

1 三维工艺设计

1.1 设计准备

利用三维可视化软件进行三维工艺设计是一种综合性的工艺技术手段，需要将产品三维模型、二维装配规程等资源系统有机整合起来，三维工艺编制准备工作主要从统筹工艺梳理和建模两方面开展[4]。

工艺技术人员应熟知产品总装的全过程及各环节工艺要点、所需产线设备、工装工具等细节。尤其需要明确的是辅料及组件装配等并行工序和主线的协调，它直接关系到模型整合和工艺设计。一般来说，在三维工艺编制前具备已评审的二维工艺规程是必要的，它将作为整个三维工艺设计的蓝本。

基于三维建模软件创建的prt、asm及stp等多种格式产品三维模型是三维工艺设计的主要对象。鉴于软件开发逻辑对模型在线装配的限制及零部件分步骤配置的需求，技术人员应提前对三维模型进行梳理整合。三维模型准备如图1所示。

图1 三维模型准备

产品模型首先要求准确完整，产品结构件和紧固件及线束、产线及工作台乃至安装所需的设备工具，都应按照实际位置进行补充建模并保证约束关系清晰。零部件对象在三维演示过程中需要体现物料名称代码等信息，方便操作人员识别安装。因此，在建模或模型整合时应结合产品BOM将零件的名称代码等参数写入；同时，对三维模型进行适当渲染也可以提升展示效果。最关键的一点是，按照工艺规程中的工序排布要求将模型结构树进行优化，根据其在三维工艺中的动作性质来确定零部件以组件或零件的形式介入模型[5]。例如：某组件先完成组装后再整体进行安装，则该组件应该以子装配的形式创建父项，零部件作为其子级项目排列，而非所有的零部件均在上级目录中排列。

上述模型准备工作应在三维环境下完成后输出asm或stp格式的装配体。创建并整合完的三维模型应借助三维转换工具进行格式转换以保证模型在工艺规程编制过程中的稳定可靠，避免出现约束关系错乱、部件特征加载失败等问题。三维模型转换如图2所示。

图2 三维模型转换

1.2 三维工艺编制及应用

基于三维可视化软件的电力一次装备三维工艺设计主要包括模型的梳理准备、装配结构引入、工艺流程创建、物料识别分配、轨迹动作定义、技术图解编制、仿真效果调整及工程文件输出等环节。三维工艺编制流程如图3所示。

图3 三维工艺编制流程

装配结构引入即是将转换后的三维模型导入软件工程界面，本文不再赘述。

工艺流程创建和物料识别分配2个环节相辅相成，需要协调进行。先按照二维工艺规程依次创建各个装配步骤，然后根据安装内容在步骤中添加零部件，提前写入的零部件名称代码等参数可以帮助我们快速识别各类物料并完成分配。应当注意的是，部分子装配过程以组件还是并列零件形式导入需要具体灵活地分析。例如：在辅料准备中，组件中的各零件应以最小层级导入，而在上层的总装步骤中该组件则应整体导入。工艺流程构建的重难点在于结合投料特点完成主线与副线的梳理穿插，前后工序的关联，保证每个工序工步模型准确且方便定义动作。对于复杂产品，其三维工艺流程往往需要优化调整数次才能实现最佳效果。某产品子单元三维工艺流程构建及物料识别分配示意图如图4所示。

轨迹定义本质是基于拆解动作的逆向仿真，通过轨迹性质及参数调整实现，包括产品结构件活动、工艺装备引入及系统工具标准活动等，其以最大程度还原装配过程为目的。

对于某一步骤，按照产品拆解的顺序在工艺过程结构树中依次定义每个工步的活动，例如工件的拼装、螺钉的旋拧及胶脂的涂覆等。先通过“活动”功能区粗略构建工件的运动形式，然后对时间、位移、转角等细节参数进行设定，使其尽可能地符合操作实际。复杂产品涉及的零部件种类多、数量大，不可能对每个零组件定义轨迹，可以借助“闪烁”功能对重复安装的物料进行示意说明。此外，通过切换观察视角及定义局部放大等功能可以使画面富于变化，更加立体直观地展现整个安装过程，提升可读性和指导性。某组件组装三维工艺示意图(轨迹定义)如图5所示。

技术图解是对模型实体空间运动的补充说明。在工艺过程工作界面下，可以给步骤和工步插入标签或文本，对工件的名称、物料代码等识别信息及安装方位和紧固要求等进行说明。此外，还可以插入基准面标识、控制尺寸、三维文本及平面图形等不同形式的注解或插入演示视频、实物图等素材，来全面详实地体现产品装配的过程细节，帮助操作者更好地把握工艺要点，保证装配质量。

对于每一工序和下属工步或部分工段，其活动轨迹及技术图解定义结束后，通过装配仿真功能进行预览，为调整优化提供依据。根据仿真情况，可以对模型渲染、整体架构、观察视角、字体样式、节奏速度等关键点来进行针对性的修改和完善，从而保证最佳的展示观感。

常用的三维可视化技术软件可以提供PDF文档、AVI视频、EXCEL文档和程序包以及apc轻量化文件等多种形式的文件输出选择，可适应不同工况、不同人群的使用需求。在车间装配指导过程中更多使用apc格式的轻量化文件，可以将装配过程、物料明细、工艺要求等信息应有尽有地传递出来，代替传统的二维工艺规程；要强调的是，apc轻量化文件专用的游览器(见图6)还开发了模型旋转缩放等交互式查看功能，帮助使用者更加全方位地了解产品的空间结构。诸如参观展示和用户培训等场合则一般输出AVI视频进行演示，也可以结合需求进行调速、配音和字幕等剪辑处理以适应不同需求[6]。

图6 apc轻量化文件专用游览器

2 三维工艺应用实效

基于各种三维工艺软件，适应多种工况需求，可以编制输出apc轻量化文件用以指导车间总装和培训，输出AVI视频文件以进行参观展示、客户培训和售后检修等。三维工艺设计成果示例如图7～图10所示。

图7 某产品装配工艺仿真

图8 某产品关键工序培训

图9 某产品检修动画

图10 某产品参观展示视频

三维工艺应用能够有效整合设计、工艺、生产、售后等各个干系环节，经对某公司电力一次装备制造过程中三维工艺应用阶段各环节的关键指标进行跟踪统计，形成某公司三维工艺应用前后生产过程关键效率对比(见图11)。

图11 某公司三维工艺应用前后生产过程关键效率对比

分析图11可知，实施推广三维工艺对产品设计制造的全周期各环节均有比较明显的改善和推动作用。一方面，设计建模等前端环节的规范性、准确性将显著提升，同时工艺员对产品的认识也不断得到深化；另一方面，三维工艺文件结合产品模型进行演示的人机交互功能可以使操作人员更快更好地掌握相关技巧与要求；此外，三维工艺形式可以更好地适应各种工况条件，助力无纸化车间建设，提升企业智能化水平[7-8]。

同时也应认识到，现有三维工艺技术仍存在一些不足，例如：软件系统工具种类偏少、接线动作不便模拟、部分操作不够智能等。因此，企业应该在深入分析问题的基础上联合软件厂商进行开发优化，提高软件逻辑与企业业务流程适配度，立足实战，在人员技能提升、保障机制建立等方面探究，切实用好三维工艺技术，使其真正成为电力装备制造业的发展动力。

3 结语

三维工艺技术在培训效率和效果提升、数字化和智能化车间构建等方面展现出巨大技术优势，对电力装备制造产业发展具有积极意义[9]。尽管目前在三维工艺技术的应用实践还存在一定欠缺和制约。但是可以预见，三维工艺技术将凭借集成性、交互性、直观性等特点，可在电力一次装备的研发设计、结构总装及检修维保等环节提供强大技术支撑，将成为引领制造业深刻变革[10]的重要基石。