摘要 本文以噴射虹吸式坐便器為例,應(yīng)用三維設(shè)計(jì)軟件,介紹了復(fù)雜衛(wèi)生陶瓷潔具三維實(shí)體模型建模的基本過(guò)程和方法,為計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和快速制造技術(shù)在陶瓷制造行業(yè)的進(jìn)一步應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞 衛(wèi)生陶瓷潔具,坐便器,三維實(shí)體模型,建模
1概 述
陶瓷工業(yè)在我國(guó)有著悠久的歷史,是我國(guó)的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)之一。有關(guān)資料顯示[1~2],自1993年以來(lái),我國(guó)建筑陶瓷和衛(wèi)生陶瓷的總產(chǎn)量一直位居世界第一,已成為最大的陶瓷生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó),而且衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)品也開(kāi)始大量出口到國(guó)際市場(chǎng),增長(zhǎng)勢(shì)頭持續(xù)看好。
隨著生活水平的提高、現(xiàn)代家居裝飾的發(fā)展和審美觀念的不斷變化,人們已不滿足于衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)品單一的款式和結(jié)構(gòu),而提出了多樣化和個(gè)性化的要求。企業(yè)為了滿足市場(chǎng)需求,提高自身的競(jìng)爭(zhēng)力,取得良好的經(jīng)濟(jì)效益,就必須不斷地開(kāi)發(fā)出適銷對(duì)路的產(chǎn)品,并且縮短新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期,提高產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度。
但是,目前國(guó)內(nèi)陶瓷生產(chǎn)企業(yè)新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)卻還處于傳統(tǒng)的手工形式,從產(chǎn)品的外觀、結(jié)構(gòu)到質(zhì)量幾乎全部依賴于設(shè)計(jì)、制造人員的經(jīng)驗(yàn)和技巧,存在新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、開(kāi)發(fā)費(fèi)用高等問(wèn)題,不利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代和對(duì)市場(chǎng)的快速響應(yīng),與發(fā)達(dá)國(guó)家相比差距較大。
隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的迅速發(fā)展,以CAD/CAE/CAM/RP等技術(shù)為核心的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和先進(jìn)制造技術(shù),對(duì)制造行業(yè)產(chǎn)生了重大影響,已在多個(gè)領(lǐng)域有廣泛成熟的應(yīng)用,并取得了巨大成就。國(guó)內(nèi)不少高等院校和企業(yè)都在努力將這些現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和先進(jìn)制造技術(shù),應(yīng)用到傳統(tǒng)陶瓷行業(yè)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中[3~4]。特別是我國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的無(wú)模砂型快速制造技術(shù)的產(chǎn)生和相應(yīng)制造設(shè)備的研制成功,解決了衛(wèi)生陶瓷潔具產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中“手工制作石膏原胎?!焙臅r(shí)耗資巨大這一瓶頸,為快速制造技術(shù)在衛(wèi)生陶瓷潔具新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用,奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。
數(shù)字技術(shù)和快速制造技術(shù)在衛(wèi)生陶瓷潔具的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)應(yīng)用中,新產(chǎn)品的三維實(shí)體造型是基礎(chǔ),也貫穿著從外觀形狀、結(jié)構(gòu)形式到快速制造整個(gè)過(guò)程。雖然國(guó)內(nèi)部分衛(wèi)生陶瓷潔具生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)逐步開(kāi)始使用二維或三維CAD軟件,但也主要是制作產(chǎn)品的效果圖和安裝圖,產(chǎn)品的外觀形狀只求效果不求準(zhǔn)確,且產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式也大多沒(méi)有設(shè)計(jì),這樣的模型并不能滿足陶瓷潔具的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和快速制造技術(shù)的需求。
陶瓷潔具的種類繁多,如坐便器、蹲便器、小便器、浴缸、洗手盆等。與一般的機(jī)械產(chǎn)品相比,陶瓷潔具產(chǎn)品形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜且外形多變,除了標(biāo)準(zhǔn)的安裝尺寸和外部總體尺寸外,其余多為不規(guī)則曲面,因此產(chǎn)品的三維建模操作復(fù)雜且繁瑣,對(duì)設(shè)計(jì)人員的三維CAD軟件應(yīng)用水平要求較高。
本文以衛(wèi)生陶瓷潔具產(chǎn)品中形狀比較復(fù)雜的坐便器為例,介紹三維實(shí)體建模的基本方法和技巧。
2三維CAD軟件的選擇
計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,尤其是微機(jī)的性能和Windows技術(shù)的發(fā)展,使得基于微機(jī)和Windows操作系統(tǒng)的三維CAD軟件得到迅速發(fā)展和應(yīng)用。目前,國(guó)內(nèi)外用戶量比較大的三維設(shè)計(jì)軟件有SolidWorks軟件公司的SolidWorks軟件、PTC公司的Pro/Engineer軟件、EDS公司的UG軟件等。
本文使用SolidWorks軟件進(jìn)行坐便器的三維建模。SolidWorks軟件是三維設(shè)計(jì)軟件的主流產(chǎn)品之一,系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的、基于特征的實(shí)體建模功能和裝配設(shè)計(jì)功能,并且包含了多個(gè)高級(jí)曲面完全參數(shù)化的處理和過(guò)渡的功能,如混合過(guò)渡、剪裁、延伸和縫合等,從而能夠生成由復(fù)雜曲面產(chǎn)生的實(shí)體;另外,SolidWorks還提供了大量的底層API函數(shù),支持C++和VB等高效編程工具,從而能有效地建立產(chǎn)品的應(yīng)用方案,實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)的二次開(kāi)發(fā);更重要的是,SolidWorks與快速有限元分析軟件COSMOS/Works的無(wú)縫集成,能迅速地實(shí)現(xiàn)大規(guī)模復(fù)雜設(shè)計(jì)的分析和驗(yàn)證,如流體分析、熱分析、應(yīng)力、位移、失穩(wěn)等;這些功能不僅為三維實(shí)體建模提供了便利,更為以后潔具流道的流體分析以及建立衛(wèi)生陶瓷潔具的模件庫(kù)和軟件的二次開(kāi)發(fā)提供了優(yōu)越的條件。
3坐便器的三維實(shí)體建模
SolidWorks是一款功能強(qiáng)大的三維實(shí)體建模軟件,可以通過(guò)拉伸(Extrude)、旋轉(zhuǎn)(Revolve)、掃描(Sweep)、放樣(Loft)、切割(Cut)、抽殼(Shell)等三維特征造型功能,并結(jié)合曲面創(chuàng)建、剪裁、加厚以及多實(shí)體等一系列功能[5~6]建立坐便器的實(shí)體。在實(shí)體建模的過(guò)程中,一般先創(chuàng)建實(shí)體的主要形狀和結(jié)構(gòu),對(duì)于細(xì)節(jié)部分,如一般性圓角、小孔等,可待最后進(jìn)行修改和創(chuàng)建。
3.1外部形狀的成形
根據(jù)坐便器的設(shè)計(jì)尺寸,繪制草圖,然后利用拉伸、放樣功能,創(chuàng)建外部模型。由于外部形狀一般包含有復(fù)雜曲面,為了達(dá)到造型的設(shè)計(jì)要求,在放樣時(shí)可通過(guò)合適的引導(dǎo)線控制曲面的形成。外部模型的創(chuàng)建過(guò)程如圖1所示。
3.2水箱的成形
坐便器有水箱分離式和水箱一體式兩種。在此,以水箱一體式為例進(jìn)行說(shuō)明。水箱的結(jié)構(gòu)雖較簡(jiǎn)單,但為了外形美觀,其正前面通常設(shè)計(jì)成中部略為外凸的曲面,因此在建模時(shí)就不能使用拉伸特征。比較簡(jiǎn)單的方法是建立水箱底面和頂面草圖,在草圖中控制曲面左右方向的外凸量,建立引導(dǎo)線控制曲面上下方向的外凸量,然后放樣形成其特征。至于水箱的壁厚,可以在放樣時(shí)使用薄壁特征選項(xiàng),輸入壁厚一次成形,也可在水箱外形完成后,利用抽殼功能創(chuàng)建水箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。至于水箱背面和內(nèi)部的細(xì)部結(jié)構(gòu),可待以后創(chuàng)建。創(chuàng)建坐便器水箱的模型如圖2所示。
圖2 坐便器水箱的成形
3.3水盆的成形
坐便器的水盆形狀比較復(fù)雜,包括上圈、水盆、下坑三部分。它們的形狀不僅與坐便器的外形有關(guān),還直接影響沖洗效果,因此必須嚴(yán)格控制實(shí)體模型的形成。在此,通過(guò)一次拉伸切除和兩次放樣切除,依次形成這三部分,其中水盆部分由于表面面積較大,可采用多個(gè)截面草圖和引導(dǎo)線控制其形狀。水盆部分的成形過(guò)程如圖3所示。
3.4內(nèi)部空腔的成形
坐便器的外部形狀基本成形后,就可以利用抽殼特征來(lái)形成坐便器下面內(nèi)部的空腔。抽殼時(shí),可以根據(jù)實(shí)際情況,設(shè)置要去除的面,也可以對(duì)不同的面指定不同的抽殼厚度。內(nèi)部空腔形成后的效果如圖4所示。
圖4 內(nèi)腔的成形
3.5虹吸管的成形
目前的坐便器產(chǎn)品絕大多數(shù)都是虹吸式的。虹吸管的參數(shù)設(shè)計(jì),對(duì)沖水效果起著決定性的作用,影響著排污能力的強(qiáng)弱和耗水量的大小。在當(dāng)前坐便器沖洗過(guò)程的流體力學(xué)仿真還沒(méi)有完全成熟的情況下,虹吸管的參數(shù)還是以衛(wèi)生陶瓷潔具生產(chǎn)企業(yè)多年來(lái)在實(shí)際生產(chǎn)中摸索確定的參數(shù)為準(zhǔn)。虹吸管的三維成形可以利用掃描的功能,但是掃描的路徑一定要準(zhǔn)確,它影響著虹吸管的空間形狀,也影響著虹吸的效果。虹吸管成形后的效果如圖5所示。
圖5 虹吸管的成形
3.6主入水流道和主要筋板的成形
主入水流道是向上部水圈和下部噴射管輸水的通道??梢允褂美焯卣鱽?lái)形成流道。拉伸草圖可以設(shè)計(jì)成具有壁厚的截面直接拉伸,也可以只畫(huà)出的外部輪廓線,拉伸時(shí)利用薄壁特征,指定壁厚。需注意的是,為了使流道沿水流方向傾斜,拉伸方向應(yīng)該指定一個(gè)角度。主入水流道成形后的效果如圖6所示。主入水流道完成后,即可使用拉伸特征進(jìn)行主要筋板的設(shè)計(jì),其效果如圖7所示。
3.7噴射管的成形
虹吸式坐便器有一般虹吸式和噴射虹吸式兩種。噴射虹吸式坐便器的模型設(shè)計(jì)和成形工藝都較復(fù)雜。噴射管(又稱增壓管)內(nèi)壁的一部分由虹吸管的外表面、筋板表面、水盆和小坑底部表面組成,外部形狀也不規(guī)則,因此實(shí)體造型也較復(fù)雜。單純依靠實(shí)體特征對(duì)噴射管進(jìn)行建模比較困難,這時(shí)可以結(jié)合曲面功能,通過(guò)幾個(gè)曲面形成噴射管外表面,再利用曲面剪裁工具,將多余的曲面裁減掉,然后將曲面加厚形成實(shí)體。噴射管成形后的效果如圖8所示。
圖6 主入水流道的成形
圖7 主要筋板的成形
圖8 噴射管的成形
3.8水圈孔的成形
無(wú)論一般虹吸式還是噴射虹吸式坐便器,上圈下部都有一定數(shù)量并按一定方向傾斜的出水小孔,其中一般虹吸式坐便器還有若干個(gè)直徑較大的直孔。合理配置水圈孔,可以使下水量大,水流能形成強(qiáng)烈的漩渦以沖洗水盆內(nèi)壁。成形小孔時(shí),可以使用拉伸切除特征,但要控制小孔的傾斜方向,且傾斜方向必須一致(通常按順時(shí)針?lè)较颍K壮尚魏蟮男Ч鐖D9所示。
圖9 水圈孔的成形(剖視圖)
3.9其它局部細(xì)節(jié)的成形
當(dāng)坐便器的主要形狀和結(jié)構(gòu)建模完成后,就可以對(duì)局部細(xì)節(jié)進(jìn)行完善,如增加底板必要的筋板、倒圓角、開(kāi)孔等。最終完成的坐便器三維實(shí)體模型效果如圖10所示。
4結(jié) 束 語(yǔ)
通過(guò)上述噴射虹吸式坐便器三維實(shí)體建模的基本過(guò)程,展示了三維CAD軟件在復(fù)雜衛(wèi)生陶瓷潔具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。為了進(jìn)一步提高建模效率,并且充分發(fā)揮工人技師長(zhǎng)期積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),可以將各類潔具產(chǎn)品中尺寸基本不變和變化比較有規(guī)律的部分,設(shè)計(jì)成模件庫(kù),以供設(shè)計(jì)人員在開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品時(shí)調(diào)用;另外,應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)潔具的水道進(jìn)行可靠性較高的流體力學(xué)仿真,獲得水的流動(dòng)和污物的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,對(duì)沖水性能進(jìn)行預(yù)先評(píng)估,將會(huì)進(jìn)一步縮短新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的周期。
隨著以CAD/CAE/CAM/RP等技術(shù)為核心的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和快速制造技術(shù)的不斷成熟和在其它領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,這些技術(shù)必將在衛(wèi)生陶瓷潔具行業(yè)得到推廣應(yīng)用。采用三維實(shí)體設(shè)計(jì)、利用計(jì)算機(jī)仿真和使用快速制造技術(shù),將使復(fù)雜衛(wèi)生陶瓷潔具新產(chǎn)品的研發(fā)能力增強(qiáng)、開(kāi)發(fā)成本降低、開(kāi)發(fā)周期縮短、產(chǎn)品質(zhì)量提高、更新?lián)Q代加快,從而使生產(chǎn)企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中取得優(yōu)勢(shì),并推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和飛速發(fā)展,使我國(guó)從陶瓷生產(chǎn)的大國(guó),真正轉(zhuǎn)變成陶瓷生產(chǎn)的強(qiáng)國(guó)。
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