劉 芳

我公司設(shè)計(jì)部門截止目前仍然以二維采用AutoCAD軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主要工具手段，對(duì)于象地下卷取機(jī)配管等復(fù)雜三維空間設(shè)計(jì)任務(wù)來說，設(shè)計(jì)難度仍然很大，在設(shè)計(jì)過程中既要考慮各個(gè)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(cuò)位等問題，設(shè)計(jì)的差錯(cuò)率始終居高不下。同時(shí)由于管路極其復(fù)雜，對(duì)于直徑較小的管路，設(shè)計(jì)人員往往只能用實(shí)線表示，以基準(zhǔn)尺寸標(biāo)注管路長(zhǎng)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(jì)算長(zhǎng)度，不僅延長(zhǎng)管路的預(yù)制周期，降低配管工作效率，而且差錯(cuò)率上升，原材料浪費(fèi)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(jìn)SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件做為輔助設(shè)計(jì)及生產(chǎn)手段，以提高配管準(zhǔn)確率，減少浪費(fèi)。

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(shí)體，并對(duì)實(shí)體進(jìn)行加工，模擬現(xiàn)實(shí)的機(jī)械加工方法，使用戶在設(shè)計(jì)制作產(chǎn)品時(shí)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(jì)。

1 管路建模

在軋機(jī)及卷取機(jī)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(jì)過程中出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，同時(shí)管路預(yù)制及裝配工作量大且容易出錯(cuò)，因此在從設(shè)計(jì)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(shí)體，這一增加的中間環(huán)節(jié)不但可以幫助檢查設(shè)計(jì)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(cuò)誤。

圖1 卷取機(jī)三維建模

以卷取機(jī)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(zhǔn)平面及各部分的配合關(guān)系，將各零部件按圖紙進(jìn)行裝配，組成簡(jiǎn)單的卷取機(jī)模型（見圖1）。創(chuàng)建管路三維模型，并按原設(shè)計(jì)圖紙的裝配關(guān)系及基準(zhǔn)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(zhǎng)短和走向，檢察管路間的干涉及錯(cuò)位現(xiàn)象，同時(shí)保證不影響使用及產(chǎn)品美觀。尤其對(duì)于設(shè)備中的液壓閥組，最初是由設(shè)計(jì)人員提出液壓閥組的技術(shù)協(xié)議，由采購(gòu)人員按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行購(gòu)買。而閥組的采購(gòu)周期比較長(zhǎng)，往往與設(shè)計(jì)過程同步進(jìn)行，為不影響產(chǎn)品進(jìn)度，實(shí)際生產(chǎn)中不可能等到液壓閥組設(shè)計(jì)完成后再將圖紙投入生產(chǎn)，所以最終進(jìn)行裝配時(shí)，待裝配的液壓閥組與設(shè)計(jì)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(cuò)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(jì)圖紙直接進(jìn)行管路預(yù)制，不僅增加了液壓管路的錯(cuò)誤幾率，也會(huì)影響到其它管路的走向問題，造成極大的浪費(fèi)。而在配管預(yù)制前液壓閥組供貨廠家的閥組設(shè)計(jì)往往已基本完成，此時(shí)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(jìn)行調(diào)整，就會(huì)極大的減少錯(cuò)誤率，也可提高設(shè)計(jì)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(biāo)注管徑及長(zhǎng)度，指出焊接法蘭、接頭或彎頭的位置、規(guī)格等。因?yàn)镾olidWorks的工程圖與三維模型本身存在關(guān)聯(lián)，故在對(duì)三維管路模型進(jìn)行各種修改時(shí)，工程圖也會(huì)隨之進(jìn)行同步改動(dòng)，這樣就避免了以往因改圖不徹底造成的錯(cuò)誤。這種管路工程圖上同時(shí)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(cuò)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(chǎng)進(jìn)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(jī)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(jìn)行卷曲、折彎或焊接制造加工成形。鈑金件在加工制作時(shí)，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(shí)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(zhǔn)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(jì)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(dāng)應(yīng)用于厚度較大或精度較高的板材時(shí)，即需要充分考慮板厚、展開長(zhǎng)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(jì)要求。面對(duì)這種情況即便擁有豐富的放樣經(jīng)驗(yàn)的工人也必須經(jīng)過多次反復(fù)試驗(yàn)才能成功，由此將造成嚴(yán)重的浪費(fèi)，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(jì)功能很強(qiáng)大，任何復(fù)雜的鈑金特征都能通過簡(jiǎn)單操作完成，可自動(dòng)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(zhǔn)確性。

以水電站座環(huán)為例（見圖2），我公司首次生產(chǎn)此項(xiàng)產(chǎn)品，對(duì)其工藝過程缺乏經(jīng)驗(yàn)，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(gè)點(diǎn)和每一條線都有非常明確的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，工作人員可以根據(jù)這些坐標(biāo)數(shù)據(jù)在下料模板上準(zhǔn)確的繪制出展開圖形，然后按照?qǐng)D形尺寸進(jìn)行切割以作為放樣的模板在下料時(shí)使用。三維建模不僅可以有效地指導(dǎo)下料，對(duì)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(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行安裝，故此次將整體座環(huán)建模，通過虛擬基準(zhǔn)點(diǎn)在座環(huán)表面找到某點(diǎn)的坐標(biāo)值進(jìn)行安裝。對(duì)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(jìn)行焊接。此項(xiàng)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(shí)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(shí)現(xiàn)輔助定位后，簡(jiǎn)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(yùn)動(dòng)模擬仿真動(dòng)畫

動(dòng)畫可以形象直觀地傳遞設(shè)計(jì)思想，是產(chǎn)品交流的最好工具。除應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)外，還可應(yīng)用于形象傳遞，市場(chǎng)宣傳。它形式多樣，可用于制作產(chǎn)品說明書，產(chǎn)品操作動(dòng)畫演示以及圖像色彩渲染等，在信息高速傳遞的今天，動(dòng)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(chǎng)合中，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜或新設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，往往無法依靠文字或圖表準(zhǔn)確描述其詳細(xì)結(jié)構(gòu)，但用可視化的三維動(dòng)態(tài)模型卻可以直觀展現(xiàn)產(chǎn)品的實(shí)際情況，使交流變得清晰、簡(jiǎn)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(yùn)動(dòng)過程記錄下來，生成產(chǎn)品的裝配、爆炸、運(yùn)動(dòng)過程的動(dòng)畫文件，同時(shí)也可以生成各部分的組合動(dòng)畫文件。動(dòng)畫文件可以清晰表現(xiàn)各部分零件間的配合關(guān)系，同時(shí)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(yùn)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(kù)、材質(zhì)庫(kù)和光源庫(kù)，通過產(chǎn)品材質(zhì)及燈光控制等的設(shè)置，增強(qiáng)視覺感染力，產(chǎn)生高質(zhì)量的動(dòng)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(dòng)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(jì)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(dòng)畫運(yùn)動(dòng)算例來模擬裝配體的運(yùn)動(dòng)。將零部件按與正常裝配的相反順序拆解開，保證動(dòng)畫最終演示的正確順序。在每個(gè)零部件的移動(dòng)軌跡的起始點(diǎn)和終到點(diǎn)之間插入時(shí)間幀，設(shè)定持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)度，即可實(shí)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(shí)間設(shè)置后便可以運(yùn)行動(dòng)畫，也可為運(yùn)動(dòng)算例單元生成設(shè)計(jì)庫(kù)文件夾在其它運(yùn)動(dòng)算例中使用。應(yīng)用三維動(dòng)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(chǎng)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(shí)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(yǔ)

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(jì)缺陷，同時(shí)可以輔助生產(chǎn)過程的有序進(jìn)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(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造是企業(yè)提高競(jìng)爭(zhēng)力的必要保證。