基于CATIA的真空張力輥虛擬設(shè)計(jì)

柴 源，丁 茹，費(fèi)玉石

(1．沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159;2．中航世新燃?xì)廨啓C(jī)股份有限公司沈陽分公司，遼寧 沈陽 110043)

0 前言

虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)是采用信息技術(shù)完成新產(chǎn)品整個(gè)開發(fā)的過程，其核心是利用先進(jìn)的CAD建模技術(shù)和多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力學(xué)建模技術(shù)?；谟?jì)算機(jī)仿真建立產(chǎn)品數(shù)字模型，數(shù)字模型即電子樣機(jī)。電子樣機(jī)將不同工程領(lǐng)域的開發(fā)模型結(jié)合在一起，從外觀、功能和行為上模擬真實(shí)產(chǎn)品，使設(shè)計(jì)者實(shí)時(shí)了解產(chǎn)品的設(shè)計(jì)進(jìn)度。

傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用二維設(shè)計(jì)方法，主要靠經(jīng)驗(yàn)和類比同型機(jī)器，三維設(shè)計(jì)避免了周期長(zhǎng)、反復(fù)性大、可靠性差、設(shè)計(jì)精度和質(zhì)量難以保證的不足。借助CATIA軟件進(jìn)行真空張力輥的虛擬設(shè)計(jì)，不僅可真實(shí)地反應(yīng)真空輥的幾何形狀，通過裝配體還能反應(yīng)各部件的空間位置，進(jìn)而有效地檢測(cè)工作裝置各部件間是否發(fā)生干涉與碰撞，還可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析以及有限元的分析計(jì)算。同時(shí)，CATIA軟件還可以完成參數(shù)化設(shè)計(jì)，可為今后新產(chǎn)品的開發(fā)創(chuàng)建基礎(chǔ)模型，提高設(shè)計(jì)的重復(fù)性，縮短變形產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，降低產(chǎn)品成本。因此，研究真空張力輥的虛擬設(shè)計(jì)具有重要的實(shí)用價(jià)值。

1 虛擬設(shè)計(jì)流程

應(yīng)用CATIA進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)，首先要明確設(shè)計(jì)任務(wù)，初步確定產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，然后細(xì)化，進(jìn)行具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分析計(jì)算零部件的尺寸，對(duì)零件建模，然后組裝零件，形成裝配體，并進(jìn)行相應(yīng)的干涉檢查，必要時(shí)進(jìn)行碰撞檢查;對(duì)關(guān)鍵的零部件進(jìn)行有限元計(jì)算分析，最后制作加工圖紙，交給客戶，具體設(shè)計(jì)流程，如圖1所示。

圖1 虛擬設(shè)計(jì)流程圖Fig.1 Flow chart of virtual design

2 設(shè)計(jì)步驟

2.1 真空張力輥的結(jié)構(gòu)

真空張力輥的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由機(jī)架、支撐牌坊、真空輥部件裝配、減速器、制動(dòng)器、傳動(dòng)裝置以及動(dòng)力裝置所組成。其工作過程為由西門子電機(jī)輸出動(dòng)力，經(jīng)過減速器－傳動(dòng)軸－齒輪軸，經(jīng)過內(nèi)嚙合齒輪減速，使輥殼平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。交流電機(jī)帶動(dòng)絲杠可對(duì)真空室寬度任意調(diào)整，在電機(jī)輸出端裝有制動(dòng)器，起到安全保護(hù)作用。

圖2 真空張力輥總成Fig.2 Assembly of vacuum tension roller

2.2 實(shí)體建模

CATIA具有先進(jìn)的混合建模技術(shù)，能對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象進(jìn)行混合建模:在CATIA的設(shè)計(jì)環(huán)境中，無論是實(shí)體還是曲面，做到了真正的互操作;變量和參數(shù)化混合建模:在設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者不必考慮如何參數(shù)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，CATIA提供了變量驅(qū)動(dòng)及后參數(shù)化能力，而且可促進(jìn)企業(yè)對(duì)產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。對(duì)不符合設(shè)計(jì)開發(fā)要求的產(chǎn)品，采用直接修改特征模型或關(guān)系來實(shí)現(xiàn)同種零件不同參數(shù)的設(shè)計(jì)。

CATIA提供的多模型鏈接的工作環(huán)境及混合建模方式，使得并行工程設(shè)計(jì)模式成為可能，總體設(shè)計(jì)部門只要將基本的結(jié)構(gòu)尺寸發(fā)放出去，各分系統(tǒng)的人員便可開始工作，既可協(xié)同工作，又不互相牽連。由于模型之間的互相聯(lián)結(jié)性，使得上游設(shè)計(jì)結(jié)果可做為下游的參考，同時(shí)上游對(duì)設(shè)計(jì)的修改能直接影響到下游工作的刷新，實(shí)現(xiàn)真正的并行工程設(shè)計(jì)環(huán)境。同時(shí)CATIA軟件的外接插件可以快速生成某些標(biāo)準(zhǔn)件，如軸承、螺栓等，利用齒輪插件可快速生成齒輪模型，如圖3所示。然后在對(duì)其進(jìn)行拉伸、切除、陣列等特征操作。

圖3 內(nèi)嚙合齒輪零件模型Fig.3 Model of inside engaged gear

2.3 裝配

裝配設(shè)計(jì)分為自下向上和自上向下設(shè)計(jì)兩種方法。自下向上是一種局部到整體的設(shè)計(jì)方法，當(dāng)裝配體中含有較多重復(fù)出現(xiàn)的零部件時(shí)，或裝配體零部件間的配合關(guān)系較為簡(jiǎn)單時(shí)，優(yōu)先考慮此方法;自上向下設(shè)計(jì)是由整體到局部的設(shè)計(jì)方法，此方法適用于相互配合復(fù)雜、相互影響配合關(guān)系較多，多數(shù)零部件外形尺寸未定的裝配體。兩種方法也可以結(jié)合使用，使設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)便。

本設(shè)計(jì)中，通過CATIA的裝配功能，不但能夠?qū)⒏髁慵凑赵O(shè)計(jì)要求裝配在一起，在反應(yīng)產(chǎn)品裝配順序的基礎(chǔ)上還能對(duì)裝配過程中出現(xiàn)的干涉現(xiàn)象進(jìn)行檢查。由于真空張力輥零部件較多，而且有重復(fù)零件，配合關(guān)系較為復(fù)雜，某些零件尺寸不易確定，因此采用自上向下和自下向上結(jié)合的裝配設(shè)計(jì)方法。裝配時(shí)，首先確定機(jī)架為固定部件，再依次導(dǎo)入其它已建好的零部件，對(duì)于尺寸不易確定的零件，可以利用零件間的關(guān)系生成新零件。導(dǎo)入零件后，要使零件達(dá)到精確配合，必須建立準(zhǔn)確地裝配約束。在裝配體設(shè)計(jì)模塊中，系統(tǒng)提供了包括同軸、重合、角度、距離等標(biāo)準(zhǔn)配合，可以使用這些配合精確地放置實(shí)體，整個(gè)裝配過程猶如在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行實(shí)物組裝一樣。本設(shè)計(jì)要注意齒輪組的配合和真空輥部裝內(nèi)部各零部件的裝配關(guān)系，否則會(huì)導(dǎo)致裝配上的干涉。

CATIA對(duì)裝配體進(jìn)行的檢查主要有干涉檢查和碰撞檢查，用來檢查裝配體各零部件裝配后的正確性，可判斷零件間是否有干涉，保證任意兩個(gè)零件在空間上不出現(xiàn)相互重疊的現(xiàn)象。通過移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)來檢查零部件的間隙，避免實(shí)物安裝時(shí)產(chǎn)生干涉，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)對(duì)數(shù)模進(jìn)行修改，直到獲得滿意效果，從工作裝置虛擬裝配的過程可以看出，整個(gè)過程完全符合實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行的組裝過程。

為了能清楚形象地查看裝配中各部件間的裝配關(guān)系，在完成裝配后，可用爆炸圖將其裝配的各部件按照預(yù)先設(shè)定的方向和距離自動(dòng)爆炸分離。通過Ass裝配模塊下的爆炸視圖中的選項(xiàng)對(duì)真空張力輥部裝創(chuàng)建爆炸圖，如圖4所示。

圖4 真空輥部裝爆炸圖Fig.4 Exploded viws of vacuum roller

3.4 有限元分析

在真空張力輥工作過程中，真空輥輥殼通過內(nèi)部的真空室形成真空(低于1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)，輥殼內(nèi)外形成壓力差，帶材被吸附到真空輥殼體上。輥殼是真空輥工作過程中與帶材直接接觸的部件，因此需對(duì)殼體進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證其工作時(shí)能夠保證一定強(qiáng)度。在進(jìn)行有限元分析前，先將所建模型簡(jiǎn)化，忽略圓角、倒角以及表面鉆孔等設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。通過CATIA混合設(shè)計(jì)功能，將零部件設(shè)計(jì)模塊轉(zhuǎn)到分析與模擬模塊，在輥殼兩端添加約束，在輥殼表面施加均布載荷，劃分網(wǎng)格后，進(jìn)行有限元計(jì)算分析，得到真空輥殼應(yīng)力分布情況和變形狀況，計(jì)算出危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力及應(yīng)變，如圖5、6所示。有限元分析為真空輥輥殼的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)是否合理進(jìn)行了快速的評(píng)估。

2.5 工程圖

盡管隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，三維設(shè)計(jì)有了很大的提高與進(jìn)步，但三維模型并不能將所有的設(shè)計(jì)參數(shù)表達(dá)清楚，有些信息，如加工精度、形位公差、表面粗糙度等仍需要借助二維工程圖來將其表達(dá)清楚，因此工程圖的創(chuàng)建是三維設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。

CATIA制圖產(chǎn)品是2D線框和標(biāo)注產(chǎn)品的一個(gè)擴(kuò)展。制圖產(chǎn)品使用戶可以方便地建立工程圖樣，并為文本、尺寸標(biāo)注、客戶化標(biāo)準(zhǔn)、2D參數(shù)化和2D瀏覽功能提供一整套工具。利用模型文件可快速自動(dòng)轉(zhuǎn)換成工程圖文件，和傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助繪圖相比，利用模型文件生成的工程圖只需要簡(jiǎn)單地指定投影方向，插入模型的尺寸或添加其它的工程圖細(xì)節(jié)，就可完成工程圖的操作。經(jīng)過轉(zhuǎn)換的圖形十分精確，并且可生成各種視圖，如剖視圖、軸測(cè)圖、局部放大圖等。通過設(shè)置圖紙的大小，填寫標(biāo)題欄等操作，可生成符合機(jī)械制圖標(biāo)準(zhǔn)的二維工程圖，如圖7所示。

圖7 真空張力輥工程圖Fig.7 Engineering drawing of vacuum tension roller

3 結(jié)論

基于CATIA的真空張力輥的虛擬設(shè)計(jì)充分利用了CATIA三維軟件的強(qiáng)大功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)真空張力輥的虛擬設(shè)計(jì)，為探索真空張力輥新的設(shè)計(jì)方法提供了良好的途徑，應(yīng)用此技術(shù)可及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤，降低設(shè)計(jì)成本，提升產(chǎn)品質(zhì)量。實(shí)踐表明基于CATIA的軟件虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)在真空張力輥的設(shè)計(jì)具有良好應(yīng)用前景，虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)可廣泛地應(yīng)用在各類行業(yè)的設(shè)計(jì)中。

［1］ 薛建華，安秀．論虛擬設(shè)計(jì)在現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)中的重要作用［J］．計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2006，16(11):182－184．

［2］ 袁名松，遲毅林，張淼．虛擬設(shè)計(jì)發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展方向［J］．昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，27(5):21－26．

［3］ 劉宏增，黃靖遠(yuǎn)．虛擬設(shè)計(jì)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1999．

［4］ 盛選禹，盛選軍．CATIA V5基礎(chǔ)與實(shí)例教程［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009．

［5］ 盛選禹．CATIA V5運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力分析［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008．

［6］ 王霄，劉會(huì)霞．CATIA V5R17高級(jí)設(shè)計(jì)實(shí)例教程［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2006．