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Web环境下风力机信息管理与装配工艺仿真平台的设计与实现

2015/10/13        作者:董兴辉  刘浩  王斌  杨志凌  姚琪琦      
关键字:风力机  虚拟装配  装配工艺规划  可视化  
针对风力机装配现场的需求和虚拟装配技术发展的趋势,设计了一个集装配操作、装配工艺、零件信息和可视化于一体的装配工艺仿真平台,建立了Web环境的虚拟装配框架体系。在引入装配任务概念的基础上,构建了适合风力机装配的装配信息模型,并对装配工艺规划、零件信息管理,以及支持装配操作的装配过程仿真等关键技术进行了阐述。最后,通过对风力机的装配仿真验证了该平台的各项功能和应用效果。

0 引言

    风力机的结构复杂,零/部件多,安装和工作环境特殊,其装配过程不同于一般机械产品的装配。由于其工作在高空和户外,在安装时对安装的精度和吊装准确度要求很高。当前,国内风电场单台1.5MW风力机的安装费用约为220万,约占总成本费用的37%。

    我国风电研发机构根据风力机型号和工作环境的不同,在不同程度上应用数字化设计技术,实现风力机整体或部分的三维设计,建立了相应的数字样机模型后,在CAD软件中对风力机的可装配性进行验证。然而,目前风力机现场装配过程还处于手工操作阶段,风力机的装配是由装配人员和吊车司机相互配合吊装零/部件来完成,装配现场装配工艺规程的描述主要依靠自然语言,辅之以一定的二维装配图。这就造成对装配过程的描述不够形象直观,装配环节经常会出现错装和漏装事故。因此在装配执行现场,还有很多可以采用数字化手段进行改进的方面。

    本文正是基于这种需求,开发了Web环境的风力机虚拟装拆仿真平台。该平台可以脱离原来的CAD软件,布置在局域网中或者集成到现有的企业网络平台之中,将三维装配工艺发布到执行现场,从而大幅度提高装配工艺的可理解性和指导性;同时,可以将零件设计信息与装配过程相结合,进行装配过程的交互控制;另外还可以为风力机维护人员的培训提供有力的帮助。

1 框架结构

    装配工艺可视化平台主要是对风力机装配过程进行仿真,该平台设计为三个层次,工作模式采用浏览器/服务器(B/S)模式,仿真平台的总体框架结构如图l所示。

图1 仿真平台的总体框架结构

图1 仿真平台的总体框架结构

    1)资源层:负责协调Web服务器发来的数据库SQL(Structured Query Language)请求,存储和管理模型信息、产品信息和装配人员数据等信息。

    2)功能层:该层的功能主要是实现虚拟装拆及与装拆相关的技术文档管理。设计人员首先需要建立零件的三维模型,结合零件之间的约束关系和实际的装拆经验,进行装配工艺规划(包括装配顺序规划和装配路径规划),在Web中嵌入JavaApplet程序,借助虚拟现实建模语言VRML(Virtual Reality Modeling Language)中的外部编程接口EAI(Extemal Authoring Interface),实现交互的装拆逻辑控制,使不同用户对功能层的操作实现风力机的虚拟装拆仿真。另外,该层通过与资源层SQL的数据通信和传输,可以对零件结构树、技术文档、装拆控制和用户信息进行管理,并将服务器处理的结果反馈到Web中。

    3)Web层:该层是用户与虚拟装拆平台的接口,通过浏览器、Conona插件提供零件信息的维护和可视化装配的用户界面。

2 关键技术

2.1 装配工艺规划

    装配任务(Assembly Task,AT)是指在虚拟装配过程中对一个待装配对象所实施的连续操作过程。在虚拟装配环境中,装配体(Root Assembly,RA)是通过一系列装配任务来实现的。一个典型的装配任务主要包括添加待装配对象、移动对象、旋转对象和安装对象等操作。本文对装配任务的概念进行了功能改进和结构简化,主要考虑到以下两方面的因素:1)风力机的结构特点是虽然风力机零/部件多,但其部件之间的装配关系简洁,可以划分为三个装配单元(叶轮、机舱、塔架);2)风力机特有的工作环境限定了其独特的吊装方法,其安装可以分为自底向上安装和水平安装,水平安装时难度更高(高空中机舱主传动轴和叶轮对中,要求保证高的装配精度)。

    图2所示为改进后的装配任务模型,该模型由待装配对象、装配特征和装配基体构成。装配特征包括装配类型、装配顺序、装配路径和装配约束,每个装配任务都有唯一的待装配对象,通过装配特征实现待装配对象的安装。

图2 改进后装配任务模型

图2 改进后装配任务模型

责任编辑:郝秋红
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