船用低速柴油機焊接機架的參數(shù)化設計

姚玉欣，李孝連，李濤濤

(1. 中船動力研究院有限公司，上海 201206；2. 上海柴油機股份有限公司，上海 200438)

0 引言

隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，造船，船用主機、車輛、工程機械等制造行業(yè)廣泛采用焊接結(jié)構(gòu)，這是機械制造工藝發(fā)展的重要趨勢。在一些工業(yè)發(fā)達的國家，焊接結(jié)構(gòu)件已占機械部件的40%左右。由于焊接件設計簡單、制造周期短、成本低、經(jīng)濟效益好，焊接結(jié)構(gòu)件將越來越多地替代鑄造件和鍛造件，成為重要大型設備的關鍵部件[1]。因此，研究船用低速柴油機焊接機架的參數(shù)化設計及簡化零部件的建模，可提高設計效率，降低設計成本，為企業(yè)帶來更多的經(jīng)濟效益。

1 UG/WAVE技術(shù)主要功能

UG軟件是一款參數(shù)化產(chǎn)品開發(fā)的綜合軟件，為船用柴油機產(chǎn)品的設計和制造全過程提供解決方案。本文主要利用基于UG軟件的WAVE(what-if alternative value engineer)技術(shù)對焊接機架進行參數(shù)化設計。UG/WAVE技術(shù)是參數(shù)關聯(lián)設計技術(shù)，將參數(shù)化造型及系統(tǒng)工程有機地融為一體，通過在裝配件的某一個組件中引用其他組件的幾何對象(如草圖、基準、曲線、面、實體等)形成鏈接，以這些鏈接作為新的特征來進行當前零件的結(jié)構(gòu)設計或者定位，這樣就實現(xiàn)了一個裝配件中各個組件之間的幾何關聯(lián)。在設計時，以樹狀層級關系來描述產(chǎn)品模型之間的關聯(lián)。在裝配的頂層定義設計框架、總體尺寸及零件布局，而在底層進行零件的詳細設計。這樣允許設計者在高層產(chǎn)品設計發(fā)生變化時自動更新底層零件[2]，實現(xiàn)上層總體設計和下層細節(jié)設計的并行。當產(chǎn)品模型設計完成后，對于結(jié)構(gòu)相似的產(chǎn)品，只需要在表達式中修改相應的參數(shù)，便可快速生成滿足設計要求的模型，大幅度提高設計效率。

2 船用低速柴油機機架結(jié)構(gòu)簡介

船用柴油機在結(jié)構(gòu)上都比較相似，主要固定機件有機座、機架和氣缸體，稱之為三大件。機架坐落于機座上部，與機座形成曲柄回轉(zhuǎn)空間(曲柄箱)；機架上端支撐氣缸體，與氣缸體形成活塞連桿的運動空間。由此可見，機架作為受力為主的部件，需要有足夠的強度和剛度。船用柴油機機架采用剛性整體箱式焊接結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕便、結(jié)合面較少，使加工制造容易、安裝簡單，也改善了曲柄箱的密封性。圖1是某型船用低速柴油機機架結(jié)構(gòu)。

圖1 某型船用低速柴油機機架結(jié)構(gòu)

3 焊接機架結(jié)構(gòu)分析

采用UG/WAVE技術(shù)進行建模前，必須首先分析機架產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，從而建立合適的焊接加工關系。焊接機架從制造過程角度分析，可分為5個階段。(1)零件毛坯落料：焊接前加工準備；(2)中間體子部件焊接：將大導板、支撐板、筋板等零件毛坯焊接為一體；(3)兩側(cè)板子部件焊接：將側(cè)板、托架支撐板、法蘭板等零件毛坯焊接為一體；(4)機架焊接：中間體子部件、兩側(cè)板子部件、上下面平板焊接成箱式機架；(5)機架焊后加工：整副機架去除最后的余量，加工上下平面、側(cè)板法蘭面等。

焊接機架制造可分為3個步驟：零件毛坯加工、機架裝配焊接和焊后加工。焊接工作則是將加工后的零件或組件裝配成型。設計的難點在于零件種類多、數(shù)量多、加工的中間狀態(tài)多，加工部位除了上下面平板去除余量之外，還包括中間體大導板的加工銑平、鉆孔等；甚至同種零件，不同部位的加工尺寸也會不相同。因此考慮到機架的復雜性，本方法采用主草圖文件和UG/WAVE鏈接的方式(見圖2)：建立不同加工狀態(tài)下相互關聯(lián)的多層幾何3維模型，盡可能減少在裝配中需要鏈接的實體，以減少后續(xù)設計對實體特征的操作，確保在初始設計階段就能對機架整體和零件詳細設計有統(tǒng)一的把握，實現(xiàn)焊接機架從零件到最終裝配的參數(shù)化建模，并且完成2維工程圖紙的關聯(lián)。

圖2 焊接機架設計流程示意

4 焊接機架的參數(shù)化設計

4.1 總體框架搭建

根據(jù)焊接機架的特點和設計難點，搭建以草圖驅(qū)動為核心的自頂向下的模型。先在設計頂層設置以缸數(shù)和缸心距為基本參數(shù)的表達式表格，再運用草圖繪制裝配狀態(tài)下的焊接板形狀，側(cè)板、大導板、筋板、支撐板等位置和形狀關系，使其均在焊接機架模型的基礎上層層展開，如圖3所示。比如Amount_of_Cylinders=缸數(shù)、Cylinder_Distance=缸心距、Column_Height=機架高度、Column_Top_Width=機架頂部寬度等。按照焊接關系建立新組件，并將框架草圖WAVE鏈接到最底層的零件中進行詳細設計。

圖3 框架草圖與參數(shù)表達式

4.2 詳細設計要點

4.2.1 零件設計

底層零件WAVE鏈接了總體框架狀態(tài)下的草圖，根據(jù)草圖分別設計零件毛坯落料狀態(tài)下的實體。原則是，先建立主體特征，然后在主特征基礎上對孔、倒角等其他輔助特征進行建模，再使用提升體的操作創(chuàng)建不同狀態(tài)的焊接準備特征處理(如需要)，并導入不同圖層和引用集。通常，將裝配模型實體導入圖層1，第1層焊接準備實體導入圖層2，第2層焊接準備實體導入圖層3。在相應的加工或者焊接模型中，只需要調(diào)用相應的引用集并顯示對應的圖層即可。

4.2.2 組件陣列裝配

組件陣列裝配采用部件間表達式來實現(xiàn)驅(qū)動。部件間表達式可以利用一個部件中的某個表達式定義另一個部件中的某個表達式。因此，通過部件間表達式可以實現(xiàn)同一個裝配模型中不同部件的特定結(jié)構(gòu)關聯(lián)。依據(jù)在頂層設置的以缸數(shù)和缸心距為基本參數(shù)的表達式，建立相同組件陣列所需的與缸數(shù)和缸心距相關聯(lián)的參數(shù)表達式。這樣在頂層修改缸數(shù)或者缸心距的數(shù)值時，相同組件陣列的數(shù)量和位置就會改變。方便后續(xù)設計類似結(jié)構(gòu)的機架，只需改動相應的參數(shù)，即可實現(xiàn)組件數(shù)量和位置的變動。

運用部件間表達式鏈接，可以對所有特征都建立起部件間的關聯(lián)，但是應避免發(fā)生部件間循環(huán)引用的情況。因此本方法所有的部件間表達式關聯(lián)均以缸數(shù)和缸心距為基本參數(shù)，即所有表達式均關聯(lián)缸數(shù)或缸心距參數(shù)。

4.2.3 零件位置的表達式if函數(shù)控制

機架的側(cè)板結(jié)構(gòu)通常為左右鏡像對稱，從建模角度分析，左側(cè)和右側(cè)平板的草繪布置圖完全一樣，而在Y-Z平面上左右沿Z軸對稱布置。為了用同一個參數(shù)化模型來分別表達左側(cè)和右側(cè)平板，隨時實現(xiàn)平板的左右轉(zhuǎn)換，這里引入了一個控制旋向的表達式：mirroring=1或0[3]，將其嵌入相應的草圖表達式中，結(jié)合部件間的表達式鏈接和UG自帶的if函數(shù)，只需修改表達式mirroring的參數(shù)即可完成零件的左右鏡像裝配。

4.2.4 焊接機架的機加工設計

機架焊接完成后，進行WAVE鏈接體的操作，然后在鏈接體上完成加工的所有步驟。通常一個焊接機架由幾百個零件焊接而成，也就意味有幾百個鏈接體。為了快速地識別不同鏈接體及后續(xù)鏈接體的加工，對鏈接體進行分類就顯得格外的重要。

首先，按照需加工和無需加工分類，將無需加工操作的零件鏈接體放入Free Linked Bodies的特征組。其次，將有加工需求的零件鏈接體按照位置和用途進行分類。如十字頭滑塊軌道的加工，托架支撐面的加工，機架頂、底平面的加工，機架自由端、驅(qū)動端平面的加工。最后，根據(jù)分類完成相應零件鏈接體部分的機加工操作。機架加工鏈接體分類的樹狀層級詳見圖4。不僅樹狀層級結(jié)構(gòu)清晰，而且分類鏈接體加工操作簡單，也方便后續(xù)零件的替換和加工的改動。

圖4 機架加工鏈接體分類的樹狀層級

4.3 焊接機架的設計調(diào)整

UG/WAVE技術(shù)可以實現(xiàn)復雜裝配件的調(diào)節(jié)，修改總體框架草圖表達式的參數(shù)，可改變尺寸，并且將變化傳遞到下游的全部裝配件或是零件中。對于WAVE的實體父項能實現(xiàn)同樣的變化，并且由于2維工程圖和3維模型是由相同的參數(shù)驅(qū)動的，修改后模型和圖紙更新可以同步完成。

5 結(jié)論

針對船用低速柴油機焊接機架的結(jié)構(gòu)和加工特點，利用UG/WAVE技術(shù)實現(xiàn)了自頂向下的設計流程，在頂層主草圖文件中定義總體框架，在底層零件中完成詳細設計，通過主草圖的更新來實現(xiàn)零部件模型及圖紙的同步更新。

本方法為復雜焊接裝配件的參數(shù)化建模提供了技術(shù)思路，不僅可以有效保證產(chǎn)品模型的可靠性，還可以縮短產(chǎn)品的設計時間，提高產(chǎn)品開發(fā)的效率。