基于3D打印和VR技术的水轮发电机组教具设计.pdf

设 计 与 研 究39基于 3D 打印和 VR 技术的水轮发电机组教具设计黄仁泽（重庆大唐国际彭水水电开发有限公司，重庆 400047）摘 要：为了提升水轮发电机组运行的安全性、稳定性，定期的检修工作十分必要。对检修工艺的熟练掌握是确保作业安全和检修质量的重要因素，通过专项技能培训是实现这一目标的重要手段。运用三维建模软件对立轴半伞式水轮发电机组进行建模开发，完成一套高精度的机组数字模型，利用 3D 打印技术按照 1 25 的比例还原机组原本的机理结构。部署水轮发电机组虚拟现实（Virtual Reality，VR）培训场景，将虚拟与现实结合，提升了工作人员对机组结构原理和检修工艺的理解。关键词：水轮发电机组；三维建模；虚拟现实（VR）；3D 打印；检修工艺；教具Design of Teaching Aids for Water Turbine Generator Set Based on 3D Printing and VR TechnologyHUANG Renze(Chongqing Datang Internation Pengshui Hydropower Development Co.,Ltd.,Chongqing 400067)Abstract:In order to improve the safety and stability of the operation of the hydro-generator set,the maintenance work is very necessary.To master the maintenance process is an important factor to ensure the safety of operation and maintenance quality,and special skills training is an important means to achieve this goal.Three-dimensional modeling software was used to model and develop vertical shaft semi-umbrella water turbine generator set,complete a set of high-precision digital model of the unit,and use 3D printing technology to restore the original mechanism structure of the unit according to the ratio of 1 25.The deployment of Virtual Reality(VR)training scenarios for hydrogenerator sets,combining virtual with reality,improves the students understanding of the unit structure principle and maintenance process.Keywords:hydroelectric generating set;3D modeling;Virtual Reality(VR);3D printing;maintenance process;teaching aids水轮发电机组是一个复杂的系统，由许多机械部件和电子元器件组成。在水电发电机组检修过程中，检修工人必须具备丰富的理论知识和实践经验，才能快速判断问题的根源，并采取合适的措施进行处理。只有经过专业的培训和实践，检修工人才能掌握足够的技能和经验。经调研，现行检修专项培训通常采用两种方式：一是采用传统授课方式，使用平面图纸进行理论讲解，参加培训的人员缺乏立体全面认知；二是参与检修实践，培训人员观摩或参与部分检修实操。但是，机组检修过程中很多工作属于高风险作业，同时受工期、工序影响，并不适合开展实践培训，工作人员很难全面了解机组结构及各零部件的装配关系和检修要点。为解决检修专项培训中存在的不足，保证后续机组检修专业人才储备，提高员工检修技能水平，迫切需要开发一种结合实践与虚拟现实的新型教学培训方式，开展具有系统性、灵活性、专业性的机组大规模检修专项培训。1 水轮发电机组结构水轮发电机组是水电站的核心设备，由水轮机和发电机两大部分组成。通过水轮机将水的能量转化成转轴的机械能，然后由转轴驱动发电机切割磁场，从而获得电能1。以重庆彭水水电厂的立轴半伞式水轮发电机组作为参考，进行三维模型开发。彭水水电厂水轮发电机组整体装配图，如图 1 所示。图 1 彭水水电厂水轮发电机组整体装配图水轮机主要包含基础环、底环、座环、蜗壳、机坑里衬、接力器、导水机构、水导轴承、主轴密封和水轮机轴等部件。发电机主要包括上机架、上导轴承、定子、定子机座、转子、上端轴、下端轴、下机架、下现 代 制 造 技 术 与 装 备402023 年第 10 期总第 323 期导轴承、推力轴承、集电环刷架和主轴空气阀等部件2。2 机组三维数字模型的建立2.1 建模思路对于水轮发电机组的三维建模，可以采用两种方式。第一，自上而下的逆向建模方式。使用三维激光扫描设备对已有的实体零件进行扫描建模。该方法虽然难度相对较低，但是精度不高。第二，自下而上的正向建模方式。通过三维计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）软件逐一设计开发零件的数字模型。对于水轮发电机组这种曲面复杂、多处镂空的零件，正向建模会较困难，但是通过这种方式完成的三维模型精度较高。水轮发电机组一般位于封闭的地下厂房，设备零件繁多、结构复杂、体积庞大。加之部分零件在电站基建时期已经固定，无法通过三维激光扫描仪对机组进行全方位的实物扫描建模，同时考虑模型所需精度，最终采用正向建模的方式构建机组三维模型。常 用 工 业 制 造 三 维 建 模 软 件 有 UG、ProE、SolidWorks 和 CATIA 等。考虑 SolidWorks 在非标设计中的优势，软件本身的操作学习难度不高，并且使用其配套的 eDrawings 软件可以进行虚拟现实（Virtual Reality，VR）教学应用，选定 SolidWorks 作为完成机组三维建模的设计软件3。2.2 建模过程以机组 CAD 图纸、便携文档格式图纸和现场拆装测量尺寸为参考，听取机组检修专业人员的意见和建议，逐一绘制每个零部件结构的平面草图，进行尺寸标注，并添加几何约束和基本特征，得到同实体形状、尺寸完全一致的三维数字模型零件。机组部分零件三维模型，如图 2 所示。图 2 水轮发电机组部分零件三维模型所有零件建模完成后，按照不同部件结构进行整理分类。进入装配体编辑界面，根据立轴半伞式水轮发电机组安装技术要求，添加每个零部件之间的配合关系。模拟现实装配过程，保证各零部件之间的机理特性与实际一致，最终得到 1 1 水轮发电机组总装配体三维模型，共计 6 576 个非标零件。水轮发电机组总装配体模型如图 3 所示，水轮发电机组部分部件装配三维模型如图 4 所示4。3 教具 3D 打印的实现过程3.1 3D 打印技术介绍3D 打印也叫增材制造，是一种快速成型技术。作为第三次工业革命的代表新兴技术，它与传统的减材加工方法完全相反，由三维数字模型数据驱动，通过逐层添加材料的方式直接制造产品。随着 3D 打印技术的发展与成熟，它已在航空航天、机械制造、建筑设计和医疗等领域得到了广泛应用5。图 3 水轮发电机组总装配体模型设 计 与 研 究41 （a）推力轴承 （b）水导轴承 （c）发电机俯视 （d）水轮机俯视图 4 水轮发电机组部分部件装配三维模型目前，3D 打印技术按物料形态及成型原理可分为挤出熔融成型、粒状物料成型和光聚合成型 3 种类型。结合制造水轮发电机组教具的实际需求，初步筛选出熔 丝 堆 积 成 形（Fused Deposition Modeling，FDM）、选择性激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）、立体光固化成型（Stereo Lithography Appearance，SLA）、数字光处理（Digital Light Processing，DLP）和液晶显示（Liquid Crystal Display，LCD）5 种 3D 打印技术。统一 3D 打印的成型体积，调查这 5 种技术的实际产品信息并进行分析对比。筛选出的 3D 打印技术特点对比，如表 1 所示。表 1 筛选出的 3D 打印技术特点对比3D 打印技术耗材时间精度成本FDM聚乳酸（Polylactic Acid，PLA）、碳纤维、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（Acrylonitrile Butadiene Styrene，ABS）等线状材料中等中等低SLM金属、陶瓷、石膏等粉末材料长中等高SLA液态光敏树脂中等高中等DLP短高中等LCD短高低分析对比 5 种 3D 打印技术可知，FDM 打印技术成本最低，通过喷头加热将熔融状态的热塑性材料挤出，快速冷却凝固，逐层堆积成型，常规打印精度在 0.1 mm，而且成本低、打印耗时中等，可以用来打印转轮、转子支架、下机架等精度要求不高的零件。SLM 打印技术主要用于工业打印，加上成本昂贵、精度一般，不考虑使用。SLA、DLP 和 LCD 都属于光聚合成型，其中：SLA 采用紫外线激光器为光源，利用旋转镜片对剖面进行精确扫描，形成立体结构；DLP 利用紫外线投影机作为光源，一次固化一层，速度比 SLA 快；LCD 使用液晶屏遮盖紫外线光源形成打印横截面逐层固化，常规打印精度在 0.05 mm，和DLP 速度相同，虽然耐用性不如 DLP，需定时更换液晶屏，但是综合成本更低，适合打印拐臂、轴套、导叶等数量多、精度要求高的零件。最终选取 FDM和 LCD 两种 3D 打印技术结合使用的方式，制造机组教具。3.2 3D 打印过程在 SolidWorks 软件中，将模型零件转换为 STL格式的文件导出，根据每个零件的安装工艺、强度要求、精度要求选用适宜的 3D 打印设备，打印比例为1 25。3D 打印过程所使用的 FDM 打印机、LCD打印机，分别以 PrusaSlicer、Photon Workshop 作为切片软件。FDM 打印机成型平台的尺寸为 300 mm 300 mm400 mm，选用 PLA 作为打印耗材，打印步骤少，适合打印精度不高、表面粗糙、强度较高的零件6。PLA 相比 ABS、碳纤维和尼龙等材料打印条件更低，易于打印，而且其强度能够满足需求。LCD 打印机成型平台的尺寸为 300 mm296 mm400 mm，考虑模型各机构之间的运动，选用韧性好、强度高的韧性光敏树脂，打印过程烦琐，需要酒精清洗和二次固化，适合打印强度适中的精细零件。FDM 打印机和 LCD 打印机实物图，如图 5 所示。（a）FDM 打印机 （b）LCD 打印机图 5 FDM 打印机和 LCD 打印机实物图对于偏向于强度零件的使用 FDM 打印机。首先，将 STL 格式的模型文件导入 PrusaSlicer 软件，在软件中将模型缩放至打印比例，调整模型方向，设置打印体积。其次，选择 PLA 材料，适配打印温度、打印速度、冷却及其他设置，选择打印层高。为兼顾打印时间和质量，使用0.15 mm或0.20 mm的层高。再次，设置支撑结构和填充。填充的设置根据所打印零件的现 代 制 造 技 术 与 装 备422023 年第 10 期总第 323 期强度要求可适应性调整，一般非承重零件选择 15%填充，以减少打印时间和材料消耗，而对强度要求高的零件可 100%填充打印。最后，进行切片，导出后缀为.gcode 的代码文件，并导入 FDM 打印机进行打印。打印完成后拆除支撑结构，即可得到最终成型零件。对于偏向于精度的零件使用 LCD 打印机。首先，将 STL 格式的模型文件导入 Photon WorkShop 软件，在软件中将模型缩放至打印比例，调整模型方向，设置支撑密度、支撑点接触深度、支撑杆直径等参数，选择自动生成支撑，检查并手动修正支撑。其次，根据所选的光敏树脂特点设置合适的曝光时间、打印层高和打印速度进行切片，导出后缀为.pm3m 的代码文件。再次，将打印好的零件粗胚从打印平台上取下，用 95%乙醇清洗表面余料，拆除支撑。最后，将零件放置在二次固化机中，二次固化 4 5 min，得到最终成型零件。机组零件 3D 打印流程图，如图 6 所示。图 6 机组零件 3D 打印流程图3.3 成型零件的装配分类整理成型的实体零件，部分零部件内嵌螺母以增加结构强度。准备装配所需的螺栓、螺母和销钉等，根据机组整装工艺要求逐步进行水轮发电机组教具的装配。水轮发电机组整机教具，如图 7 所示。4 三维模型培训系统及 VR 技术的应用4.1 三维模型培训系统将水轮发电机组数字模型导出为超文本标记语言（Hyper Text Markup Language，HTML）格式，配置导出选项，如导出精度、单位等设置。将导出的HTML 文件上传至电站三区信息服务器的公共目录，在已建的内网三区工况及趋势预警分析系统界面上配置点击按钮，可点击按钮通过统一资源定位器（Uniform Resource Locator，URL）访问模型文件进行学习培训。水轮发电机组三维模型培训系统，如图 8 所示7-9。4.2 VR 培训通过 VR 技术部署水轮发电机组虚拟环境，工作人员可以在虚拟环境中模拟水轮发电机组的运行状态设 计 与 研 究43和故障情况，并学习如何检修设备、处理故障和进行维护操作。水轮发电机组 VR 培训画面，如图 9 所示。图 7 水轮发电机组整机 1 25 实物教具图 8 水轮发电机组三维模型培训系统图 9 水轮发电机组 VR 培训画面在 VR 界面里，水轮发电机组以 1 1 的比例展现在工作人员面前。在 VR 场景中，可以轻松查看设备结构，还可以通过手柄拆装零件，查看零件的相关信息，观看整机的三维爆炸视图，在虚拟水轮发电机组内自由穿梭。5 结语以彭水水电厂水轮发电机组为参考，利用 FDM和 LCD 两种 3D 打印技术相结合的方式，进行 1 25立轴半伞式水轮发电机组教具开发。应用该模型教具进行教学培训，将理论与实践相融合的教学模式，开展具有系统性、灵活性、专业性的机组大规模检修专项培训。参加培训的人员可以亲手拆装水轮发电机组，熟悉机组检修工艺，使得机组整机检修工艺知识点的讲解更加生动有趣，同时增强参训人员的检修技能和动手能力。在电厂水轮发电机组结构原理及检修工艺培训中，该模型教具已成为重要的辅助工具。参考文献1 盛国林.水电站机组设备及运行 M.北京：化学工业出版社，2010.2 宫让勤，于鹏飞，高欣.溧阳抽水蓄能电站水泵水轮机结构设计 J.大电机技术，2020（4）：64-69.3 匡鑫.3D 打印技术在教具制作与教学中的应用 J.南方农机，2015（12）：64.4 王华.基于 3D 打印的四种自动变速器教具的应用 J.北京印刷学院学报，2017（4）：38-41.5 史玉升，张李超，白宇，等.3D 打印技术的发展及其软件实现 J.中国科学（信息科学），2015（2）：197-203.6 张均保.3D 打印对机械制造及自动化的影响分析 J.中国高新区，2017（2）：103.7 郭继周，邓启文.我国 3D 打印技术发展现状及环境分析 J.国防科技，2015（3）：35-39.8 柳建，雷争军，顾海清，等.3D 打印行业国内发展现状 J.制造技术与机床，2015（3）：17-21.9 邱望洁，李昊阳.3D 打印技术在教育行业的应用发展前景研究 J.中国教育信息化（高教职教），2017（3）：11-14.