郭 亮，賈 濤，邱成國(guó)，田大肥，孫新濤，南福鄭

（1. 太重（天津）濱海重型機(jī)械有限公司技術(shù)中心，天津 300457；2. 煙臺(tái)中集來福士海洋工程有限公司，山東 煙臺(tái) 264000）

0 引 言

目前國(guó)內(nèi)海洋工程鉆井平臺(tái)的生產(chǎn)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)已完全實(shí)現(xiàn)三維建模、出圖，但其分段建造、預(yù)舾裝及平臺(tái)合攏等建造和裝配環(huán)節(jié)仍采用二維施工圖樣和工藝圖樣等文件指導(dǎo)生產(chǎn)，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)形成的三維可視化文件無法傳遞給工藝和生產(chǎn)部門。

海工鉆井平臺(tái)除了自身結(jié)構(gòu)以外，還包含鉆井系統(tǒng)、輪機(jī)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和舾裝系統(tǒng)等多個(gè)系統(tǒng)模塊，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)錯(cuò)綜復(fù)雜，生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，導(dǎo)致生產(chǎn)和工藝圖樣種類繁多、數(shù)量巨大。因此，生產(chǎn)部門管理和消化各類圖樣不僅需耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力，而且易出現(xiàn)漏裝、錯(cuò)裝和裝配順序顛倒等問題[1]。同時(shí)，在平臺(tái)各分段之間、各系統(tǒng)與平臺(tái)結(jié)構(gòu)之間、各系統(tǒng)之間建造裝配時(shí)經(jīng)常發(fā)生結(jié)構(gòu)干涉、系統(tǒng)干涉和無法裝配等生產(chǎn)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)階段沒有發(fā)生的問題，這些問題導(dǎo)致后續(xù)大量的現(xiàn)場(chǎng)修改作業(yè)，影響平臺(tái)的建造質(zhì)量、建造周期和建造成本。采用三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)已有的三維數(shù)據(jù)資料進(jìn)行有效的整合和驗(yàn)證，可有效解決上述問題。

三維可視化裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)已在汽車、航空等制造行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，顯著提升了企業(yè)的裝配工藝水平[1-2]。但是，在海工和船舶等領(lǐng)域，生產(chǎn)三維化水平還處于起步階段，還沒有成熟的解決方案。

對(duì)此，本文研究大型海工平臺(tái)三維可視化裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真的原理和實(shí)現(xiàn)方法，構(gòu)建三維裝配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過企業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和相關(guān)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)各功能模塊的有效連接和轉(zhuǎn)換，在三維裝配系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、三維裝配工藝設(shè)計(jì)、三維裝配工藝仿真和三維可視化裝配文件管理，最終提供一種海工平臺(tái)數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造方案[3]，使基于三維模型的海工平臺(tái)設(shè)計(jì)、工藝和建造等多個(gè)環(huán)節(jié)的信息能實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，從而有效提高海工平臺(tái)的建造質(zhì)量和建造效率。

1 三維裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 三維裝配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)海工企業(yè)從平臺(tái)設(shè)計(jì)到車間裝配、場(chǎng)地建造等主要工作的實(shí)施過程及裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)的特點(diǎn)，將海工平臺(tái)三維可視化裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)分成支撐層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用功能層和發(fā)布層等4個(gè)層面（見圖1）[4]。

圖1 大型海工平臺(tái)三維可視化裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1) 支撐層：由操作系統(tǒng)、分布式網(wǎng)絡(luò)和各類網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議組成整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)及運(yùn)行環(huán)境，提供軟件的運(yùn)行平臺(tái)和實(shí)現(xiàn)各部門信息的共享。

2) 數(shù)據(jù)層：主要有在設(shè)計(jì)與仿真過程中形成的各種文檔、三維模型和人員管理數(shù)據(jù)等，各類型數(shù)據(jù)之間有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。

3) 應(yīng)用功能層：系統(tǒng)的主體部分，由三維裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)、三維裝配工藝仿真系統(tǒng)和三維可視化裝配文件管理系統(tǒng)組成。

4) 發(fā)布層：用戶和系統(tǒng)的交互接口，用戶可根據(jù)不同的權(quán)限瀏覽相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

1.2 三維裝配系統(tǒng)數(shù)據(jù)類型

大型海工平臺(tái)三維可視化裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)類型主要有人員數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)等3種（見表1）。

表1 大型海工平臺(tái)三維可視化裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分類

1.3 可視化裝配數(shù)據(jù)管理

三維可視化裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)采用域管理形式的總線型結(jié)構(gòu)[5]，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 大型海工平臺(tái)三維可視化裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

各設(shè)計(jì)部門（如船體設(shè)計(jì)部門、舾裝設(shè)計(jì)部門和工藝設(shè)計(jì)部門等）將繪制完成的二維圖樣、文檔、三維模型和裝配視頻等發(fā)送給文件服務(wù)器。文件服務(wù)器自動(dòng)保存各設(shè)計(jì)部門發(fā)送的文件之后對(duì)其進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)處理，每個(gè)設(shè)計(jì)部門都可提取其他設(shè)計(jì)部門設(shè)計(jì)的二維圖樣、文檔、三維模型和裝配視頻等，進(jìn)行關(guān)聯(lián)工作。

三維可視化服務(wù)器與文件服務(wù)器具有關(guān)聯(lián)性，經(jīng)過文件服務(wù)器保存、處理的數(shù)據(jù)傳送到三維可視化服務(wù)器內(nèi)；三維可視化服務(wù)器接收到執(zhí)行端的反饋之后對(duì)原文件進(jìn)行修改，修改之后的文件傳送到文件服務(wù)器內(nèi)保存。

人員管理認(rèn)證系統(tǒng)的管理人員確定項(xiàng)目人員的權(quán)限，包括查看各部門發(fā)送到服務(wù)器的三維模型、裝配視頻和工藝文件等系統(tǒng)中的各類信息，以及對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)反饋的信息進(jìn)行識(shí)別、處理。

層次性不強(qiáng)的數(shù)據(jù)（如初始三維設(shè)計(jì)模型、裝配動(dòng)畫和部分沒有關(guān)聯(lián)性的二維圖樣等）保存在數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中，通過數(shù)據(jù)訪問接口訪問；層次性很強(qiáng)的具有樹狀結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采用XML形式保存，并由框架管理和訪問。不同服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)集成具有透明性和平臺(tái)獨(dú)立性。

按結(jié)構(gòu)化、可視化的設(shè)計(jì)原則對(duì)三維設(shè)計(jì)模型和工藝文件等設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)樹關(guān)聯(lián)重構(gòu)、裝配路徑設(shè)計(jì)和裝配工藝仿真，形成的相關(guān)文件作為指導(dǎo)生產(chǎn)的唯一裝配工藝資料。設(shè)計(jì)平臺(tái)與仿真平臺(tái)之間的信息可交互關(guān)聯(lián)，建立模型、工藝文件、工裝和仿真動(dòng)畫文件等關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)工藝數(shù)據(jù)的查詢和匯總[6]。利用不同三維設(shè)計(jì)平臺(tái)得到的三維模型均應(yīng)包含詳細(xì)的幾何信息和加工焊接信息，經(jīng)過模型輕量化處理之后轉(zhuǎn)化為可供裝配工藝設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證使用的基礎(chǔ)資料。

2 三維裝配工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)海工平臺(tái)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、分段劃分和制造方案等制訂出詳細(xì)的裝配流程和裝配方案，完成三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)，完整流程見圖3。

圖3 大型海工平臺(tái)三維可視化裝配工藝設(shè)計(jì)流程

2.1 三維協(xié)同設(shè)計(jì)

各設(shè)計(jì)部門按協(xié)同設(shè)計(jì)原則進(jìn)行平臺(tái)設(shè)計(jì)，并將設(shè)計(jì)好的二維圖樣、文檔和三維模型等資料上傳給產(chǎn)品服務(wù)器，各部門都可在數(shù)據(jù)庫(kù)中查閱這些資料。圖4為協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)文件管理系統(tǒng)。

圖4 協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)文件管理系統(tǒng)

2.2 初始工藝設(shè)計(jì)

完成初始工藝劃分，包括各部件和組件的分配。

工藝分離面的劃分：在三維裝配環(huán)境下，按已有的生產(chǎn)工藝文件和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的車間、場(chǎng)地布置及吊裝能力等劃分平臺(tái)分段、總段等工藝分離面，制訂平臺(tái)的裝配方案；同時(shí)，確定各分段需裝配的組立、部件、零件和舾裝件等，構(gòu)建三維裝配工藝設(shè)計(jì)的零件、部件、組立和舾裝件模型結(jié)構(gòu)。

仿真驗(yàn)證：根據(jù)工藝分離面的劃分結(jié)果進(jìn)行整船工藝仿真，驗(yàn)證工藝分離面劃分是否合理，并根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化裝配方案，避免碰撞干涉和施工困難等情況出現(xiàn)。圖5為采用DELMIA軟件完成的海洋鉆井平臺(tái)和工程船的初始裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證。

圖5 海洋鉆井平臺(tái)和工程船的初始裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證

2.3 詳細(xì)工藝設(shè)計(jì)

在平臺(tái)分段和總段劃分的基礎(chǔ)上進(jìn)行詳細(xì)的三維可視化裝配工藝設(shè)計(jì)，確定該工藝過程中零件、部件、組立和舾裝件等部件的裝配順序、裝配路徑及裝配要求[7]。

裝配指令編制：根據(jù)優(yōu)化之后的詳細(xì)工藝設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行各裝配工序三維可視化視圖設(shè)計(jì)，通過三維視圖表示各裝配工序所要表達(dá)的裝配工藝信息并形成裝配指令文件保存在系統(tǒng)中（見圖6）。

圖6 裝配工序三維可視化設(shè)計(jì)及裝配指令文件

仿真驗(yàn)證：在仿真環(huán)境中提取工序、工步和裝配件等信息，細(xì)化船體和舾裝裝配順序，對(duì)裝配過程進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真與分析[7]，明確平臺(tái)散裝件和分離面位置零件設(shè)備的裝配方式與裝配路徑。根據(jù)人機(jī)工程學(xué)原理分析裝配過程中人員的工作環(huán)境是否科學(xué)、作業(yè)空間是否足夠、工具和工裝的使用是否合理。

三維工藝信息標(biāo)注：將裝配過程中比較重要且易忽略的工藝信息（如零件尺寸、位置信息和制作工藝要求等）標(biāo)注在經(jīng)過三維仿真驗(yàn)證的仿真動(dòng)畫中，形成具有指導(dǎo)意義的裝配工藝作業(yè)視頻文件，使施工人員能更直觀地掌握整個(gè)裝配過程和裝配要點(diǎn)。圖7為分段詳細(xì)裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真及工藝信息標(biāo)注。

圖7 分段詳細(xì)裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真及工藝信息標(biāo)注

2.4 現(xiàn)場(chǎng)可視化

將裝配作業(yè)指導(dǎo)文件和仿真驗(yàn)證文件等工藝設(shè)計(jì)文件傳遞到企業(yè)三維可視化系統(tǒng)中，施工人員可通過現(xiàn)場(chǎng)可視化終端直觀地查看平臺(tái)的裝配工藝流程、裝配指令及相關(guān)的三維仿真等裝配信息。

現(xiàn)場(chǎng)可視化文件輸出和管理：利用裝配仿真視頻指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)裝配作業(yè)，將完成的部件、組件工藝規(guī)劃和設(shè)計(jì)內(nèi)容提取到模板中，包括內(nèi)容頁(yè)、輔材配套表、標(biāo)準(zhǔn)件配套表和零件配套表等文檔信息，同時(shí)輸出部件和組件的仿真視頻。

現(xiàn)場(chǎng)可視化應(yīng)用：操作人員可直接查看三維裝配指令及相關(guān)的三維仿真，獲取產(chǎn)品的裝配零件及詳細(xì)工作內(nèi)容，最終完成裝配工作。圖8為平臺(tái)裝配仿真視頻界面。

圖8 平臺(tái)裝配仿真視頻界面

3 三維裝配工藝仿真設(shè)計(jì)

3.1 裝配工藝仿真流程

平臺(tái)裝配工藝設(shè)計(jì)完成之后，調(diào)用三維裝配工藝設(shè)計(jì)工序中的輕量化模型到工藝仿真系統(tǒng)中進(jìn)行工藝驗(yàn)證，判斷裝配過程是否存在碰撞干涉和施工困難情況，計(jì)算優(yōu)化裝配順序和裝配路徑，完成裝配關(guān)系評(píng)價(jià)和裝配效率評(píng)估。將驗(yàn)證之后的三維仿真動(dòng)畫等數(shù)據(jù)保留在三維可視化系統(tǒng)中，并以數(shù)據(jù)集的形式在裝配工藝節(jié)點(diǎn)上對(duì)其進(jìn)行保存管理，形成鏈接文件[6]。

3.2 裝配工藝仿真過程

裝配過程仿真：分析平臺(tái)分段零部件與工裝、設(shè)備之間是否存在碰撞干涉，裝配路徑是否可行，裝配順序是否合理，裝配操作空間是否足夠等。

裝配樹管理：根據(jù)裝配仿真結(jié)果優(yōu)化裝配樹，按整船/區(qū)域/專業(yè)/系統(tǒng)和整船/總段/分段/小分段/部件等規(guī)則完成裝配樹的重構(gòu)。

工藝布局仿真：按設(shè)計(jì)好的裝配工藝流程對(duì)產(chǎn)品、流程和操作者進(jìn)行融為一體的三維動(dòng)態(tài)仿真，驗(yàn)證車間和工作場(chǎng)地是否符合工藝布局要求。

警告信息要求：若零件的裝配工序有錯(cuò)誤，通過干涉功能發(fā)出警告。警告由各零件顏色的變化來表示或通過在界面上彈出對(duì)話框來實(shí)現(xiàn)。

人機(jī)工程仿真：在虛擬環(huán)境中分析校驗(yàn)操作人員在裝配過程中的各種姿態(tài)和視野，對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，驗(yàn)證其工作環(huán)境是否滿足可操作性和安全性等要求。

4 三維可視化裝配文件管理

三維可視化裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)最終形成的數(shù)據(jù)一般有圖樣和文檔（如組立圖、分段劃分圖、焊材明細(xì)表、合攏順序、吊運(yùn)方案、加工制作圖、零件表、設(shè)備資料、原理圖、安裝圖、布置圖和托盤表等)、三維模型、虛擬裝配順序及仿真信息。每類文檔數(shù)據(jù)都設(shè)有各自的屬性和特征，具有唯一的類別標(biāo)識(shí)號(hào)。系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)全面的信息檢索，如分類樹檢索、關(guān)鍵字檢索和智能關(guān)聯(lián)檢索等。

系統(tǒng)中的三維模型是從設(shè)計(jì)階段轉(zhuǎn)化而來的三維文件格式，經(jīng)輕量化之后可供客戶端瀏覽查看。三維模型的內(nèi)容頁(yè)列出該文檔的所有關(guān)聯(lián)內(nèi)容，包括詳細(xì)信息、屬性、關(guān)聯(lián)條目和文件版本。模型保留所有精確的幾何信息，可在客戶端通過瀏覽器直接查看；瀏覽器界面提供模型的操作工具，主要有旋轉(zhuǎn)、飛行、標(biāo)注、隔離、尺寸測(cè)量、隱藏和透明化等，方便人員操作。

已發(fā)布的分段組立圖、零件明細(xì)表、焊材明細(xì)表、加工制作圖、舾裝件安裝圖、托盤表和設(shè)備資料等設(shè)計(jì)和工藝資料傳遞到可視化系統(tǒng)之后，轉(zhuǎn)化為可直接在瀏覽器上查看的文件格式（如PDF、SVG等）。

虛擬裝配包括分段的三維裝配順序規(guī)劃、裝配路徑規(guī)劃、動(dòng)態(tài)干涉檢查和交互裝配動(dòng)畫。在設(shè)計(jì)海工平臺(tái)時(shí)，一般用組立結(jié)構(gòu)表達(dá)平臺(tái)零部件之間的層次關(guān)系，組立樹為樹狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，能表達(dá)平臺(tái)從小組立、中組立、大組立和總組到整船的數(shù)據(jù)。每個(gè)樹節(jié)點(diǎn)都有對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的名稱、位姿關(guān)系等基本屬性，以及裝配基面、建造方法等工藝信息[8]。虛擬裝配界面具有模型組合、虛擬裝配播放器、可視化報(bào)表和三維材質(zhì)等選項(xiàng)。圖9為某平臺(tái)三維可視化裝配終端顯示界面。

圖9 某平臺(tái)三維可視化裝配終端顯示界面

5 結(jié) 語

本文研究了三維可視化裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)在大型海工平臺(tái)建造上的實(shí)現(xiàn)方法，從組織架構(gòu)、信息輸入、信息處理和信息發(fā)布等方面對(duì)整個(gè)系統(tǒng)提出了具體的要求。為實(shí)現(xiàn)大型海工平臺(tái)建造裝配工藝從三維設(shè)計(jì)輸入、三維工藝編制和三維裝配仿真到現(xiàn)場(chǎng)終端使用的三維可視化裝配工藝設(shè)計(jì)和工藝仿真提出了理論指導(dǎo)。