玻璃熔窯小爐三維數(shù)字化建模

游 俊，吳瓊輝，張世港

(中國建材國際工程集團(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)計形式?jīng)Q定于燃料的燃燒方式。從當(dāng)前玻璃行業(yè)來看，燃燒方式的選擇取決于每個廠的操作習(xí)慣。近年來隨著冷修改造項目增多，出于對經(jīng)濟(jì)效益和社會效應(yīng)的更高要求，需要對當(dāng)前玻璃熔窯小爐結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計。小爐結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，對提高燃料效率、提高火焰對玻璃液的傳熱效率、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)計錯誤影響及損失很大。

小爐部位周圍空間狹小且配套鋼結(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)計過程中的錯漏碰缺多發(fā)區(qū)。

綜上原因，國內(nèi)在目前仍使用傳統(tǒng)二維cad繪圖軟件進(jìn)行設(shè)計的玻璃窯爐里，小爐一直是難度最大的部分，需耗費(fèi)大量的人力和時間成本。通過數(shù)字化來賦能智能制造，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，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軟件對小爐進(jìn)行三維建模，并在建模過程中外鏈Excel表格數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)字化控制。

1 小爐三維數(shù)字化建模思路

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

基于衍生、跨零件投影、對象復(fù)制等技術(shù)實現(xiàn)關(guān)聯(lián)性設(shè)計。關(guān)聯(lián)性是實現(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，固化設(shè)計流程中的參數(shù)尺寸。對小爐設(shè)計尺寸中的定量、自變量與因變量進(jìn)行分類，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)動模型生成，通過改變Excel表格數(shù)據(jù)，實現(xiàn)小爐模型實時更新并得到相應(yīng)施工圖。

2 小爐三維數(shù)字化建模實例

2.1 模型分解及建模順序

對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)造小爐模型過程中，觀察fx參數(shù)表，可以發(fā)現(xiàn)，雖然一個模型參數(shù)眾多，往往有上百列，但是其實有很多尺寸參數(shù)是重復(fù)使用的。另外決定一個模型變化的參數(shù)，其實占比很小。把這幾類尺寸單獨提取出來，在Excel表格中用自己專業(yè)內(nèi)約定俗成的名稱定義這些參數(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)名稱和表達(dá)式的值是一樣的，見圖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，見圖2。在建模過程中，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)名稱統(tǒng)一，通過鏈接Excel表格，將這些模型實現(xiàn)關(guān)聯(lián)性。當(dāng)然fx參數(shù)表里用戶參數(shù)也能在一定程度上實現(xiàn)類似的功能，在實踐后，選擇Excel表格作為小爐數(shù)字化建模的參數(shù)維護(hù)工具。因為Excel表格相比于Inventor軟件自帶的fx用戶參數(shù)有以下幾個優(yōu)勢：一是不同模型間調(diào)用同一個參數(shù)，外鏈同一個Excel表格是最方便快捷的；二是Excel強(qiáng)大的計算功能，某些不能直接獲取的參數(shù)，可以調(diào)用公式計算間接獲??；三是Excel具備更好的可視效果，可以對每個參數(shù)進(jìn)行注釋說明，必要時輔助圖片，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)不可超過一定數(shù)量。不然建模調(diào)用參數(shù)時會耗費(fèi)大量時間選擇參數(shù)，后期維護(hù)起來也變得繁瑣困難。因而還要利用Inventor軟件衍生、跨零件投影、對象復(fù)制等技術(shù)實現(xiàn)模型關(guān)聯(lián)性設(shè)計。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，圖3所示為小爐碹組合模型，通過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始就通過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衍生上一個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，無需打開模型，并對所有模型逐一進(jìn)行修改。僅需打開公司自建參數(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，則組裝模型后會自動調(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)建了適合公司專業(yè)的工程圖模板，實現(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)然圖面里和模型無關(guān)的加工及澆注等特殊符號以及剖面符號，也需與視圖之間建立相對關(guān)系。當(dāng)修改自建參數(shù)Excel表格后，模型會即時自動更新，與此同時工程圖將會隨著模型改變而改變。這將大大縮短成品圖的出圖時間，極大地提高工作效率。

3 結(jié) 語

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

相對于二維圖紙，三維模型具有多角度可視化的優(yōu)勢，校對審核更容易發(fā)現(xiàn)問題，從而保證窯爐成品圖的設(shè)計質(zhì)量，并為其他專業(yè)提供參考。

三維模型包含了每個部位詳盡信息，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)算報價，快速而且準(zhǔn)確。

窯爐設(shè)計過程中，設(shè)計人員一半以上的時間花費(fèi)在磚材和鋼構(gòu)件數(shù)量的統(tǒng)計和修改方面。利用Inventor模型bom表，可以實現(xiàn)數(shù)量統(tǒng)計的自動化，將設(shè)計人員從繁雜的統(tǒng)計工作解放出來，將更多精力放在窯爐結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性上面。

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，模型可動態(tài)調(diào)整，縮短出圖周期。