三維CAD軟件在煙草加工線布局設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

劉光明，王利軍，孫仕榮，王鵬祥

（1.昆明船舶設(shè)備集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650051；2.云南冶金 昆明重工有限公司，云南 昆明 650203）

1 煙草加工工藝總體設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

煙草加工線主要包括制絲生產(chǎn)線和打葉復(fù)烤生產(chǎn)線。目前，煙草加工線的工藝總體設(shè)計(jì)主要使用二維平面設(shè)計(jì)手段，其不足之處是總體的平面、立面（剖面）、單機(jī)三視圖及剖視圖數(shù)據(jù)的一致性很難保證，設(shè)計(jì)過(guò)程中難免存在修改，且修改時(shí)相關(guān)的各視圖中存在遺漏的可能較大，致使審圖的工作量大；其次，參數(shù)很難提取以作為單機(jī)設(shè)計(jì)的輸入，設(shè)計(jì)效率不高，有時(shí)難以滿足用戶快速響應(yīng)的需求。

煙草加工線是由若干單機(jī)設(shè)備順序連接而成，其中包括煙草工藝處理的主機(jī)設(shè)備、聯(lián)接主機(jī)的輔聯(lián)設(shè)備及檢測(cè)設(shè)備等。主機(jī)的種類(lèi)和系列較多，但是每一個(gè)系列的產(chǎn)品尺寸規(guī)格為離散的幾個(gè)，主機(jī)設(shè)備的外形結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜；輔聯(lián)設(shè)備種類(lèi)少，但尺寸變化較多，主要包括帶式輸送機(jī)、振動(dòng)輸送機(jī)、鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)和輥式輸送機(jī)等。由于各煙廠的物料狀況、工藝要求及場(chǎng)地結(jié)構(gòu)等的差異，使各條生產(chǎn)線主機(jī)的種類(lèi)、數(shù)量及布置方位都不盡相同，接口也難以標(biāo)準(zhǔn)化，以致輔聯(lián)設(shè)備的尺寸規(guī)格難以窮舉；尤其改造項(xiàng)目中，尺寸常精確到1mm，而不作圓整，因此有必要實(shí)施參數(shù)化。鑒于二維平面設(shè)計(jì)的不足和煙草加工線的特點(diǎn)，在此提出采用三維方法來(lái)進(jìn)行工廠布局設(shè)計(jì)。

2 工廠設(shè)計(jì)對(duì)三維CAD軟件的基本要求

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，設(shè)計(jì)軟件等工具也日新月異，三維設(shè)計(jì)作為一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段，在工程項(xiàng)目中得到了廣泛運(yùn)用。尤其在機(jī)械行業(yè)中，其在單機(jī)設(shè)備、數(shù)字化零部件的設(shè)計(jì)應(yīng)用更為廣泛，而三維工廠設(shè)計(jì)對(duì)軟件的要求與單機(jī)及零部件設(shè)計(jì)有較大的不同，單機(jī)要求細(xì)節(jié)準(zhǔn)確，而工廠設(shè)計(jì)更注重接口及極限尺寸、設(shè)備外觀、性能參數(shù)等。三維工廠設(shè)計(jì)包括工程設(shè)計(jì)、效果渲染、工藝處理運(yùn)動(dòng)仿真、漫游動(dòng)畫(huà)展示等。工廠設(shè)計(jì)涉及的模型種類(lèi)復(fù)雜，包括生產(chǎn)線的單機(jī)設(shè)備、土建、通用工程、空調(diào)系統(tǒng)等。目前三維軟件應(yīng)用于工廠設(shè)計(jì)的主要有AVEVA公司的PDMS，BENTLEY公司的PSDS，歐特克公司的PLANT 3D和鷹圖公司的 PDS、Smart plant 3D、CADWorx等。這些軟件在以管線設(shè)計(jì)為重點(diǎn)的石化、水泥、制氧等行業(yè)的工廠設(shè)計(jì)中運(yùn)用已經(jīng)比較成熟［1-3］，在冶金、電力、汽車(chē)制造等行業(yè)的工廠設(shè)計(jì)中得到快速發(fā)展［4］，在其他行業(yè)的效果圖設(shè)計(jì)方面也已經(jīng)大量使用，而在工程設(shè)計(jì)方面還稍顯欠缺，主要的矛盾在于：三維工程設(shè)計(jì)軟件對(duì)硬件的要求較高，參數(shù)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)并不方便，各部門(mén)或者各公司使用的三維軟件不盡相同，在轉(zhuǎn)換成通用格式時(shí)，數(shù)據(jù)冗余量大，處理速度也較慢。

三維軟件的設(shè)計(jì)模型分為3種：三維線框、三維表面及三維實(shí)體［5］。三維線框模型可以提供外形的大致估計(jì)，使各視圖的一致性得到保證。三維表面模型可以提供隱藏、著色和渲染計(jì)算。三維實(shí)體模型可以提供實(shí)體的物理特性，包括體積、干涉量、重心。三維線框模型由于不具有表面，因此無(wú)法生成適用的二維工程圖。三維表面和三維實(shí)體模型都可以實(shí)現(xiàn)工廠的表達(dá)。由于煙草工廠所涉及的設(shè)備數(shù)目多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，三維設(shè)計(jì)的普及速度也就相當(dāng)慢。隨著三維軟件的進(jìn)一步升級(jí)優(yōu)化，硬件的逐漸發(fā)展，兩者互相匹配的能力越來(lái)越高，三維設(shè)計(jì)的使用也會(huì)越來(lái)越廣泛。三維工廠設(shè)計(jì)對(duì)軟件的主要要求如下：①對(duì)于在三維總體布置中有聯(lián)接關(guān)系的單機(jī)設(shè)備，能輸出俯視圖及立面投影圖；②能實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)更新，即在某個(gè)布局里更換某臺(tái)設(shè)備，能在其余的視圖里實(shí)現(xiàn)同步更新（一般是三維里修改，在平立面圖打開(kāi)時(shí)提示并提供更新）；③能實(shí)現(xiàn)設(shè)備的參數(shù)化設(shè)計(jì)；④能提取單機(jī)設(shè)備的參數(shù)及屬性，生成總體明細(xì)表及單機(jī)特性參數(shù)表；⑤能與PDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)）共享數(shù)據(jù)，并能用PDM數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型參數(shù)；⑥計(jì)算機(jī)處理千臺(tái)量級(jí)的設(shè)備單機(jī)模型和各種管道閥門(mén)等工廠附件及通用工程的模型，速度要能接受。

以爬坡的某型振動(dòng)輸送機(jī)（見(jiàn)圖1）的參數(shù)化設(shè)計(jì)為例，其尺寸參數(shù)主要包括：槽寬、槽幫高、進(jìn)料口高、出料口高、水平投影總長(zhǎng)、出口與前支腿的距離、收口長(zhǎng)、收口寬、擴(kuò)口長(zhǎng)、擴(kuò)口寬等；結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括：斜出口向左／右，電機(jī)／操作面板置于左／右側(cè)，是否出料端收口、進(jìn)料端擴(kuò)口，是否帶排水盒、氣動(dòng)門(mén)、均料結(jié)構(gòu)等。其尺寸參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)均需要實(shí)現(xiàn)一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

圖1 振動(dòng)輸送機(jī)外形圖

尺寸參數(shù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系按強(qiáng)弱可以分為：始終等式關(guān)聯(lián)、不等式判斷決定是否關(guān)聯(lián)、初始值定義關(guān)聯(lián)等。這些關(guān)聯(lián)可以使模型具有更強(qiáng)的適用性和方便性。結(jié)構(gòu)參數(shù)需要CAD程序支持邏輯控制，該控件是三維CAD顯示／隱藏功能的進(jìn)一步強(qiáng)化，該功能可以減少設(shè)備庫(kù)中模型個(gè)數(shù)，進(jìn)一步增強(qiáng)模型的適應(yīng)性。

3 三維CAD與PDM的集成分析

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)涉及更多的協(xié)同工作，產(chǎn)品數(shù)據(jù)的管理和傳遞需要PDM的支持。面向三維CAD的PDM與面向二維的PDM不同點(diǎn)主要在于其設(shè)計(jì)方法不同，造成設(shè)計(jì)過(guò)程管理的不同和設(shè)計(jì)過(guò)程的復(fù)雜性不同（三維包含豐富的幾何信息、特征信息和工藝信息）［6］，三維的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)具有多點(diǎn)相互關(guān)聯(lián)的功能，因此要求PDM應(yīng)有更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理功能。

PDM與CAD三種直接集成方式如下：①PDM與CAD封裝集成；②PDM與CAD接口的集成；③PDM與CAD的緊密集成［7］。第一種集成方式是在PDM中調(diào)用CAD程序，并不管理文件內(nèi)部的數(shù)據(jù)，只能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的單向傳遞，數(shù)據(jù)的提取和對(duì)比不方便。第二種是利用API編制中間接口程序，實(shí)現(xiàn)PDM和CAD數(shù)據(jù)共享，較為容易，但是大量使用三維通用格式，使運(yùn)行速度減慢。第三種是底層開(kāi)發(fā)以達(dá)到兩個(gè)系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)、應(yīng)用數(shù)據(jù)等所有類(lèi)型數(shù)據(jù)的雙向交換和共享，要求PDM和CAD的開(kāi)發(fā)者向?qū)Ψ焦荚创a。

煙草機(jī)械并非通用設(shè)備，與其他行業(yè)的交叉甚少，各家設(shè)備生產(chǎn)商提供的結(jié)構(gòu)和尺寸無(wú)法統(tǒng)一，軟件提供商也很難為企業(yè)提供完備的設(shè)備模型，因此需要設(shè)計(jì)單位建立設(shè)備庫(kù)，這就要求建模方法要相對(duì)簡(jiǎn)單，且需支持外部導(dǎo)入。

4 三維軟件在工廠設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

目前一些優(yōu)秀的工廠設(shè)計(jì)軟件已經(jīng)能夠提供導(dǎo)入導(dǎo)出數(shù)據(jù)的雙向傳遞接口。比如Autodesk公司的Factory Design Suite（簡(jiǎn)稱 FDS），該軟件通過(guò) XML文件導(dǎo)出三維設(shè)計(jì)信息的所有標(biāo)注尺寸的參數(shù)表，并接受導(dǎo)入符合一定規(guī)則的XML外部數(shù)據(jù)表，由此對(duì)PDM系統(tǒng)作簡(jiǎn)單的開(kāi)發(fā)就能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。在PDM中存有符合FDS的單機(jī)或工廠的XML文件，因此只需修改PDM就可以生成相應(yīng)的XML文件數(shù)據(jù)，當(dāng)該文件數(shù)據(jù)變化時(shí)，打開(kāi)單機(jī)或工廠文件，即提示數(shù)據(jù)已更改，詢問(wèn)是否更新。同理在模型文件中當(dāng)需修改尺寸參數(shù)或者設(shè)備種類(lèi)、數(shù)量時(shí)，即可提示并提供數(shù)據(jù)更新操作。該軟件可與Invent無(wú)縫對(duì)接，其外部數(shù)據(jù)也可通過(guò)通用格式導(dǎo)入。PDM調(diào)用CAD主程序和模型文件，讀取單機(jī)屬性和參數(shù)信息，并不解構(gòu)三維模型，此種方式屬于接口集成的衍生。但是該軟件為三維實(shí)體軟件，由外部導(dǎo)入其他三維軟件生成的模型時(shí)，記錄了過(guò)多的三維零部件等信息，致使數(shù)據(jù)冗余量較大，處理速度較慢，導(dǎo)入的模型要經(jīng)過(guò)裝配關(guān)系和零厚度檢查等，報(bào)錯(cuò)的幾率較高。

AutoCAD Mechanical三維模式是一種三維表面模型設(shè)計(jì)軟件，該模型容量大，運(yùn)行速度較快，對(duì)由外部導(dǎo)入的三維模型的通用格式容差率高。缺點(diǎn)是該軟件是非專(zhuān)業(yè)化流程工廠設(shè)計(jì)軟件，暫不支持干涉檢查，無(wú)連接點(diǎn)定義，用戶參數(shù)化界面很難實(shí)現(xiàn)，與外部數(shù)據(jù)的接口缺乏，與PDM兼容的接口不完備。而在煙草工藝總體的設(shè)計(jì)中，設(shè)備間的包容關(guān)系和層次并不復(fù)雜，定義設(shè)備與連接點(diǎn)的關(guān)系后，是否干涉在剖視圖上較容易看出來(lái)。如果能干涉檢查，則可以高亮顯示干涉區(qū)域（不要求計(jì)算干涉區(qū)域的體積等）；若無(wú)干涉檢查，也不會(huì)存在嚴(yán)重問(wèn)題。

西門(mén)子的Factory CAD是基于AutoCAD開(kāi)發(fā)的三維表面模型工廠設(shè)計(jì)軟件。該軟件是為汽車(chē)制造廠開(kāi)發(fā)，因此汽車(chē)行業(yè)的設(shè)備庫(kù)較為完善，其參數(shù)化接口也較為完備，對(duì)系統(tǒng)自帶庫(kù)中的模型調(diào)用和參數(shù)修改的速度也可以接受，能夠與西門(mén)子公司的PDM緊密集成。但是該軟件對(duì)其他三維軟件生成的模型兼容性較差，軟件本身的建模能力較弱，因此不適用于煙草行業(yè)的總體設(shè)計(jì)。

3種常用軟件用于工廠設(shè)計(jì)時(shí)的情況對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 3種工廠設(shè)計(jì)軟件對(duì)比

煙草工藝總體設(shè)計(jì)對(duì)工廠軟件的需求越來(lái)越迫切，與此同時(shí)，設(shè)備的用戶也日益注重?cái)?shù)字化工廠的建設(shè)，逐漸要求供貨商提供設(shè)備的三維模型。PDM可以為供貨商提供設(shè)備設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的全生命周期管理，并可以為用戶提供設(shè)備使用和維護(hù)全生命周期管理的大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

本文分析了目前煙草工藝總體設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和三維工廠設(shè)計(jì)軟件的不足，提出適用煙草加工工藝總體設(shè)計(jì)軟件的重點(diǎn)，即方便地導(dǎo)入三維模型和結(jié)構(gòu)參數(shù)化是軟件在煙草生產(chǎn)線布局設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，三維實(shí)體軟件在導(dǎo)入外部三維模型時(shí)需要減少存儲(chǔ)空間、提高處理速度，三維表面軟件可以省略較多的數(shù)據(jù)，也是工廠設(shè)計(jì)軟件的發(fā)展方向。

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