■ 何永堂張 霖

〔1恒天重工股份有限公司，河南鄭州450000〕

〔2鄭州棉麻工程技術(shù)設(shè)計(jì)研究所，河南鄭州450000〕

三維設(shè)計(jì)技術(shù)在軋花機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

■ 何永堂1張 霖2

〔1恒天重工股份有限公司，河南鄭州450000〕

〔2鄭州棉麻工程技術(shù)設(shè)計(jì)研究所，河南鄭州450000〕

軋花機(jī)三維設(shè)計(jì)的應(yīng)用，既提高了設(shè)計(jì)效率、設(shè)計(jì)質(zhì)量，也大大降低了設(shè)計(jì)錯(cuò)誤率，減少了生產(chǎn)過(guò)程中的退返修件的情況，縮短了加工生產(chǎn)周期，有效保證了設(shè)備的按時(shí)交貨，確保棉花加工企業(yè)在軋季順利開(kāi)車加工。

三維設(shè)計(jì)；軋花機(jī)

1 概述

棉花加工行業(yè)的特殊性，決定了棉花加工設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)要有快速的市場(chǎng)反應(yīng)機(jī)制，以適應(yīng)棉花加工企業(yè)的季節(jié)性生產(chǎn)要求。軋花機(jī)作為棉花加工生產(chǎn)流程中的核心設(shè)備，在設(shè)計(jì)過(guò)程中要科學(xué)、合理、快速、高效。結(jié)合當(dāng)前國(guó)際國(guó)內(nèi)機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)的發(fā)展，三維設(shè)計(jì)技術(shù)在軋花設(shè)備中的應(yīng)用成為必然。

2 設(shè)計(jì)理念

基于三維設(shè)計(jì)軟件的自頂向下設(shè)計(jì)是目前機(jī)械行業(yè)內(nèi)一種較為先進(jìn)的手段和方式。自頂向下設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思想就是在產(chǎn)品整機(jī)設(shè)計(jì)的最初階段，就定位在產(chǎn)品系統(tǒng)構(gòu)成的最高層面來(lái)考慮產(chǎn)品的總體設(shè)計(jì)和功能性設(shè)計(jì)。也就是說(shuō)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初，針對(duì)設(shè)計(jì)要求，綜合考慮構(gòu)成產(chǎn)品的各部分間的關(guān)系，在方案設(shè)計(jì)時(shí)將組成整機(jī)的部件作為系統(tǒng)的一個(gè)零件來(lái)考慮，確定產(chǎn)品的組成、相互關(guān)系、實(shí)現(xiàn)方式、主要參數(shù)及參數(shù)間的關(guān)系，以此建立所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的二維布局圖和三維骨架模型，通過(guò)給定的設(shè)計(jì)約束條件、關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)等設(shè)計(jì)信息，集中地捕捉產(chǎn)品整機(jī)設(shè)計(jì)意圖，形成設(shè)計(jì)的總體方案，然后在此基礎(chǔ)上分解設(shè)計(jì)目標(biāo)給分系統(tǒng)具體實(shí)施，分系統(tǒng)從上級(jí)系統(tǒng)獲得某些關(guān)鍵尺寸和定位基準(zhǔn)，并在上級(jí)系統(tǒng)確定的邊界內(nèi)開(kāi)展設(shè)計(jì)，最終完成總體性能最優(yōu)的設(shè)計(jì)。并能在以后的產(chǎn)品系列化設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)高效、快速的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

3 設(shè)計(jì)平臺(tái)

基于以上理念，在進(jìn)行基于Pro/E的軋花機(jī)三維設(shè)計(jì)之初，首先要建立相應(yīng)的基礎(chǔ)技術(shù)環(huán)境，例如：建立基于企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)模板，制訂相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范化規(guī)則，建立標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)、通用件庫(kù)、配套件庫(kù)等相關(guān)典型零件庫(kù)。

同時(shí)，采用Pro/Intralink作為產(chǎn)品并行設(shè)計(jì)平臺(tái)，以保證能夠流暢、科學(xué)、有效地開(kāi)展自頂向下的設(shè)計(jì)過(guò)程。

4 設(shè)計(jì)流程

針對(duì)軋花機(jī)，在運(yùn)用Pro/E進(jìn)行自頂向下設(shè)計(jì)時(shí)，首先要建立軋花機(jī)的總布局，在總布局中進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，確定產(chǎn)品控制的關(guān)鍵參數(shù)；其次建立軋花機(jī)的組件模型，定義產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，并向總布局提出參數(shù)共享聲明；再次建立整體結(jié)構(gòu)的骨架模型，進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)的三維規(guī)劃，利用關(guān)系使骨架的相關(guān)尺寸受到所定參數(shù)的控制；然后建立子組件模型，定義部件結(jié)構(gòu)，聲明總布局草圖參數(shù)，同時(shí)，建立子組件結(jié)構(gòu)骨架模型，進(jìn)行二級(jí)組件結(jié)構(gòu)的三維規(guī)劃；最后，按照所劃分的軋花機(jī)結(jié)構(gòu)展開(kāi)設(shè)計(jì)，建立各部分與總布局中參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系。利用此種方式進(jìn)行的產(chǎn)品設(shè)計(jì)可以通過(guò)參數(shù)的傳遞來(lái)傳達(dá)產(chǎn)品的整體設(shè)計(jì)意圖，保證設(shè)計(jì)信息的連貫性、正確性和統(tǒng)一性。

1.總布局圖。

根據(jù)軋花機(jī)結(jié)構(gòu)及其功能性特點(diǎn)，綜合考慮軋花機(jī)清花部分和軋花部分，結(jié)合市場(chǎng)需求及軋花機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，形成軋花機(jī)的設(shè)計(jì)方案草圖，即軋花機(jī)布局圖。此布局圖在繪制上不需要所有細(xì)節(jié)都有精確的零件輪廓尺寸及各零部件間的尺寸定位，只是著重表述軋花機(jī)結(jié)構(gòu)方案，只對(duì)重要部分進(jìn)行詳細(xì)要求和說(shuō)明。提煉出需要重點(diǎn)控制的參數(shù)，根據(jù)參數(shù)之間的關(guān)系，建立重要參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系式。

2.骨架模型。

依據(jù)以上所做的軋花機(jī)方案布局圖，利用點(diǎn)、線、面、基準(zhǔn)線、基準(zhǔn)點(diǎn)、基準(zhǔn)面、坐標(biāo)系等相關(guān)元素建立軋花機(jī)骨架模型。在建立骨架模型過(guò)程中，通過(guò)布局聲明，繼承布局圖中所定義的參數(shù)，將參數(shù)應(yīng)用到相應(yīng)的模型元素中。從一定意義上說(shuō)，骨架模型也可以視作為三維的布局方案圖。

3.數(shù)字模型。

布局圖和骨架模型的完成，標(biāo)志著產(chǎn)品第一階段方案的確定和完成。接下來(lái)要做的就是設(shè)計(jì)工程師依據(jù)設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人所完成的布局圖和骨架模型，進(jìn)行詳細(xì)的零部件設(shè)計(jì)。

在詳細(xì)設(shè)計(jì)之初，首先要通過(guò)幾何復(fù)制的方式，將骨架模型中的基準(zhǔn)幾何元素繼承過(guò)來(lái)，以此做為進(jìn)一步設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)和依據(jù)。當(dāng)然，也可以通過(guò)布局聲明，將布局中的參數(shù)聲明過(guò)來(lái)，讓這些參數(shù)與所設(shè)計(jì)的零部件具體參數(shù)尺寸產(chǎn)生一定的函數(shù)方程關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)的可控性。

5 設(shè)計(jì)分析

在三維數(shù)字化設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)之上，對(duì)清花部分中的刺釘輥、毛刷輥，軋花部分的鋸軸、肋條等關(guān)鍵部件、關(guān)鍵零件運(yùn)用仿真技術(shù)進(jìn)行分析研究，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)突破，同時(shí)也提高了設(shè)計(jì)技術(shù)含量。

運(yùn)用Pro/E自頂向下設(shè)計(jì)方法建立的軋花機(jī)三維虛擬樣機(jī)完成后，再利用Ansys對(duì)機(jī)架、滾筒、刺輥等主關(guān)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析計(jì)算；用Gambit建立風(fēng)流場(chǎng)模型；用Fluent對(duì)氣體場(chǎng)分布分析研究，分析軋花機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的氣流運(yùn)行情況；用Pro/E Mechanism進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、力平衡、動(dòng)力學(xué)分析。

在軋花機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，將分散的零部件設(shè)計(jì)和分析技術(shù)糅合在一起，在計(jì)算機(jī)上建造出軋花機(jī)的整體模型，并針對(duì)軋花機(jī)在投入使用后的各種工況進(jìn)行仿真分析，達(dá)到了改進(jìn)設(shè)計(jì)、提高軋花機(jī)整體性能的目的。

6 設(shè)計(jì)輸出

軋花機(jī)設(shè)計(jì)完成后，充分利用其三維設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，在鈑金加工生產(chǎn)線及數(shù)控加工中心上分別進(jìn)行了CAM技術(shù)實(shí)施。

另外，對(duì)于那些由傳統(tǒng)加工設(shè)備加工的零件，則仍需繪制出符合國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的二維工程圖。由于三維零件的關(guān)聯(lián)性，在充分保證三維數(shù)字樣機(jī)正確裝配的情況下，轉(zhuǎn)化后的零件尺寸是不會(huì)出現(xiàn)尺寸錯(cuò)誤或變動(dòng)的。因此，既提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量又縮短了生產(chǎn)周期。

7 優(yōu)勢(shì)分析

軋花機(jī)三維設(shè)計(jì)完成后，取得了較好的效果，總結(jié)起來(lái)有以下幾大特點(diǎn)。

1.并行設(shè)計(jì)平臺(tái)的運(yùn)用，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了一個(gè)快速有效的設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)協(xié)作環(huán)境。通過(guò)工程數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)傳遞交流，推動(dòng)設(shè)計(jì)小組的協(xié)作，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中方案資源的統(tǒng)一性、設(shè)計(jì)信息的共享性和設(shè)計(jì)結(jié)果的可控性，減少了設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。

2.通過(guò)參數(shù)設(shè)定和關(guān)系約束，在對(duì)軋花機(jī)改型時(shí)可以有效利用現(xiàn)有設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)系列化產(chǎn)品的快速改型、改進(jìn)設(shè)計(jì)，由此縮短設(shè)計(jì)周期，提升設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，規(guī)范化管理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

3.將產(chǎn)品設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人從繁重的零件設(shè)計(jì)工作中解脫出來(lái)，使設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人能夠?qū)⒕χ饕旁诋a(chǎn)品技術(shù)方案的設(shè)計(jì)規(guī)劃和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)上，拓展了設(shè)計(jì)師的思維。

4.有效簡(jiǎn)化了產(chǎn)品相互關(guān)系的管理，簡(jiǎn)化了用戶的信息管理工作，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)從概念到設(shè)計(jì)和制造等各種階段的管理。

5.革新了原有的圖檔管理工作，以版本控制來(lái)管理所有設(shè)計(jì)者對(duì)其設(shè)計(jì)工作所做的變化；實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程的信息化管理，通過(guò)權(quán)限設(shè)置，防止了無(wú)意識(shí)或未授權(quán)的修改；設(shè)計(jì)完成后，利用Pro/E三維模型和二維工程圖的相關(guān)性功能，在保證三維模型與二維圖紙的一致性的同時(shí)也提高了圖檔查詢的效率。

6.更加系統(tǒng)化、科學(xué)化地應(yīng)用公司設(shè)計(jì)資源，提高公司技術(shù)水平，使公司更快地適應(yīng)今后市場(chǎng)的發(fā)展要求，提高了企業(yè)敏捷響應(yīng)市場(chǎng)的能力。

8 小結(jié)

軋花機(jī)三維設(shè)計(jì)的應(yīng)用，既提高了設(shè)計(jì)效率、設(shè)計(jì)質(zhì)量，也大大降低了設(shè)計(jì)錯(cuò)誤率，減少了生產(chǎn)過(guò)程中的退返修件的情況，縮短了加工生產(chǎn)周期，有效保證了設(shè)備的按時(shí)交貨，確保棉花加工企業(yè)軋季的順利開(kāi)車加工。但是，以上三維技術(shù)的應(yīng)用還比較有限，并沒(méi)有完全發(fā)揮三維數(shù)字化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，要想真正實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)，還需要一系列相關(guān)軟硬件的配套，例如相應(yīng)的國(guó)家三維機(jī)械設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)，適應(yīng)CAM的加工設(shè)備的配備，配套件廠家的相應(yīng)技術(shù)等。所以，我們有理由相信，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，三維數(shù)字化設(shè)計(jì)將會(huì)給棉花加工設(shè)備制造企業(yè)帶來(lái)革命性的變化。