游 俊，吳瓊輝，張世港

(中國(guó)建材國(guó)際工程集團(tuán)有限公司,上海 200063)

小爐是玻璃熔窯中重要的供熱結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)形式?jīng)Q定于燃料的燃燒方式。從當(dāng)前玻璃行業(yè)來(lái)看，燃燒方式的選擇取決于每個(gè)廠的操作習(xí)慣。近年來(lái)隨著冷修改造項(xiàng)目增多，出于對(duì)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效應(yīng)的更高要求，需要對(duì)當(dāng)前玻璃熔窯小爐結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。小爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，對(duì)提高燃料效率、提高火焰對(duì)玻璃液的傳熱效率、節(jié)能降耗有重要意義[1]。

小爐通道內(nèi)的流體介質(zhì)為高溫?zé)煔饣蚋邷仡A(yù)熱空氣，溫度高且侵蝕性強(qiáng)。小爐通常采用電熔鋯剛玉質(zhì)材料。因小爐構(gòu)造復(fù)雜，電熔鋯剛玉質(zhì)材料現(xiàn)場(chǎng)加工難度大，而小爐安裝一般在窯爐建設(shè)后期，一旦出現(xiàn)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤影響及損失很大。

小爐部位周?chē)臻g狹小且配套鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其間還穿雜噴槍設(shè)備、燃料管道及風(fēng)管水管，屬于設(shè)計(jì)過(guò)程中的錯(cuò)漏碰缺多發(fā)區(qū)。

綜上原因，國(guó)內(nèi)在目前仍使用傳統(tǒng)二維cad繪圖軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)的玻璃窯爐里，小爐一直是難度最大的部分，需耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間成本。通過(guò)數(shù)字化來(lái)賦能智能制造，已成為眾多企業(yè)的發(fā)展目標(biāo)。而三維建模是數(shù)字化工廠的技術(shù)基礎(chǔ)和支柱[2]。為了適應(yīng)這一趨勢(shì)，筆者在公司浮法玻璃熔窯三維化建模[3]的基礎(chǔ)上，利用Autodesk Inventor軟件對(duì)小爐進(jìn)行三維建模，并在建模過(guò)程中外鏈Excel表格數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制。

1 小爐三維數(shù)字化建模思路

基于多實(shí)體的自上向下設(shè)計(jì)思路，整體模型創(chuàng)建完成后利用分割工具來(lái)分割模型。把模型分割成多個(gè)實(shí)體，并在多實(shí)體模型上創(chuàng)建細(xì)節(jié)特征。

基于衍生、跨零件投影、對(duì)象復(fù)制等技術(shù)實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)性設(shè)計(jì)。關(guān)聯(lián)性是實(shí)現(xiàn)參數(shù)化的基本技術(shù)和條件[4]。

依據(jù)現(xiàn)有小爐設(shè)計(jì)，固化設(shè)計(jì)流程中的參數(shù)尺寸。對(duì)小爐設(shè)計(jì)尺寸中的定量、自變量與因變量進(jìn)行分類(lèi)，設(shè)定裝配約束，制定出一套快速的數(shù)字化三維建模流程。在小爐組裝模型fx參數(shù)表中鏈接Excel單元，利用fx參數(shù)驅(qū)動(dòng)模型生成，通過(guò)改變Excel表格數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)小爐模型實(shí)時(shí)更新并得到相應(yīng)施工圖。

2 小爐三維數(shù)字化建模實(shí)例

2.1 模型分解及建模順序

對(duì)小爐按照安裝部位分解為小爐碹、小爐側(cè)墻、小爐鋪底及小爐保溫四大部分。依據(jù)模型的裝配關(guān)系及關(guān)聯(lián)性，建模先后順序應(yīng)為：首先完成小爐碹結(jié)構(gòu)，其次通過(guò)衍生命令保留小爐碹的位置特征，完成小爐鋪底結(jié)構(gòu)。在一頂一底的框架中，通過(guò)自適應(yīng)特性，最終完成小爐側(cè)墻及小爐的保溫結(jié)構(gòu)。

2.2 構(gòu)造小爐參數(shù)表

在構(gòu)造小爐模型過(guò)程中，觀察fx參數(shù)表，可以發(fā)現(xiàn)，雖然一個(gè)模型參數(shù)眾多，往往有上百列，但是其實(shí)有很多尺寸參數(shù)是重復(fù)使用的。另外決定一個(gè)模型變化的參數(shù)，其實(shí)占比很小。把這幾類(lèi)尺寸單獨(dú)提取出來(lái)，在Excel表格中用自己專(zhuān)業(yè)內(nèi)約定俗成的名稱(chēng)定義這些參數(shù)，如圖1所示。需要注意的是Excel表格中的數(shù)據(jù)列順序與fx參數(shù)表中數(shù)據(jù)列的順序不同，參數(shù)名稱(chēng)和表達(dá)式的值是一樣的，見(jiàn)圖2。

2.3 Excel表格與小爐模型的關(guān)聯(lián)

在零件或部件模型建立前，先鏈接包含自定義參數(shù)的Excel表格，見(jiàn)圖2。在建模過(guò)程中，將模型中具有關(guān)聯(lián)性的參數(shù)表達(dá)式與自定義的Excel表格參數(shù)名稱(chēng)統(tǒng)一，通過(guò)鏈接Excel表格，將這些模型實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)性。當(dāng)然fx參數(shù)表里用戶(hù)參數(shù)也能在一定程度上實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的功能，在實(shí)踐后，選擇Excel表格作為小爐數(shù)字化建模的參數(shù)維護(hù)工具。因?yàn)镋xcel表格相比于Inventor軟件自帶的fx用戶(hù)參數(shù)有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：一是不同模型間調(diào)用同一個(gè)參數(shù)，外鏈同一個(gè)Excel表格是最方便快捷的；二是Excel強(qiáng)大的計(jì)算功能，某些不能直接獲取的參數(shù)，可以調(diào)用公式計(jì)算間接獲取；三是Excel具備更好的可視效果，可以對(duì)每個(gè)參數(shù)進(jìn)行注釋說(shuō)明，必要時(shí)輔助圖片，這將幫助我們更快地定位需要修改的數(shù)據(jù)，這是Inventor軟件自帶功能目前無(wú)法快速做到的。

2.4 小爐模型之間的關(guān)聯(lián)

雖然Excel表格數(shù)據(jù)管理能力強(qiáng)大，但是自定義參數(shù)不可超過(guò)一定數(shù)量。不然建模調(diào)用參數(shù)時(shí)會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間選擇參數(shù)，后期維護(hù)起來(lái)也變得繁瑣困難。因而還要利用Inventor軟件衍生、跨零件投影、對(duì)象復(fù)制等技術(shù)實(shí)現(xiàn)模型關(guān)聯(lián)性設(shè)計(jì)。模型拆解以及建模順序亦基于此關(guān)聯(lián)性。

2.5 小爐三維建模

建模順序是以小爐碹為起始點(diǎn)，圖3所示為小爐碹組合模型，通過(guò)拆解建模先后順序應(yīng)為：首先完成小爐斜碹建模，其次建立出口平碹模型，然后是小爐直碹段建模，最后是小爐頂碹脹縫磚建模。所有小爐碹在建模開(kāi)始就通過(guò)fx參數(shù)表鏈接自定義的參數(shù)Excel表格：小爐碹.xlsx，以建立模型間的參數(shù)關(guān)聯(lián)性。另外后建立的模型通過(guò)衍生上一個(gè)模型草圖或者工作集合圖元，以保證模型之間的參數(shù)及裝配關(guān)聯(lián)性。

按照此方法，后面依次完成小爐底建模，小爐側(cè)墻建模，最后是小爐保溫建模。小爐組裝模型如圖4所示。

2.6 小爐三維模型參數(shù)化控制

在完成小爐建模后，需要調(diào)整小爐大小，比如修改小爐入口大小及出口大小時(shí)，無(wú)需打開(kāi)模型，并對(duì)所有模型逐一進(jìn)行修改。僅需打開(kāi)公司自建參數(shù)Excel表格，定位到圖1表格里入口碹跨以及出口碹跨參數(shù)，修改值并保存Excel表格后，則組裝模型后會(huì)自動(dòng)調(diào)整為公司需要大小。

2.7 生成二維工程圖

在小爐建模完成后，基于目前工廠生產(chǎn)條件及現(xiàn)場(chǎng)安裝習(xí)慣所限，目前依然需要出二維施工成品圖。創(chuàng)建了適合公司專(zhuān)業(yè)的工程圖模板，實(shí)現(xiàn)了工程圖樣式和二維CAD的一致性。得益于Inventor的工程圖特性，在選擇合理的視圖投影后，可按照表達(dá)需求建立所需的全剖、半剖或者局部剖視圖。當(dāng)然圖面里和模型無(wú)關(guān)的加工及澆注等特殊符號(hào)以及剖面符號(hào)，也需與視圖之間建立相對(duì)關(guān)系。當(dāng)修改自建參數(shù)Excel表格后，模型會(huì)即時(shí)自動(dòng)更新，與此同時(shí)工程圖將會(huì)隨著模型改變而改變。這將大大縮短成品圖的出圖時(shí)間，極大地提高工作效率。

3 結(jié) 語(yǔ)

小爐三維數(shù)字化建模，一方面是為了滿(mǎn)足數(shù)字化工廠新要求，另一方面還有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

相對(duì)于二維圖紙，三維模型具有多角度可視化的優(yōu)勢(shì)，校對(duì)審核更容易發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，從而保證窯爐成品圖的設(shè)計(jì)質(zhì)量，并為其他專(zhuān)業(yè)提供參考。

三維模型包含了每個(gè)部位詳盡信息，可以生成耐材、鋼構(gòu)件等各種清單表格。應(yīng)用這些表格進(jìn)行概預(yù)算報(bào)價(jià)，快速而且準(zhǔn)確。

窯爐設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員一半以上的時(shí)間花費(fèi)在磚材和鋼構(gòu)件數(shù)量的統(tǒng)計(jì)和修改方面。利用Inventor模型bom表，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)的自動(dòng)化，將設(shè)計(jì)人員從繁雜的統(tǒng)計(jì)工作解放出來(lái)，將更多精力放在窯爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性上面。

利用數(shù)字化三維建模的自適應(yīng)特性，當(dāng)模型局部參數(shù)改變時(shí)，模型可動(dòng)態(tài)調(diào)整，縮短出圖周期。