王蘭，張志偉，張利賢，李亞輝，張茄新

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西寶雞 721002；2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司，陜西寶雞 721002）

0 引言

自動化鉆機管柱處理系統(tǒng)的設(shè)計研發(fā)周期長、成本高，樣機試驗發(fā)現(xiàn)的各類設(shè)計缺陷問題嚴重制約自動化鉆機的研制進程。為減少產(chǎn)品設(shè)計制造成本，加快產(chǎn)品研發(fā)進度，在智能制造理念的引領(lǐng)下，非常有必要合理選擇、應(yīng)用仿真三維動畫技術(shù)在虛擬空間對研發(fā)產(chǎn)品進行預(yù)試驗。

1 石油鉆機管柱自動化處理系統(tǒng)工作原理分析

鉆機管柱自動化處理系統(tǒng)是以自動化設(shè)備代替人工將鉆井用鉆桿、套管等鉆具由地面輸送至井口或鼠洞，完成鉆具連接、立根排放并實現(xiàn)起、下鉆工況下鉆具的自動化轉(zhuǎn)移處理等工作。主要有建立根、起鉆、下鉆、甩鉆等工況。以某型號自動化鉆機管柱系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)配套有液壓排管架、動力貓道、鉆臺機械手、防噴泥漿盒、緩沖機械手、鐵鉆工、氣動卡瓦、液壓吊卡、二層臺排管裝置等自動化工具，系統(tǒng)組成如圖1所示，各個單元設(shè)備相互配合，完成對鉆具的處理過程。

圖1 鉆機管柱自動化處理系統(tǒng)組成

以該系統(tǒng)建立根作業(yè)為例，其工藝流程為：液壓排管架將鉆桿滾動至動力貓道排管架；動力貓道排管架每次滾動一根鉆桿至動力貓道送鉆裝置；動力貓道送鉆裝置將鉆桿輸送至鉆臺面；液壓吊卡上提第一根鉆桿至井口，同時動力貓道輸送第二根鉆桿至鉆臺面；液壓吊卡上提第二根鉆桿至鼠洞，同時動力貓道輸送第三根鉆桿至鉆臺面；液壓吊卡上提第三根鉆桿至鼠洞上方，鐵鉆工完成第二、三根鉆桿的上扣；液壓吊卡上提第二、三根鉆桿至井口上方，鐵鉆工完成第一、二根鉆桿的上扣；液壓吊卡上提第一、二、三根鉆桿至二層臺上方，二層臺排管裝置將立根排放至二層臺。至此，完成一組建立根作業(yè)。

2 仿真三維動畫技術(shù)應(yīng)用分析

2.1 鉆機管柱自動化處理系統(tǒng)設(shè)備三維模型建立

如圖2所示，三維模型的建立是以二維設(shè)計圖樣為基準，將其導(dǎo)入三維建模軟件作為參照，進行三維模型創(chuàng)建。本案例的設(shè)備三維模型主要來自機械設(shè)計類軟件建立的單元設(shè)備三維模型，部分外圍設(shè)備模型采用三維動畫軟件進行創(chuàng)建。然后需將各單元設(shè)備三維模型以STEP、STL等中間格式輸出，在一個仿真軟件的虛擬空間內(nèi)按照二維圖樣總體設(shè)計方案完成三維布放。

圖2 三維模型的建立流程圖

完成系統(tǒng)三維布放之后，為真實模擬總體方案，完整呈現(xiàn)設(shè)計效果，按照系統(tǒng)油漆方案對設(shè)備的各組成部分添加材質(zhì)效果，同時進行簡單的燈光、場景設(shè)計。

運動機構(gòu)調(diào)整：本案例運動仿真的實現(xiàn)主要依靠動畫軟件的運動學(xué)動畫、骨骼動畫、參數(shù)動畫、約束動畫、關(guān)聯(lián)參數(shù)等功能[1]。首先調(diào)整運動部件的運動軸位置，創(chuàng)建必要的輔助對象，然后對關(guān)聯(lián)運動機構(gòu)進行鏈接和動作約束。

2.2 運動程序設(shè)計

首先對建立根運動流程進行分解，根據(jù)設(shè)計要求，分解動作流程，并為每套動作賦予時間要求，設(shè)計包含流程動作及各設(shè)備運動時間長度的流程表（如圖3），按運動時間的先后，在仿真三維動畫軟件中依次設(shè)定每一運動構(gòu)件的關(guān)鍵幀動畫。

圖3 運動流程圖

2.3 運動軌跡分析

在進行流程關(guān)鍵幀動畫設(shè)定的同時，反復(fù)推敲流程是否合理，必要時打開運動構(gòu)件的運動軌跡線，確認與方案設(shè)計的運動軌跡是否一致。對運動軌跡進行分析，在此基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化設(shè)計方案，讓運動流程更合理，將調(diào)整后的運動軌跡線輸出為二維線條供設(shè)計參考。最后將整段運動仿真以可視化視頻形式輸出，提供給設(shè)計者，進行設(shè)計方案再評審。

2.4 檢查

為了確保運動程序設(shè)計的完整性和準確性，在建立完整的運動軌跡后，需對設(shè)備相對運動位置進行檢查，在仿真運動的同時，查看作業(yè)時的設(shè)備間距，對距離較近的兩設(shè)備極端點進行實時間距查看，測量最小運動間距，確保設(shè)備之間有足夠的安全距離。

3 仿真三維動畫技術(shù)應(yīng)用關(guān)鍵問題及解決方案

仿真的目的是要達到提前預(yù)演設(shè)計，驗證設(shè)計。提前精確模擬真實產(chǎn)品，確保仿真結(jié)果準確，需要綜合分析設(shè)計方案和仿真軟件等多方面因素。在進行建立根作業(yè)仿真三維動畫工作時，會存在模型占用空間大，運動順序和時間卡點偏差，設(shè)備間動態(tài)測量不準確等問題，這些問題直接影響仿真三維動畫的顯示效果和應(yīng)用的準確性。針對以上3點問題，采用三維模型精細化處理、運動流程理論規(guī)劃、創(chuàng)建卷尺輔助對象等方法，獲得了較為精確的鉆機管柱自動化處理系統(tǒng)三維動畫。

3.1 模型的精細化處理

分析模型的重要性，對設(shè)備三維模型分類型建造，以機械設(shè)計軟件創(chuàng)建的三維模型，參數(shù)化建模，獲得的模型尺寸精確、細節(jié)豐富，可用于設(shè)計圖樣輸出、力學(xué)分析、運動仿真等。以三維動畫軟件創(chuàng)建的三維模型，考慮工作效率，所建三維模型相對設(shè)計方案來說較為簡化，可作設(shè)計參考、運動仿真分析、產(chǎn)品可視化。管柱自動化處理系統(tǒng)建立根仿真所需的設(shè)備數(shù)量多，運動機構(gòu)復(fù)雜，如果將設(shè)計建模直接合并，會造成文件占用系統(tǒng)空間大、軟件運行卡頓或報錯等情況，不利于仿真工作的開展。因此，在布放前，需將各設(shè)備進行簡化處理，在不影響仿真三維動畫制作的前提下，盡量多地去除無關(guān)仿真結(jié)構(gòu)，包括驅(qū)動構(gòu)件運動的內(nèi)部機構(gòu)。模型精細化處理（如圖4）解決了仿真文件占用空間大的問題。

圖4 模型精細化處理前后對比

3.2 運動流程理論規(guī)劃

一般三維動畫的制作是以運動先后順序進行關(guān)鍵幀動作設(shè)定，在一定時間內(nèi)完整演示運動流程。與一般三維動畫制作不同的是，仿真三維動畫設(shè)計要具備更高的準確性和真實性，所以仿真三維動畫的制作要以設(shè)計方案為依據(jù)，以設(shè)計的各運動構(gòu)件實際工作時間為參數(shù)，進行關(guān)鍵幀動作的設(shè)定。如果運動順序和時間卡點偏差較大，容易導(dǎo)致運動仿真分析結(jié)果失真，誤導(dǎo)設(shè)計。進行管柱自動化處理系統(tǒng)建立根三維動畫仿真之前，計算系統(tǒng)的所有運動部件理論行程并確定相應(yīng)運動時長，建立完整的運動流程關(guān)鍵幀動作表，按照運動流程表進行關(guān)鍵幀動作編寫（如表1），最后按編寫內(nèi)容逐一進行關(guān)鍵幀動畫設(shè)置。采用這種方式與方案設(shè)計同步，解決了運動時間點與理論不相符的問題。

表1 某運動部件運動關(guān)鍵幀動作編寫

3.3 設(shè)備間距動態(tài)測量

由于仿真三位動畫要真實虛擬設(shè)備運動時間和運動軌跡，為設(shè)計提供依據(jù)，在預(yù)覽動畫時，需檢查運動中的干涉問題，同時也要確保設(shè)備之間有足夠的安全距離，因此，對設(shè)備間距的測量必不可少。因為觀察者視角的不同，距離是有偏差的，所以常用的停在某一動畫幀測量設(shè)備間距的方法所得結(jié)果并不一定是正確的。因此，如何實現(xiàn)相互運動的設(shè)備之間動態(tài)距離的測量是需要解決的關(guān)鍵問題。在管柱自動化處理系統(tǒng)建立根仿真分析中，應(yīng)用三維動畫軟件創(chuàng)建卷尺輔助對象進行測量的方法可有效解決這個問題。具體操作為：打開捕捉開關(guān)，在兩設(shè)備的極端間距點處，將卷尺的兩端分別移動至兩點，并將卷尺兩端鏈接至相應(yīng)運動構(gòu)件上，完成設(shè)置后，通過滑動動畫幀時間線查看卷尺數(shù)據(jù)的變化，得出最小間距（如圖6）。這種間距動態(tài)測量法，解決了最小間距測量不準確的問題。

圖6 設(shè)備間距離測量

4 結(jié)論

石油鉆機管柱自動化處理系統(tǒng)適應(yīng)工況和工藝流程較為復(fù)雜，在研發(fā)過程中利用仿真三維動畫技術(shù)對鉆機管柱自動化處理系統(tǒng)進行了運動仿真和分析，以可視化形式對建立根過程進行直觀的模擬，對設(shè)計方案進行了驗證，對系統(tǒng)存在的缺陷反饋給設(shè)計者進行修改，減少了產(chǎn)品設(shè)計制造成本，加快了產(chǎn)品研發(fā)。

在仿真三維動畫制作過程中，需依據(jù)原始設(shè)計建立準確的三維模型，按照實際情況分解流程、設(shè)計程序，進行運動學(xué)分析。針對仿真三維動畫分析時出現(xiàn)的模型大、運動順序和時間卡點偏差大、設(shè)備運動距離測量不準確等問題，可通過模型簡化處理、運動流程理論規(guī)劃、采用創(chuàng)建卷尺輔助對象的方法加以解決。仿真三維動畫的實例應(yīng)用代表了企業(yè)在發(fā)展過程中對于仿真三維動畫的實際需求[2]。應(yīng)用仿真三維動畫技術(shù)的優(yōu)勢顯而易見，它不僅限于機械運動仿真，還有設(shè)備布局、安裝順序預(yù)驗證，以及攝像頭、燈光可視化仿真等，今后這類技術(shù)在機械產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用將會越來越廣。