散裝水泥罐體自頂向下整體參數(shù)化設(shè)計(jì)

（1. 廣西工學(xué)院 機(jī)械工程系，柳州 545006；2. 桂林中昊力創(chuàng)機(jī)電設(shè)備有限公司，桂林 541004）

梁蔓安1，彭金勇2，徐武彬1

0 引言

罐體是散裝水泥罐車的主要設(shè)計(jì)部件，縮短其設(shè)計(jì)周期是當(dāng)前專用汽車改制企業(yè)提高市場(chǎng)快速響應(yīng)能力的重要途徑。罐體主體由成形后的鈑金焊接而成，雖然使用二維CAD設(shè)計(jì)可以輸出直接指導(dǎo)生產(chǎn)的圖紙，但由于罐體各部件間的三維幾何約束復(fù)雜，對(duì)任一零件形狀尺寸的改動(dòng)都可能引起相鄰零件的變化，圖紙修改的工作量大且整體一致性難以保證。另外由于無(wú)法對(duì)某些三維非規(guī)則表面直觀描述，容易造成平面展成后下料板金誤差偏大。針對(duì)上述問(wèn)題，本文根據(jù)罐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，結(jié)合企業(yè)實(shí)際設(shè)計(jì)規(guī)程，提出了基于三維UG/WAVE技術(shù)的罐體自頂向下整體參數(shù)化設(shè)計(jì)方法。

1 自頂向下的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法

1.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)

散裝水泥罐體根據(jù)其外形結(jié)構(gòu)主要分為直筒罐和V形罐等幾類。雖然同類罐體根據(jù)客戶訂單的長(zhǎng)寬和容積等實(shí)際需求又可以劃分成大、中、小等若干系列，其構(gòu)成的主體零部件形狀尺寸以及輔助零部件（如螺栓、加強(qiáng)脛等）數(shù)量有所變化，但零件的幾何拓?fù)涫鞘冀K保持不變的。因此可以使用參數(shù)化建模的方法求解。

理論上，尚若將這些零件都參數(shù)化并建立完備的尺寸約束關(guān)系，就能夠迅速地解算出各零件的尺寸。但實(shí)際上罐體零件數(shù)量較大，彼此之間的幾何約束關(guān)系復(fù)雜，參數(shù)方程組難以確定。其次這種將總體參數(shù)（罐體的長(zhǎng)、寬、安裝等）和局部參數(shù)（零件尺寸）同一層次化的參數(shù)化方法，哪怕某個(gè)微小的局部參數(shù)變動(dòng)都會(huì)影響到整體，僅適合于產(chǎn)品局部的零部件設(shè)計(jì)，而不適合產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)策略。若將參數(shù)化技術(shù)與自頂向下的設(shè)計(jì)方法結(jié)合，在每個(gè)設(shè)計(jì)階段分析出決定本階段的控制參數(shù)，就能夠有效地將參數(shù)層次化。

1.2 自頂向下的設(shè)計(jì)

自頂向下的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程一般都要經(jīng)歷功能概念分析、結(jié)構(gòu)裝配設(shè)計(jì)、零部件詳細(xì)設(shè)計(jì)等階段。功能概念分析是依據(jù)產(chǎn)品功能需求和各類外界約束確定工作原理，并分析出決定產(chǎn)品性能指標(biāo)的物理或空間幾何因素的過(guò)程。而結(jié)構(gòu)裝配設(shè)計(jì)則是在前一步的基礎(chǔ)上，進(jìn)行產(chǎn)品總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；將其功能或結(jié)構(gòu)劃分；并確定各子模塊間的裝配和耦合關(guān)系。零部件詳細(xì)設(shè)計(jì)則是以并行工程的方式，完成對(duì)各子模塊內(nèi)的各零部件的幾何形狀、材料、精度等設(shè)計(jì)。這種從模糊到精確、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從而實(shí)現(xiàn)先裝配后零件的設(shè)計(jì)方法，能夠最大限度地滿足產(chǎn)品功能和結(jié)構(gòu)要求、減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，而且便于在各個(gè)子模塊間及時(shí)準(zhǔn)確地傳遞設(shè)計(jì)信息，是一種高效率的設(shè)計(jì)方法[1]。

2 WAVE裝配建模技術(shù)

尤其對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)，自頂向下的設(shè)計(jì)方法更加符合設(shè)計(jì)者的思維模式，易于融入企業(yè)的產(chǎn)品

設(shè)計(jì)任務(wù)劃分和設(shè)計(jì)進(jìn)度控制等運(yùn)作規(guī)程。其中承上啟下作用的結(jié)構(gòu)裝配設(shè)計(jì)階段，側(cè)重的是為滿足功能需求的總體控制結(jié)構(gòu)確定，以及裝配結(jié)構(gòu)信息的描述和向下傳遞、共享。當(dāng)前CAD軟件普遍采用的裝配建模大多以零部件幾何建模為基礎(chǔ)，用零件詳細(xì)幾何體素的關(guān)系描述裝配模型，并不適用于自頂向下設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)裝配設(shè)計(jì)階段[2]。WAVE是UG中面向自頂向下設(shè)計(jì)技術(shù)，針對(duì)結(jié)構(gòu)裝配設(shè)計(jì)階段的高級(jí)功能。通過(guò)裝配關(guān)系的基準(zhǔn)化和裝配結(jié)構(gòu)信息的向下關(guān)聯(lián)與更新控制，使參數(shù)化建模技術(shù)提升到更高級(jí)的系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)中，有效的提高了設(shè)計(jì)效率。

2.1 WAVE的建模思路

圖1 WAVE結(jié)構(gòu)裝配設(shè)計(jì)過(guò)程

如圖1所示，使用WAVE技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)裝配設(shè)計(jì)需要經(jīng)歷下列關(guān)聯(lián)的幾個(gè)過(guò)程：

1）設(shè)定總體參數(shù) 針對(duì)功能需求，對(duì)影響產(chǎn)品功能、性能和空間安裝約束的空間尺寸因素進(jìn)行定量分析，并把它們?cè)O(shè)置為UG產(chǎn)品模型中最高層的參數(shù)，為后續(xù)的控制結(jié)構(gòu)提供尺寸驅(qū)動(dòng)。

2）確定控制結(jié)構(gòu) 總體參數(shù)對(duì)產(chǎn)品功能和性能等方面的影響需要通過(guò)建立控制結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)?？刂平Y(jié)構(gòu)嚴(yán)格管理著主要零部件的空間靜止位置和彼此間的裝配關(guān)聯(lián)性和依賴性，而并不考慮零部件的細(xì)節(jié)形狀。具體技術(shù)實(shí)現(xiàn)由一系列基準(zhǔn)特征（Feature）組成，并將總體參數(shù)包含于其中。例如與產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)及裝配有關(guān)的基準(zhǔn)軸(Datum Axis)、基準(zhǔn)面(Datum Plane)、基準(zhǔn)坐標(biāo)系(Datum Coordinates)等，這些基準(zhǔn)特征都以系統(tǒng)的默認(rèn)坐標(biāo)系統(tǒng)為參照,受總體參數(shù)所控制?？刂平Y(jié)構(gòu)相當(dāng)于位于裝配體頂層的控制產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)及功能的概念上的一個(gè)“空零件”，裝配體的一副沒(méi)有肌肉的主骨架。

3）模塊的劃分 伴隨著產(chǎn)品模塊的劃分，控制結(jié)構(gòu)需要向依附于它的子裝配模塊分解，以使總裝配的信息向下傳遞。利用WAVE的幾何連接器和關(guān)聯(lián)拷貝功能，能夠在子裝配模塊中關(guān)聯(lián)引用上層總裝配中的控制基準(zhǔn)，保證控制結(jié)構(gòu)的上下同步更新。上層設(shè)計(jì)總體參數(shù)在子裝配模塊中依舊保持約束驅(qū)動(dòng)能力。

4）模塊內(nèi)部的詳細(xì)設(shè)計(jì) 根據(jù)子裝配模塊的復(fù)雜程度，合理的選擇局部參數(shù)化或繼續(xù)迭代模塊劃分的方法完成內(nèi)部零部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

2.2 WAVE的特點(diǎn)

1）并行協(xié)同設(shè)計(jì) 劃分后的各模塊通常由若干小組并行設(shè)計(jì)完成，需要有一個(gè)有效管理工具來(lái)保證上游設(shè)計(jì)規(guī)則和約束的實(shí)施，協(xié)調(diào)團(tuán)隊(duì)之間的工作。PDM軟件雖也具備設(shè)計(jì)規(guī)程管理和支持并行工程的功能，但是這些約束也僅停留在流程和文本信息上，難以在設(shè)計(jì)模型中控制?？刂平Y(jié)構(gòu)使用一些簡(jiǎn)單的幾何體表達(dá)總體設(shè)計(jì)需求和關(guān)鍵零部件位置，為下游的詳細(xì)設(shè)計(jì)提供約束框架。幾何關(guān)聯(lián)引用使得總體參數(shù)在子裝配模型內(nèi)具有比局部參數(shù)更高的驅(qū)動(dòng)能力，為產(chǎn)品并行協(xié)同設(shè)計(jì)提供了必要有效的約束管理手段。

2）快速評(píng)估設(shè)計(jì) 對(duì)客戶個(gè)性化需求的快速響應(yīng)和產(chǎn)品性能的迭代優(yōu)化對(duì)設(shè)計(jì)部門(mén)提出了設(shè)計(jì)效率和工作量的挑戰(zhàn)。然而只要將功能需求和性能指標(biāo)用參數(shù)化的控制結(jié)構(gòu)表示，在性能評(píng)估時(shí)對(duì)它的不斷調(diào)整都會(huì)驅(qū)動(dòng)下層零部件具體尺寸的參數(shù)化更新，極大程度地減小了下層詳細(xì)設(shè)計(jì)的工作，加快了產(chǎn)品評(píng)估和優(yōu)化的進(jìn)度。

3 直筒水泥罐體設(shè)計(jì)實(shí)例

直筒散裝水泥罐體作為水泥等粉粒物料的運(yùn)輸裝卸工具，其主要性能指標(biāo)有：裝載容積、卸料速度和殘余率。經(jīng)工程實(shí)踐與分析可知，罐體的長(zhǎng)度和直徑是決定罐體容積的主要因數(shù)，但同時(shí)又受到外部運(yùn)輸載體形狀和裝配的約束。主副滑料板的傾斜度與滑料效果有關(guān)，直接影響到水泥的裝卸料速度和殘余率；但隨著的傾斜度的增大，容積會(huì)有所減小。其取值通常根據(jù)水泥產(chǎn)地的土質(zhì)和濕度等因數(shù)的不同在41o~45o間變化。流化床除了其傾斜度有利于減小卸料殘余率以外，其高度與罐體的重心有關(guān)。在與指定的運(yùn)輸載體裝配位置確定時(shí)，選定罐體長(zhǎng)度、直徑、各滑料板傾斜度和流化床高度為模型總體參數(shù)；在罐體前后倉(cāng)對(duì)稱的前提下，利用各類基準(zhǔn)建立前倉(cāng)的裝配控制結(jié)構(gòu)，如圖2所示。以罐體直徑基準(zhǔn)面為中心，左右兩邊建立的封頭切面和半罐長(zhǎng)基準(zhǔn)面共同控制了罐體主體尺寸。通過(guò)調(diào)節(jié)流化床基準(zhǔn)軸位置可以控制流化床的高度和前后床在軸向上的交合點(diǎn)，并以此為基礎(chǔ)建立各滑料板基準(zhǔn)面。

圖2 前倉(cāng)裝配控制結(jié)構(gòu)

在上述總體參數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合罐體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將總裝配劃分為封頭、主滑料結(jié)構(gòu)、底支撐和進(jìn)料口等子裝配模塊。利用WAVE幾何連接器向各子裝配模塊分解所依附的裝配基準(zhǔn)后，各子裝配設(shè)計(jì)任務(wù)就可在各自依附的控制結(jié)構(gòu)的約束下并行完成。例如罐體封頭的子裝配設(shè)計(jì)如圖3所示。在罐體直徑基準(zhǔn)和封頭切面的約束下完成封頭圓弧面設(shè)計(jì)；再結(jié)合側(cè)滑料板斜度基準(zhǔn)可以進(jìn)行側(cè)滑料板及其內(nèi)支撐的設(shè)計(jì)；為了能夠和倉(cāng)內(nèi)中間滑料板無(wú)縫連接，需要與主滑料結(jié)構(gòu)子裝配共享中間滑料板斜度基準(zhǔn)，以此約束過(guò)渡板的設(shè)計(jì)。

圖3 封頭的子裝配設(shè)計(jì)

隨著子裝配模型設(shè)計(jì)的深入，內(nèi)部各零部件間的幾何尺寸與裝配也已確定，其后就是對(duì)逐個(gè)零件依據(jù)載荷情況和制造工藝進(jìn)行具體詳細(xì)的設(shè)計(jì)完善，例如輔助加強(qiáng)肋的添加、卸荷孔和止裂槽的布置等。采用整體參數(shù)化設(shè)計(jì)方法建立的三維模型向工程圖投影后，依舊能夠保持參數(shù)的向下驅(qū)動(dòng)能力。

4 結(jié)論

圖4 直筒散裝水泥罐體的快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)

根據(jù)水泥罐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，提出的自頂向下整體參數(shù)化的設(shè)計(jì)方法有利于設(shè)計(jì)的并行協(xié)同。在UG/WAVE環(huán)境下完成了某類直筒散裝水泥罐體三維模型和二維工程圖的整體參數(shù)化設(shè)計(jì)。并在此基礎(chǔ)上利用UG/OPEN二次開(kāi)發(fā)功能，完成的此類罐體的快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)如圖4所示，有效的提高了對(duì)客戶需求的快速響應(yīng)能力，縮短了罐體的設(shè)計(jì)周期。

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