胡 曦,費(fèi) 辰

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

圖紙繪制是整個(gè)玻璃熔窯窯爐的設(shè)計(jì)工作中最重要的環(huán)節(jié)。為了適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需求，筆者公司對(duì)圖紙繪制的設(shè)計(jì)質(zhì)量、方案優(yōu)化等提出了更高的要求。正是在這樣行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的大背景下，傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)顯得越來(lái)越力不從心。因此，三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)的引進(jìn)對(duì)筆者公司保持國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，參與國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，具有極其重要的意義[1]。

傳統(tǒng)的圖紙繪制通常采用CAD等二維繪圖軟件進(jìn)行。但由于窯爐中包含大量的細(xì)部結(jié)構(gòu)，而二維繪圖往往難以對(duì)這些部分進(jìn)行直觀的體現(xiàn)，使得設(shè)計(jì)方出現(xiàn)誤差或施工方難以理解的情況時(shí)有發(fā)生，特別是像小爐斜碹等復(fù)雜結(jié)構(gòu)。而三維繪圖則可以克服這一問(wèn)題。通過(guò)三維建模使設(shè)計(jì)方案更加直觀易懂，便于設(shè)計(jì)方和施工方更好的理解方案。同時(shí)又能將三維模型轉(zhuǎn)換成二維設(shè)計(jì)圖紙，以適應(yīng)實(shí)際的施工作業(yè)[2]。

然而，玻璃熔窯窯爐作為一種特殊的工業(yè)建筑體，其具有主體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、局部結(jié)構(gòu)較多的特點(diǎn)。當(dāng)前市面上雖然有許多三維設(shè)計(jì)軟件，但卻沒(méi)有一款完全針對(duì)玻璃熔窯窯爐設(shè)計(jì)的軟件，在實(shí)際操作時(shí)難免顧此失彼、遺漏細(xì)節(jié)。并且三維繪圖與二維繪圖的操作情境完全不同，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方也難以將二維設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)直接套用到三維繪圖中。

針對(duì)這一現(xiàn)狀，筆者公司選用了和CAD一樣同為Autodesk公司的Inventor作為玻璃熔窯窯爐的設(shè)計(jì)工具。該文將介紹用Inventor設(shè)計(jì)大型浮法玻璃熔窯的方法。

1 用Inventor繪制窯爐的思路

傳統(tǒng)的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)采用部分到整體的設(shè)計(jì)模式，即自下而上設(shè)計(jì)，就是將工業(yè)產(chǎn)品的每個(gè)零件進(jìn)行單獨(dú)的設(shè)計(jì)，然后在裝配環(huán)境中進(jìn)行裝配，這種方式的設(shè)計(jì)思路在窯爐上的使用具有比較大的局限性。因?yàn)楦G爐在設(shè)計(jì)時(shí)往往都是先要確定總圖，才進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)化設(shè)計(jì)，所以我們采取宏觀上自上而下，微觀上自下而上的復(fù)合設(shè)計(jì)思路。

為了確保三維設(shè)計(jì)圖的完整性，設(shè)計(jì)思路的大致流程如下：1)在零件圖中通過(guò)草圖和各項(xiàng)操作得到窯爐整體的框架模型；2)將框架零件圖轉(zhuǎn)化為部件圖，并得到各部位的局部框架曲面零件；3)對(duì)截取出的局部框架曲面進(jìn)行細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)填充，得到各局部的具體模型；4)將具備所有細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的各局部具體模型放回主體框架模型的對(duì)應(yīng)位置，得到完整的模型。其中1)、2)是自上而下的設(shè)計(jì)思路，而3)、4)是自下而上的設(shè)計(jì)思路，兩者結(jié)合可以極大地提高設(shè)計(jì)的效率。

2 玻璃熔窯窯爐的三維繪制實(shí)例

以國(guó)外某700 t/d 大型浮法玻璃熔窯窯爐為例，針對(duì)池底大磚和熔化部二層結(jié)構(gòu)的繪制步驟進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

2.1 建立主體外框架模型

首先，新建一個(gè)零件，并確定池底平面為XY平面，前端池壁外側(cè)為YZ平面，窯爐中心平面為XZ平面。根據(jù)窯爐的總圖結(jié)構(gòu)及尺寸在零件視圖中繪制各類草圖，并通過(guò)拉伸、旋轉(zhuǎn)、放樣等基本操作得到窯爐的大致框架模型，見(jiàn)圖1。

2.2 分解成局部框架

整體模型創(chuàng)建完成后可以利用分割等工具來(lái)分割模型，把模型分割成多個(gè)實(shí)體，分割之前先要?jiǎng)?chuàng)建分割面。要保證模型能夠正常分割，就必須保證創(chuàng)建的分割面的投影包含或者大于分割面所在位置的實(shí)體的截面投影，分割面的邊界必須在實(shí)體的表面的外面或者跟實(shí)體面成一條相交線。盡量使用相對(duì)簡(jiǎn)單的分割面，這樣分割后的模型也比較簡(jiǎn)單，后續(xù)容易操作。本例中創(chuàng)建的若干分割面，一共分12個(gè)實(shí)體，分別為：池底、池壁、熔化部二層、冷卻部二層、蓄熱室、爐條、小爐、熔化部后山墻、冷卻部前山墻、冷卻部后山墻、室內(nèi)煙道、支煙道。

通過(guò)自上而下創(chuàng)建完多實(shí)體模型后，就可以在菜單欄中選擇管理→布局→生成零件命令，來(lái)創(chuàng)建單個(gè)零件，參見(jiàn)圖2所示對(duì)話框，在對(duì)話框左側(cè)的列表中展開實(shí)體節(jié)點(diǎn)，選擇需要生成零件的實(shí)體。在右側(cè)的“零件名稱”文本框中輸入新的零件名稱，并選中左上角的“實(shí)體作為工作曲面”選項(xiàng)。選擇“在目標(biāo)部件中放置零件”復(fù)選框，則單擊“應(yīng)用”或者“確定”按鈕后會(huì)生成新的部件文件并且被激活，生成的新零件會(huì)與部件的坐標(biāo)系重合地放入部件中。通過(guò)這一步操作可以看出，所有的實(shí)體都是從一個(gè)主模型上分割下來(lái)的，因此實(shí)體之間的外形匹配肯定沒(méi)有問(wèn)題，不需要添加其他的約束[3]。

2.3 對(duì)截取出的局部框架填充細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)

2.3.1 池底大磚細(xì)節(jié)填充

新建部件圖，通過(guò)放置命令引入上一步驟分解整體模型得到的池底框架曲面，并選擇“在原點(diǎn)處固定”，然后，進(jìn)入自下而上的設(shè)計(jì)模式。通過(guò)新建零件得到一塊塊池底大磚的零件模型，然后將他們放置在部件中，并與池底框架曲面進(jìn)行約束。由于池底磚有許多相同的磚型，可以通過(guò)陣列、鏡像等命令極大地提高設(shè)計(jì)效率。最終，等池底框架曲面全部被填充滿，就可以得到具有全部設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的池底大磚三維模型，見(jiàn)圖3。

2.3.2 熔化部二層細(xì)節(jié)填充

新建部件圖，通過(guò)放置命令引入分解整體模型得到的熔化部二層框架曲面，并選擇“在原點(diǎn)處固定”?？梢钥闯觯捎谒锌蚣芮娑际鞘褂猛惶鬃鴺?biāo)系統(tǒng)，所以在放置曲面的時(shí)候選擇“在原點(diǎn)處固定”至關(guān)重要。在該部件中，筆者采取和池底一樣的方法來(lái)設(shè)計(jì)胸墻結(jié)構(gòu)，但在設(shè)計(jì)熔化部大碹的時(shí)候卻遇到了麻煩。由于大碹碹磚數(shù)量太多，按照常規(guī)設(shè)計(jì)方法，電腦很容易直接死機(jī)，因此不得不將大碹設(shè)計(jì)成一整個(gè)零件，然后通過(guò)貼圖使其表面具備碹磚的紋理，見(jiàn)圖4。該方法同樣適用于蓄熱室、煙道等磚塊體積小、數(shù)量多的部位。

2.4 拼接具備細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的各框架

按照以上的步驟對(duì)每一個(gè)曲面都進(jìn)行填充，得到12個(gè)窯爐各部位的具體模型。然后新建部件圖，將這12個(gè)部件圖通過(guò)放置命令引入，并選擇在“原點(diǎn)處固定”，最終得到具備全部細(xì)節(jié)的完整的窯爐三維模型，見(jiàn)圖5。由于Inventor是機(jī)械設(shè)計(jì)軟件，所以鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)相對(duì)于磚構(gòu)來(lái)講反而要容易許多，有了完整的三維模型，只需要根據(jù)磚構(gòu)在外面構(gòu)建相應(yīng)的鋼構(gòu)即可。鋼構(gòu)可在各部位的部件圖中添加，也可以在最后的整體部件圖中添加。

2.5 實(shí)例中各步驟的要點(diǎn)

第一步建立窯爐整體的框架模型應(yīng)該保證基本尺寸的準(zhǔn)確性，因?yàn)楹罄m(xù)零件的裝配都是基于最初始模型的各個(gè)平面，一旦整體的框架模型出錯(cuò)，最后的拼裝可能會(huì)出現(xiàn)較大的問(wèn)題。

第二步將整體框架模型零件分割為多實(shí)體，并轉(zhuǎn)化成含多實(shí)體零件的部件。這一步中建議按照設(shè)計(jì)習(xí)慣，將關(guān)聯(lián)度不大的部位盡可能地分成單獨(dú)的實(shí)體，方便多人進(jìn)行同時(shí)設(shè)計(jì)，也能保證單獨(dú)一個(gè)部位的模型不會(huì)過(guò)于龐大，導(dǎo)致電腦卡死。

第三步在具體模型的設(shè)計(jì)當(dāng)中，應(yīng)該力求把零件做得詳細(xì)，因?yàn)檫@是最終需要加工制造的東西。值得一提的是，在多人協(xié)同進(jìn)行具體模型設(shè)計(jì)時(shí)，千萬(wàn)不要有多人參照同一局部框架曲面，否則可能導(dǎo)致最終的模型出現(xiàn)拼裝錯(cuò)誤的問(wèn)題。

第四步是把所有具體模型按照一開始的整體框架模型的位置進(jìn)行組裝。這一步中容易出現(xiàn)的問(wèn)題就是最終模型數(shù)據(jù)太龐大，電腦硬件跟不上。因此，必要的時(shí)候只能對(duì)具體的模型進(jìn)行“提取包覆面”“替換”等操作，使模型輕量化，在不影響整體外觀的情況下?tīng)奚恍〔糠旨?xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，來(lái)達(dá)到流暢使用軟件的目的。

3 其他配套工作

1)建立完善的窯爐參數(shù)表，將全部數(shù)據(jù)都添加到框架模型零件圖的fx表中，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。在比較熟悉地使用Inventor軟件后，還能添加、使用各種規(guī)則，利用“InputBox”、“Feature.IsActive”等計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編寫自己需要的規(guī)則，從而真正的實(shí)現(xiàn)只需輸入數(shù)據(jù)就能輸出模型的目的[4]。

2)建立比較全面的數(shù)據(jù)庫(kù)，比如磚材數(shù)據(jù)庫(kù)，需包含各種材質(zhì)的磚的比重、外觀等，這能極大地減少窯爐材料統(tǒng)計(jì)的工作量。眾所周知，一座完整的大型浮法玻璃熔窯的磚材數(shù)量非常龐大，能達(dá)到幾十萬(wàn)，因此，如果能提前設(shè)計(jì)好各部位的磚材材質(zhì)，就能比較迅速的得到各磚材的數(shù)量及重量，這比傳統(tǒng)的二維作圖需要設(shè)計(jì)者自己手動(dòng)計(jì)算的方式更為準(zhǔn)確和快速。

3)建立各種特殊磚型的ipart零件，比如掛鉤磚，形狀大致差不多，細(xì)微尺寸有點(diǎn)差別，可以做成一個(gè)族，需要的時(shí)候直接引用。因?yàn)楣I(yè)設(shè)計(jì)的特性決定了不同項(xiàng)目中其實(shí)是有很多共通點(diǎn)，而ipart則可以比較好的把這些共通點(diǎn)串聯(lián)起來(lái)，方便重用、復(fù)用以前設(shè)計(jì)過(guò)的零件，大量減少工作量。

4 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的探索與實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)用Inventor繪制大型浮法玻璃熔窯窯爐是可行的，該文介紹的方法具有較高的實(shí)用性，這種繪制窯爐的思路有以下明顯的優(yōu)點(diǎn)：

a.窯爐的整體框架模型由總師或者項(xiàng)目負(fù)責(zé)人繪制，不需要具體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，僅需要確定窯爐基本參數(shù)即可，例如各部位的長(zhǎng)寬高以及小爐對(duì)數(shù)等。

b.由框架模型轉(zhuǎn)化而來(lái)的局部框架曲面具有各自位置的相對(duì)關(guān)系，這使得最終圖紙不需要通過(guò)各部位的相對(duì)約束來(lái)進(jìn)行定位，使得工作量和文件大小大幅度減小。

c.各局部框架曲面得到后可分給多人進(jìn)行設(shè)計(jì)，每人各自設(shè)計(jì)自己的部分，互不干擾，又能同時(shí)進(jìn)行。

d.最終模型中包含所有參數(shù)，準(zhǔn)確性較傳統(tǒng)CAD二維圖有大幅度提升。

e.出圖方便，各部位能單獨(dú)出圖，且材料表能自動(dòng)生成，省時(shí)省力。