SolidWorks的鐵路貨物罐車(chē)裝配模型建模方法

2013-06-02  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來(lái)源:仿真在線

在制造企業(yè)中,有效的軟件不但能縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期同時(shí)還能提高設(shè)計(jì)質(zhì)量.本文作者根據(jù)企業(yè)本身主導(dǎo)產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn),利用SolidWorks軟件探索了從零件設(shè)計(jì)、部件設(shè)計(jì)到最終產(chǎn)品裝配設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法及設(shè)計(jì)技巧,以供讀者參考.
李玲 來(lái)源:CAD/CAM與制造業(yè)信息化
關(guān)鍵字:SolidWorks 二維圖紙 貨物罐車(chē)

在制造企業(yè)中,有效的軟件不但能縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期同時(shí)還能提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。本文作者根據(jù)企業(yè)本身主導(dǎo)產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn),利用SolidWorks軟件探索了從零件設(shè)計(jì)、部件設(shè)計(jì)到最終產(chǎn)品裝配設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法及設(shè)計(jì)技巧,以供讀者參考。

    一、SolidWorks功能綜述

SolidWorks軟件功能強(qiáng)大并且易學(xué)易用,因而近年來(lái)在機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。其功能特點(diǎn)主要包括如下幾點(diǎn):

(1) 參數(shù)化設(shè)計(jì)、特征建模技術(shù)及設(shè)計(jì)過(guò)程的全相關(guān)性使其具有很好的設(shè)計(jì)柔性,即設(shè)計(jì)過(guò)程靈活,修改方便;

(2) 全Windows特性的特征管理器使設(shè)計(jì)過(guò)程的操作及管理?xiàng)l理清晰,操作簡(jiǎn)單,完整的動(dòng)態(tài)界面和鼠標(biāo)動(dòng)態(tài)控制對(duì)設(shè)計(jì)復(fù)雜零件是非常實(shí)用而且特別重要的技術(shù)手段;

(3) 功能強(qiáng)大的CAD模塊包括了草圖設(shè)計(jì)、曲面建模、實(shí)體建模和鈑金零件設(shè)計(jì)等,可以完成基于特征的CAD模型建立,滿足機(jī)械設(shè)計(jì)要求;

(4) 面向裝配的零件設(shè)計(jì)為大型裝配體的建模提供了重要的技術(shù)方法,其IPA動(dòng)畫(huà)制作可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)模擬裝配,同時(shí)可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析,從而在計(jì)算機(jī)里完成零件設(shè)計(jì)正確與否的校驗(yàn);

(5) SolidWorks是包含了CAD/CAM/CAE功能的集成化軟件,全面滿足設(shè)計(jì)、分析、制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的一體化要求。

綜上所述,SolidWorks軟件的基本設(shè)計(jì)思路為“實(shí)體造型→虛擬裝配→二維圖紙”,三維實(shí)體建模使設(shè)計(jì)過(guò)程形象而且直觀,虛擬裝配可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程的隨時(shí)校驗(yàn),從而避免可能造成的直接經(jīng)濟(jì)損失。二維圖紙的自動(dòng)繪制也滿足了實(shí)際生產(chǎn)的需求,從而完全滿足機(jī)械設(shè)計(jì)企業(yè)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)要求,因而得到廣泛的應(yīng)用。

    二、相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)

    1.參數(shù)化造型

參數(shù)化造型(Parametric Modeling,又稱尺寸驅(qū)動(dòng)幾何造型技術(shù))中,物體的幾何外形是由受約束的數(shù)學(xué)關(guān)系式來(lái)定義的,而不僅僅取決于簡(jiǎn)單的、孤立的尺寸參數(shù)。其主要技術(shù)特點(diǎn)在于:基于特征,全尺寸約束,尺寸驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)修改以及全數(shù)據(jù)相關(guān)。

(1)基于特征  將某些具有代表性的幾何形狀定義為特征,并將其所有尺寸定義為可變參數(shù),進(jìn)而形成實(shí)體,以此為基礎(chǔ)進(jìn)行更為復(fù)雜的幾何形體的構(gòu)造;

(2)全尺寸約束  將形狀和尺寸聯(lián)合起來(lái)考慮,通過(guò)尺寸約束來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)幾何形狀的控制。造型必須以完整的尺寸參數(shù)為出發(fā)點(diǎn)(全約束),不能漏注尺寸(欠約束),也不能多注尺寸(過(guò)約束);

(3)尺寸驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)修改  通過(guò)修改尺寸數(shù)值來(lái)驅(qū)動(dòng)幾何形狀的改變;

(4)全數(shù)據(jù)相關(guān)  尺寸參數(shù)的修改帶動(dòng)其他相關(guān)模型中的相關(guān)尺寸的更新,從而驅(qū)動(dòng)模型更新。

采用參數(shù)化造型進(jìn)行設(shè)計(jì),最大的優(yōu)點(diǎn)是CAD系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄幾何建模的整個(gè)過(guò)程。換句話說(shuō),系統(tǒng)不僅記錄幾何模型,同時(shí)還記錄設(shè)計(jì)意圖即實(shí)體間的關(guān)系。修改零件形狀時(shí),只需編輯尺寸的數(shù)值即可實(shí)現(xiàn)形狀上的改變。

    2.關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的CAD系統(tǒng)中,裝配體(部件)設(shè)計(jì)大都采用自底向上的方法,即首先設(shè)計(jì)出各部分組成零件,然后再把設(shè)計(jì)好的零件拼裝在一起,各零件間不存在任何關(guān)聯(lián)關(guān)系。當(dāng)部件功能或結(jié)構(gòu)需做出調(diào)整時(shí),相關(guān)零件的結(jié)構(gòu)形式、尺寸不會(huì)自動(dòng)做出相應(yīng)的改變;反之,當(dāng)某零件發(fā)生改變時(shí),部件功能或結(jié)構(gòu)也不會(huì)做出自動(dòng)調(diào)整。零件之間的裝配關(guān)系和尺寸協(xié)調(diào)完全依靠設(shè)計(jì)人員手工完成。這種CAD系統(tǒng)實(shí)際上僅起到了輔助制圖的作用。要使CAD系統(tǒng)真正有效地工作,必須采用基于關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)方法,即以零件所包含的各種幾何信息為數(shù)據(jù)源頭,通過(guò)幾何繼承、數(shù)學(xué)推導(dǎo)等方式獲取其他所需信息,選用適當(dāng)?shù)募s束傳播和求解模型,來(lái)構(gòu)筑一個(gè)具有實(shí)時(shí)響應(yīng)變更能力的信息資源高度共享的體系。

SolidWorks軟件能很好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程的關(guān)聯(lián)性。對(duì)于存在裝配關(guān)系的零件,可以建立其配合部分的尺寸關(guān)聯(lián),尺寸值可以相互驅(qū)動(dòng)與影響。例如, A零件的a尺寸與B零件的b尺寸存在尺寸關(guān)系b=a+0.1,那么如果改變A零件模型中的尺寸值a,可以驅(qū)動(dòng)B零件模型的同步協(xié)調(diào)改變。這樣在設(shè)計(jì)過(guò)程中一方面可以提高設(shè)計(jì)效率,同時(shí)也可以避免錯(cuò)誤。從而實(shí)現(xiàn)了零件之間的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì),對(duì)于大型裝配體的三維設(shè)計(jì)具有重大的實(shí)際意義。

    三、實(shí)現(xiàn)方法

我廠的主要產(chǎn)品是鐵路罐車(chē)成品及相關(guān)配套部件,因此設(shè)計(jì)部門(mén)的主要工作包括零部件設(shè)計(jì)及最終的產(chǎn)品裝配設(shè)計(jì)。由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈,因此產(chǎn)品的種類越來(lái)越多,更新?lián)Q代也越來(lái)越快,這就對(duì)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及管理提出了更高的要求。對(duì)于設(shè)計(jì)部門(mén)來(lái)說(shuō),設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)過(guò)程的準(zhǔn)確性對(duì)于縮短產(chǎn)品研發(fā)周期和降低生產(chǎn)成本都意義重大。因此我廠對(duì)設(shè)計(jì)部門(mén)的軟硬件投入力度很大,并采用了功能強(qiáng)大且易于掌握的SolidWorks作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的軟件平臺(tái)。針對(duì)工廠產(chǎn)品的特點(diǎn),我們的設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思路

    具體說(shuō)明如下:

(1) 零件可分為3類,一是用于通用部件的常用標(biāo)準(zhǔn)件(例如螺釘、彈簧等),二是用于某一大類產(chǎn)品的子零件(可視為半標(biāo)準(zhǔn)件),三是某類產(chǎn)品的特有零件。在分析產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求后,可以對(duì)其中的子零件進(jìn)行分類管理,便于合理分工并協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)人員甚至不同部門(mén)之間的設(shè)計(jì)進(jìn)程,同時(shí)可以避免重復(fù)勞動(dòng)(因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)件和半標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)可能已經(jīng)完成),抓住設(shè)計(jì)任務(wù)的重點(diǎn)和難點(diǎn),從而有效提高工作效率;

(2) 部件設(shè)計(jì)也可分為兩類,一類是通用的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)體,這部分設(shè)計(jì)可以在平時(shí)完成并且可以適用于絕大多數(shù)總裝配體。第二類是專用部件的子裝配體,這部分設(shè)計(jì)是對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中包含創(chuàng)新性的部分,因而應(yīng)該特別注意其設(shè)計(jì)進(jìn)度與質(zhì)量,進(jìn)而保證總體設(shè)計(jì)質(zhì)量與效率;

(3) IPA動(dòng)畫(huà)裝配設(shè)計(jì)校驗(yàn)是保證設(shè)計(jì)質(zhì)量的重要技術(shù)手段,用SolidWorks的虛擬動(dòng)畫(huà)裝配并輔助以機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析,既可以對(duì)零件設(shè)計(jì)進(jìn)行參數(shù)上的檢查(排除人為因素的影響),又可以對(duì)整個(gè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及功能進(jìn)行合理性分析,從而有效避免方案設(shè)計(jì)和人工設(shè)計(jì)中可能存在的錯(cuò)誤,避免更大的直接經(jīng)濟(jì)損失;

(4) 設(shè)計(jì)技巧。由于大型罐車(chē)產(chǎn)品的裝配體包含幾百甚至上千的零件,因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須對(duì)零件進(jìn)行適度的“簡(jiǎn)化”處理,否則產(chǎn)品的總裝配體的動(dòng)畫(huà)仿真甚至只是簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)都非常緩慢。因此在不影響整體效果的前提下,采用了如下兩種方法進(jìn)行處理以提高設(shè)計(jì)效率:

1)裝配體中的零件顯示方式有實(shí)體、線框等方式(甚至可以用參數(shù)控制零件在裝配體中是否顯示),對(duì)于有些非關(guān)鍵零件可以忽略其內(nèi)部形狀及細(xì)節(jié)描述,這樣可以有效地降低對(duì)于計(jì)算機(jī)硬件的要求,從而使大型裝配體的顯示操作變得快捷而且逼真;

2)用圖層設(shè)置對(duì)大裝配體中的零、部件進(jìn)行分類管理(單個(gè)零件的設(shè)計(jì)也應(yīng)對(duì)實(shí)體、基準(zhǔn)面及草圖等相應(yīng)地進(jìn)行分層管理),這樣對(duì)于圖形顯示、編輯及動(dòng)畫(huà)模擬等都重要的意義。零件、部件間的裝配信息可以利用SolidWorks軟件的Property Manager來(lái)獲取,從而檢查是否按照其應(yīng)有的裝配約束(如貼合、對(duì)齊、同軸等)進(jìn)行了正確的裝配操作。

四、應(yīng)用實(shí)例

基于以上的設(shè)計(jì)思路及技術(shù)手段,我們?cè)诋a(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了三維的全參數(shù)化設(shè)計(jì)方法,相對(duì)于傳統(tǒng)的手工繪圖設(shè)計(jì)及二維軟件設(shè)計(jì),不但提高了設(shè)計(jì)效率,而且提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性,從而實(shí)實(shí)在在地提高了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,為企業(yè)的發(fā)展注入了新的活力。

下面以我廠主導(dǎo)設(shè)計(jì)的鐵路臥式粉狀貨物罐車(chē)為例,來(lái)說(shuō)明其零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)及產(chǎn)品的裝配設(shè)計(jì)方法。

圖2為罐體的參數(shù)化3D模型。罐體的主要功能是運(yùn)輸及裝卸貨物,需根據(jù)自重、載重、工作壓力等來(lái)設(shè)計(jì)罐體的長(zhǎng)度L、半徑r及壁厚δ,同時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到它與幾個(gè)蓋板間的裝配關(guān)系,將其作為其他零件的父零件來(lái)處理。在模型中同時(shí)建立用于裝配的基準(zhǔn)軸和基準(zhǔn)面,而且這些特征也都是參數(shù)驅(qū)動(dòng)的,并放在專用圖層中。

圖2 罐體的參數(shù)化3D模型

圖3為罐體與枕梁上蓋板、牽引梁上蓋板的裝配圖。兩個(gè)蓋板零件在裝配樹(shù)中都以罐體為其父節(jié)點(diǎn),在進(jìn)行參數(shù)化建模時(shí),除了模型本身的參數(shù)驅(qū)動(dòng)外,還應(yīng)建立其與父零件(罐體)之間的參數(shù)關(guān)聯(lián):枕梁上蓋板及牽引梁上蓋板的半徑等于罐體半徑加上罐體壁厚。同時(shí)建立用于裝配的基準(zhǔn)軸及基準(zhǔn)面,在進(jìn)行裝配建模時(shí),通過(guò)與罐體的軸向同軸約束及基準(zhǔn)面的貼合約束,就可以建立參數(shù)化的裝配模型,同時(shí)罐體半徑的改變可以傳遞并且驅(qū)動(dòng)兩個(gè)蓋板模型的更新。

圖3 罐體與枕梁上蓋板、牽引梁上蓋板的裝配圖

圖4為罐體裝配與車(chē)體其他部分的最終裝配效果。由于在零件建模時(shí)采用了圖層管理及良好的參數(shù)控制,因此裝配校驗(yàn)變得非常簡(jiǎn)單而且明晰,通過(guò)圖層的關(guān)閉、裝配樹(shù)中對(duì)零件的抑制與反抑制等方法來(lái)控制零件及部件(專用和通用)的顯示,通過(guò)參數(shù)的關(guān)聯(lián)、傳遞、模型驅(qū)動(dòng)及IPA方法來(lái)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果,從而保證零件設(shè)計(jì)與裝配設(shè)計(jì)之間的協(xié)調(diào)一致,并且通過(guò)IPA動(dòng)畫(huà)模擬還避免了部件之間可能發(fā)生的干涉。

圖4 罐體裝配與車(chē)體其他部分最終裝配效果

    五、結(jié)論

通過(guò)CAD軟件及相關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用,我廠的產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期大大縮短,設(shè)計(jì)質(zhì)量也得到了顯著提高,從而提高了本企業(yè)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,取得了顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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