三维CAD软件在烟草加工线布局设计中的应用

时间：2024-08-31

刘光明，王利军，孙仕荣，王鹏祥

（1.昆明船舶设备集团有限公司，云南昆明 650051；2.云南冶金昆明重工有限公司，云南昆明 650203）

1 烟草加工工艺总体设计的特点

烟草加工线主要包括制丝生产线和打叶复烤生产线。目前，烟草加工线的工艺总体设计主要使用二维平面设计手段，其不足之处是总体的平面、立面（剖面）、单机三视图及剖视图数据的一致性很难保证，设计过程中难免存在修改，且修改时相关的各视图中存在遗漏的可能较大，致使审图的工作量大；其次，参数很难提取以作为单机设计的输入，设计效率不高，有时难以满足用户快速响应的需求。

烟草加工线是由若干单机设备顺序连接而成，其中包括烟草工艺处理的主机设备、联接主机的辅联设备及检测设备等。主机的种类和系列较多，但是每一个系列的产品尺寸规格为离散的几个，主机设备的外形结构相对复杂；辅联设备种类少，但尺寸变化较多，主要包括带式输送机、振动输送机、链式输送机和辊式输送机等。由于各烟厂的物料状况、工艺要求及场地结构等的差异，使各条生产线主机的种类、数量及布置方位都不尽相同，接口也难以标准化，以致辅联设备的尺寸规格难以穷举；尤其改造项目中，尺寸常精确到1mm，而不作圆整，因此有必要实施参数化。鉴于二维平面设计的不足和烟草加工线的特点，在此提出采用三维方法来进行工厂布局设计。

2 工厂设计对三维CAD软件的基本要求

随着计算机技术的迅猛发展，设计软件等工具也日新月异，三维设计作为一种先进的设计手段，在工程项目中得到了广泛运用。尤其在机械行业中，其在单机设备、数字化零部件的设计应用更为广泛，而三维工厂设计对软件的要求与单机及零部件设计有较大的不同，单机要求细节准确，而工厂设计更注重接口及极限尺寸、设备外观、性能参数等。三维工厂设计包括工程设计、效果渲染、工艺处理运动仿真、漫游动画展示等。工厂设计涉及的模型种类复杂，包括生产线的单机设备、土建、通用工程、空调系统等。目前三维软件应用于工厂设计的主要有AVEVA公司的PDMS，BENTLEY公司的PSDS，欧特克公司的PLANT 3D和鹰图公司的 PDS、Smart plant 3D、CADWorx等。这些软件在以管线设计为重点的石化、水泥、制氧等行业的工厂设计中运用已经比较成熟［1-3］，在冶金、电力、汽车制造等行业的工厂设计中得到快速发展［4］，在其他行业的效果图设计方面也已经大量使用，而在工程设计方面还稍显欠缺，主要的矛盾在于：三维工程设计软件对硬件的要求较高，参数化设计实现并不方便，各部门或者各公司使用的三维软件不尽相同，在转换成通用格式时，数据冗余量大，处理速度也较慢。

三维软件的设计模型分为3种：三维线框、三维表面及三维实体［5］。三维线框模型可以提供外形的大致估计，使各视图的一致性得到保证。三维表面模型可以提供隐藏、着色和渲染计算。三维实体模型可以提供实体的物理特性，包括体积、干涉量、重心。三维线框模型由于不具有表面，因此无法生成适用的二维工程图。三维表面和三维实体模型都可以实现工厂的表达。由于烟草工厂所涉及的设备数目多、结构复杂，三维设计的普及速度也就相当慢。随着三维软件的进一步升级优化，硬件的逐渐发展，两者互相匹配的能力越来越高，三维设计的使用也会越来越广泛。三维工厂设计对软件的主要要求如下：①对于在三维总体布置中有联接关系的单机设备，能输出俯视图及立面投影图；②能实现联动更新，即在某个布局里更换某台设备，能在其余的视图里实现同步更新（一般是三维里修改，在平立面图打开时提示并提供更新）；③能实现设备的参数化设计；④能提取单机设备的参数及属性，生成总体明细表及单机特性参数表；⑤能与PDM（产品数据管理系统）共享数据，并能用PDM数据驱动模型参数；⑥计算机处理千台量级的设备单机模型和各种管道阀门等工厂附件及通用工程的模型，速度要能接受。

以爬坡的某型振动输送机（见图1）的参数化设计为例，其尺寸参数主要包括：槽宽、槽帮高、进料口高、出料口高、水平投影总长、出口与前支腿的距离、收口长、收口宽、扩口长、扩口宽等；结构参数主要包括：斜出口向左／右，电机／操作面板置于左／右侧，是否出料端收口、进料端扩口，是否带排水盒、气动门、均料结构等。其尺寸参数和结构参数均需要实现一定的关联关系。

图1 振动输送机外形图

尺寸参数的关联关系按强弱可以分为：始终等式关联、不等式判断决定是否关联、初始值定义关联等。这些关联可以使模型具有更强的适用性和方便性。结构参数需要CAD程序支持逻辑控制，该控件是三维CAD显示／隐藏功能的进一步强化，该功能可以减少设备库中模型个数，进一步增强模型的适应性。

3 三维CAD与PDM的集成分析

设计团队涉及更多的协同工作，产品数据的管理和传递需要PDM的支持。面向三维CAD的PDM与面向二维的PDM不同点主要在于其设计方法不同，造成设计过程管理的不同和设计过程的复杂性不同（三维包含丰富的几何信息、特征信息和工艺信息）［6］，三维的设计数据具有多点相互关联的功能，因此要求PDM应有更强大的数据管理功能。

PDM与CAD三种直接集成方式如下：①PDM与CAD封装集成；②PDM与CAD接口的集成；③PDM与CAD的紧密集成［7］。第一种集成方式是在PDM中调用CAD程序，并不管理文件内部的数据，只能实现数据的单向传递，数据的提取和对比不方便。第二种是利用API编制中间接口程序，实现PDM和CAD数据共享，较为容易，但是大量使用三维通用格式，使运行速度减慢。第三种是底层开发以达到两个系统对产品数据、应用数据等所有类型数据的双向交换和共享，要求PDM和CAD的开发者向对方公布源代码。

烟草机械并非通用设备，与其他行业的交叉甚少，各家设备生产商提供的结构和尺寸无法统一，软件提供商也很难为企业提供完备的设备模型，因此需要设计单位建立设备库，这就要求建模方法要相对简单，且需支持外部导入。

4 三维软件在工厂设计中的应用

目前一些优秀的工厂设计软件已经能够提供导入导出数据的双向传递接口。比如Autodesk公司的Factory Design Suite（简称 FDS），该软件通过 XML文件导出三维设计信息的所有标注尺寸的参数表，并接受导入符合一定规则的XML外部数据表，由此对PDM系统作简单的开发就能够实现数据的共享。在PDM中存有符合FDS的单机或工厂的XML文件，因此只需修改PDM就可以生成相应的XML文件数据，当该文件数据变化时，打开单机或工厂文件，即提示数据已更改，询问是否更新。同理在模型文件中当需修改尺寸参数或者设备种类、数量时，即可提示并提供数据更新操作。该软件可与Invent无缝对接，其外部数据也可通过通用格式导入。PDM调用CAD主程序和模型文件，读取单机属性和参数信息，并不解构三维模型，此种方式属于接口集成的衍生。但是该软件为三维实体软件，由外部导入其他三维软件生成的模型时，记录了过多的三维零部件等信息，致使数据冗余量较大，处理速度较慢，导入的模型要经过装配关系和零厚度检查等，报错的几率较高。

AutoCAD Mechanical三维模式是一种三维表面模型设计软件，该模型容量大，运行速度较快，对由外部导入的三维模型的通用格式容差率高。缺点是该软件是非专业化流程工厂设计软件，暂不支持干涉检查，无连接点定义，用户参数化界面很难实现，与外部数据的接口缺乏，与PDM兼容的接口不完备。而在烟草工艺总体的设计中，设备间的包容关系和层次并不复杂，定义设备与连接点的关系后，是否干涉在剖视图上较容易看出来。如果能干涉检查，则可以高亮显示干涉区域（不要求计算干涉区域的体积等）；若无干涉检查，也不会存在严重问题。

西门子的Factory CAD是基于AutoCAD开发的三维表面模型工厂设计软件。该软件是为汽车制造厂开发，因此汽车行业的设备库较为完善，其参数化接口也较为完备，对系统自带库中的模型调用和参数修改的速度也可以接受，能够与西门子公司的PDM紧密集成。但是该软件对其他三维软件生成的模型兼容性较差，软件本身的建模能力较弱，因此不适用于烟草行业的总体设计。

3种常用软件用于工厂设计时的情况对比见表1。

表1 3种工厂设计软件对比

烟草工艺总体设计对工厂软件的需求越来越迫切，与此同时，设备的用户也日益注重数字化工厂的建设，逐渐要求供货商提供设备的三维模型。PDM可以为供货商提供设备设计和生产的全生命周期管理，并可以为用户提供设备使用和维护全生命周期管理的大量基础数据。