三維設(shè)計在產(chǎn)品制造上的應(yīng)用

劉 芳

我公司設(shè)計部門截止目前仍然以二維采用AutoCAD軟件進行產(chǎn)品設(shè)計的主要工具手段，對于象地下卷取機配管等復(fù)雜三維空間設(shè)計任務(wù)來說，設(shè)計難度仍然很大，在設(shè)計過程中既要考慮各個管路系統(tǒng)的連續(xù)性，又要考慮管路走向，即便經(jīng)過反復(fù)審圖，在具體施工過程中仍難避免出現(xiàn)管路間相互干涉和管路接口錯位等問題，設(shè)計的差錯率始終居高不下。同時由于管路極其復(fù)雜，對于直徑較小的管路，設(shè)計人員往往只能用實線表示，以基準尺寸標注管路長度，導(dǎo)致在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，配管工人需要反復(fù)翻看圖紙確定管路走向及計算長度，不僅延長管路的預(yù)制周期，降低配管工作效率，而且差錯率上升，原材料浪費加大，最終增加生產(chǎn)成本。為此我公司在生產(chǎn)環(huán)節(jié)引進SolidWorks三維設(shè)計軟件做為輔助設(shè)計及生產(chǎn)手段，以提高配管準確率，減少浪費。

SolidWorks的基本模型由零件、裝配體和工程圖組成，且三者間相互關(guān)聯(lián)，應(yīng)用其基本功能可建立草圖，生成三維實體，并對實體進行加工，模擬現(xiàn)實的機械加工方法，使用戶在設(shè)計制作產(chǎn)品時更加直觀。而且SolidWorks可直接繪制三維草圖，直接在空間中繪制線架圖，完成布線、管道等系統(tǒng)設(shè)計。

1 管路建模

在軋機及卷取機等產(chǎn)品中有大量的管路，其管路繁多、管型復(fù)雜、管徑不一，難免在設(shè)計過程中出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，同時管路預(yù)制及裝配工作量大且容易出錯，因此在從設(shè)計到生產(chǎn)環(huán)節(jié)之間應(yīng)用SolidWorks三維建模手段將設(shè)備立體化，將二維圖紙轉(zhuǎn)化成三維實體，這一增加的中間環(huán)節(jié)不但可以幫助檢查設(shè)計過程中出現(xiàn)的漏洞及失誤，使工人提前了解設(shè)備構(gòu)造，幫助解決生產(chǎn)過程中的困難，而且最重要的是可以將復(fù)雜的空間管路的走向具體化，指導(dǎo)管路預(yù)制和裝配，減少干涉錯誤。

圖1 卷取機三維建模

以卷取機為例，根據(jù)二維圖紙，挑選出主體設(shè)備，與管路相連接的零件，以及可能與管路發(fā)生干涉的的零部件創(chuàng)建三維模型，然后建立基準平面及各部分的配合關(guān)系，將各零部件按圖紙進行裝配，組成簡單的卷取機模型（見圖1）。創(chuàng)建管路三維模型，并按原設(shè)計圖紙的裝配關(guān)系及基準平面依次將各部位的管路及管路裝配集成裝入，連成完整的閉合回路。裝配完成后檢查管路與零部件間及管路與管路間的配合關(guān)系，調(diào)整管路長短和走向，檢察管路間的干涉及錯位現(xiàn)象，同時保證不影響使用及產(chǎn)品美觀。尤其對于設(shè)備中的液壓閥組，最初是由設(shè)計人員提出液壓閥組的技術(shù)協(xié)議，由采購人員按設(shè)計要求進行購買。而閥組的采購周期比較長，往往與設(shè)計過程同步進行，為不影響產(chǎn)品進度，實際生產(chǎn)中不可能等到液壓閥組設(shè)計完成后再將圖紙投入生產(chǎn)，所以最終進行裝配時，待裝配的液壓閥組與設(shè)計示意圖的結(jié)構(gòu)往往不能完全相符，經(jīng)常出現(xiàn)管路接口錯位現(xiàn)象，導(dǎo)致相應(yīng)的管路走向也不得不發(fā)生變化。如果總是按照原設(shè)計圖紙直接進行管路預(yù)制，不僅增加了液壓管路的錯誤幾率，也會影響到其它管路的走向問題，造成極大的浪費。而在配管預(yù)制前液壓閥組供貨廠家的閥組設(shè)計往往已基本完成，此時如果能由我們將最終的閥組建模確定管路接口，配合其它零部件及管路進行調(diào)整，就會極大的減少錯誤率，也可提高設(shè)計的工作效率。在完成以上所有工作后，還需要將每條管路轉(zhuǎn)化成工程圖，明確管路走向，標注管徑及長度，指出焊接法蘭、接頭或彎頭的位置、規(guī)格等。因為SolidWorks的工程圖與三維模型本身存在關(guān)聯(lián)，故在對三維管路模型進行各種修改時，工程圖也會隨之進行同步改動，這樣就避免了以往因改圖不徹底造成的錯誤。這種管路工程圖上同時配有管路的立體模型，使管路預(yù)制直觀可視，經(jīng)過三維建模后所配制的管路發(fā)生錯誤的幾率已經(jīng)很低，甚至可以在預(yù)制后直接包裝發(fā)往用戶現(xiàn)場進行安裝，縮短了交貨周期。

2 三維鈑金展開放樣

鈑金件在化工、冶金、船舶、包裝、機械等行業(yè)中被廣泛應(yīng)用，它是按照成品需求將不同形狀、材質(zhì)和厚度的材料裁剪下來，再進行卷曲、折彎或焊接制造加工成形。鈑金件在加工制作時，需要根據(jù)零件圖紙要求，應(yīng)用多面正投影原理，將零件的實際輪廓尺寸按照1∶1的比例預(yù)先畫在金屬或非金屬板材上，該過程又被稱作展開放樣。展開放樣是鈑金件下料與生產(chǎn)必不可缺的過程，正確的展開放樣可以保證鈑金件制作的準確性，節(jié)省工料的使用，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。

鈑金件按照構(gòu)成形狀表面又可分為可展曲面和不可展曲面?？烧骨胬碚撋峡梢跃_的展開為平面，還原后基本可以與原曲面完全吻合，例如柱面、錐面等。不可展曲面在理論上不能在平面上展開，故只能近似展開，例如球面、圓環(huán)面等。

鈑金件的傳統(tǒng)生產(chǎn)方法主要有圖解法和計算法，這些基于投影關(guān)系的展開放樣方法在板厚為零的理想狀態(tài)下應(yīng)用良好。但當應(yīng)用于厚度較大或精度較高的板材時，即需要充分考慮板厚、展開長度及結(jié)合處形狀等因素的影響，不斷修正放樣圖，以滿足零件設(shè)計要求。面對這種情況即便擁有豐富的放樣經(jīng)驗的工人也必須經(jīng)過多次反復(fù)試驗才能成功，由此將造成嚴重的浪費，提高產(chǎn)品成本。

而使用SolidWorks三維展開放樣方法可以根據(jù)圖紙直接生成鈑金件的三維圖形，并能快速得到三維鈑金件的二維展開圖。SolidWorks的鈑金設(shè)計功能很強大，任何復(fù)雜的鈑金特征都能通過簡單操作完成，可自動生成展開件。這種虛擬放樣過程可節(jié)省下料用模板，提高工作效率及準確性。

以水電站座環(huán)為例（見圖2），我公司首次生產(chǎn)此項產(chǎn)品，對其工藝過程缺乏經(jīng)驗，且由于產(chǎn)品存在復(fù)雜曲面及不規(guī)則接口，下料、加工、焊接難度都很大。但應(yīng)用SolidWorks完成三維鈑金建模后，三維圖形中的每一個點和每一條線都有非常明確的坐標數(shù)據(jù)，工作人員可以根據(jù)這些坐標數(shù)據(jù)在下料模板上準確的繪制出展開圖形，然后按照圖形尺寸進行切割以作為放樣的模板在下料時使用。三維建模不僅可以有效地指導(dǎo)下料，對于零件定位焊接也提供了很大的幫助。

圖2 水電座環(huán)三維建模

就該座環(huán)產(chǎn)品而言，因所有零件均焊接于上下環(huán)板之上，難以在空間曲面上找到基準點進行安裝，故此次將整體座環(huán)建模，通過虛擬基準點在座環(huán)表面找到某點的坐標值進行安裝。對于零件間的不規(guī)則接口，可根據(jù)建模圖形直接完成不規(guī)則形狀零件的下料，或者根據(jù)建模形狀先切割，然后再進行焊接。此項產(chǎn)品中的零件包括1塊舌板、23片導(dǎo)葉、上下共53塊過渡板、上下共96塊導(dǎo)流板以及包括尾部蝸殼在內(nèi)共36塊蝸殼等，其中舌板與尾部蝸殼、舌板與入口處的蝸殼、蝸殼與導(dǎo)流板、蝸殼與過渡板、過渡板與導(dǎo)流板的接口形狀都不盡相同，且連接處均為曲面，下料及安裝難度都很大，但應(yīng)用SolidWorks的三維建模及鈑金放樣功能，高效率實現(xiàn)該座環(huán)三維鈑金件的二維展開，且上下過渡板分別與上下環(huán)板間成角度焊接，應(yīng)用三維建模實現(xiàn)輔助定位后，簡化了生產(chǎn)過程，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。

3 運動模擬仿真動畫

動畫可以形象直觀地傳遞設(shè)計思想，是產(chǎn)品交流的最好工具。除應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計外，還可應(yīng)用于形象傳遞，市場宣傳。它形式多樣，可用于制作產(chǎn)品說明書，產(chǎn)品操作動畫演示以及圖像色彩渲染等，在信息高速傳遞的今天，動畫在產(chǎn)品開發(fā)銷售過程中起到非常重要的作用。在某些場合中，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜或新設(shè)計的產(chǎn)品，往往無法依靠文字或圖表準確描述其詳細結(jié)構(gòu)，但用可視化的三維動態(tài)模型卻可以直觀展現(xiàn)產(chǎn)品的實際情況，使交流變得清晰、簡單。

Animator插件是SolidWorks Office的插件之一，可以完全集成于SolidWorks。Animator能夠把顯示器上的三維模型、操作運動過程記錄下來，生成產(chǎn)品的裝配、爆炸、運動過程的動畫文件，同時也可以生成各部分的組合動畫文件。動畫文件可以清晰表現(xiàn)各部分零件間的配合關(guān)系，同時將這些三維模型以及操作過程記錄下來，生成脫離軟件環(huán)境，可直接在Windows操作系統(tǒng)下運行觀看的AVI視頻文件。SolidWorks還提供了產(chǎn)品的渲染功能，在PhotoWorks插件中包含有背景庫、材質(zhì)庫和光源庫，通過產(chǎn)品材質(zhì)及燈光控制等的設(shè)置，增強視覺感染力，產(chǎn)生高質(zhì)量的動畫效果。這樣可以在產(chǎn)品還未投入生產(chǎn)之前，生成產(chǎn)品動畫模型，并可以輸出JPG，GIF，BMP，TIF等文件格式的宣傳圖片。用于設(shè)計審查、產(chǎn)品宣傳、技術(shù)交流及技術(shù)協(xié)調(diào)等。

在我公司生產(chǎn)的石化及核電產(chǎn)品中（見圖3），首先完成各零部件的三維建模，并將零部件裝配成需要模擬的裝配體，開啟動畫運動算例來模擬裝配體的運動。將零部件按與正常裝配的相反順序拆解開，保證動畫最終演示的正確順序。在每個零部件的移動軌跡的起始點和終到點之間插入時間幀，設(shè)定持續(xù)時間的長度，即可實現(xiàn)平移，旋轉(zhuǎn)等效果，按順序完成所有零部件的軌跡及時間設(shè)置后便可以運行動畫，也可為運動算例單元生成設(shè)計庫文件夾在其它運動算例中使用。應(yīng)用三維動態(tài)效果體現(xiàn)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及裝配過程，既能用于市場宣傳也可為首次接觸的產(chǎn)品提供有力的技術(shù)支持，使各部門技術(shù)人員及生產(chǎn)工人在制造前期就可以直觀了解產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，零件組成，裝配順序等生產(chǎn)信息，同時能夠幫助技術(shù)人員理清工藝脈絡(luò)，更好地為生產(chǎn)服務(wù)。

圖3 核電產(chǎn)品三維建模

4 結(jié) 語

象SolidWorks這類三維軟件能夠提供美觀的操作界面，靈活的操作方式及人性化的操作窗口。應(yīng)用其功能可服務(wù)于產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的諸多環(huán)節(jié)，完美的三維效果可以幫助企業(yè)承攬合同，發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，同時可以輔助生產(chǎn)過程的有序進行。合理利用其功能可以提高企業(yè)生產(chǎn)效率，降低成本，節(jié)約原材料，增加產(chǎn)品訂單，提高企業(yè)形象。因此可以說用三維軟件取代二維軟件進行產(chǎn)品設(shè)計與制造是企業(yè)提高競爭力的必要保證。