撰文/太原重工股份有限公司技術(shù)中心 李曉宏 宋麗陜西美德資訊有限公司 李鵬
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大規(guī)模整機裝配三維設(shè)計方法探討
撰文/太原重工股份有限公司技術(shù)中心李曉宏宋麗陜西美德資訊有限公司李鵬
重型機械產(chǎn)品的零件數(shù)大多在數(shù)萬件以上,其三維設(shè)計的裝配,由于計算機系統(tǒng)速度、內(nèi)存的限制,已不能沿用傳統(tǒng)方法,即所有零件全部裝入的模式,必須采用簡化其部件三維實體模型的方法實現(xiàn)。本文以三維軟件SolidWorks為例,逐一分析軟件的幾種部件模型簡化方法,論述其方法特點和適用范圍。并在典型部件上進行主要功能的對比測試,結(jié)合常規(guī)產(chǎn)品擠壓機、操作機及起重機整機裝配的應(yīng)用,推薦不同場合下的部件模型簡化模式,整機裝配方法并分析可能出現(xiàn)的問題及其解決辦法。
當(dāng)前,三維設(shè)計在機械零部件方面得到全面的應(yīng)用,開始向機、電、液一體的整機設(shè)計方向邁進,5000個零件左右規(guī)模的部件以起重機橋架、鍛壓機本體為代表達到成熟應(yīng)用的階段。但其工程圖生成時系統(tǒng)的速度滯后現(xiàn)象也開始出現(xiàn),打開文件、剖視圖生成等個別命令響應(yīng)速度達到4、5分鐘。在整機裝配時,零件個數(shù)達到萬件以上,死機、常用命令滯后一分鐘和打開文件半小時以上的現(xiàn)象十分普遍,使得絕大部分產(chǎn)品總裝無法執(zhí)行,只能分部件顯示或開始探索部件的簡化方法。顯然,有必要對軟件功能做全面的研究,探索一種新的整機裝配模式。
幾種部件基本的簡化方法如下:重新建立簡化模型;輕化方式裝配;另存為包含所有零部件的多實體零件;另存為包含外表面零部件的多實體零件;另存為包含外表面的多曲面實體零件;生成Speed Pak配置。以下逐一論述其方法特點和測試情況。
1.基本簡化方法的特點
(1)重新建立簡化模型。
一般以原有部件為基礎(chǔ),建立多實體零件,只保證安裝尺寸、外型尺寸和部分剖視圖的簡化建模,以便上一級裝配使用。公司現(xiàn)階段起重機的系列標(biāo)準件,全部采用了這一模式,具有以下特點:減少了打開文件的時間;模型穩(wěn)定性增強;不支持部件內(nèi)部的運動仿真;PDM管理時須外掛明細表。由于重建模型工作量較大,只適用于100個零件規(guī)模以下的部件。
(2)輕化方式裝配。
零件只有實體、曲面進入裝配,其草圖、方程式等設(shè)計參考壓縮以減少內(nèi)存的方法。以此為基礎(chǔ),屏蔽高精度的顯示、自動撲捉和自動更新等附屬功能,形成針對大裝配體的通用模式。這種方法簡單實用,支持干涉檢查、視圖生成等基本功能,是一種廣泛使用的裝配模式。其缺點是由于屏蔽了內(nèi)部方程式,不支持參數(shù)化設(shè)計;視圖標(biāo)注時若未屏蔽草圖,邊界有可能為草圖線,當(dāng)以大裝配模式打開,標(biāo)注出現(xiàn)對象丟失的現(xiàn)象。在5000個零件規(guī)模內(nèi)的部件,有較好的使用效果。
(3)另存為多實體零件。
包括所有零件的多實體零件、外表面零件的多實體零件和外表面的多曲面實體零件三種方式,操作方法簡單易行。它簡化了結(jié)構(gòu),提高了部件的保存、打開速度。前兩種方法對干涉檢查沒有影響,曲面模型則不能自動檢查,對視圖生成來說第一種方法沒有影響,后兩個剖視不正確或不能出剖視圖。主要缺點是其另存后的零件和原部件沒有相關(guān)性,設(shè)計變更后不能自動隨之改變。它適用于1000~10000個零件規(guī)模的部件簡化,擠壓機、工程機械等產(chǎn)品管路設(shè)計時一般用它處理機械設(shè)備模型。
(4)簡化配置Speed Pak。
簡化配置Speed Pak是一種針對發(fā)動機類大型復(fù)雜部件開發(fā)的簡化模式,它只提取大部件的配合面和簡化外表面進入上一級裝配,可極大地簡化模型,用它進行一般大型部件的簡化,可快速進行整機裝配,但不能進行直接的干涉檢查,工程圖自動化功能也較弱,只能出部分視圖,具體影響如表1所示。
表1
2.典型部件的測試
以包含鑄、焊和加工件的擠壓機本體,復(fù)雜機構(gòu)件發(fā)動機為典型代表,使用SolidWorks2011版本,在HPZ600工作站上進行測試。由于重建模型和輕化裝配已有較好的應(yīng)用,這里只作后幾種方法的測試。
(1)擠壓機本體的測試。
圖1所示為本體基本裝配體,共計零件數(shù)5123個,圖2為其不同方式的簡化模型,依次為多實體零件、外表面曲面零件、配合面加幻化外表面的Speed Pak、只有配合面的Speed Pak。速度、內(nèi)存方面的對比測試如表2所示。
圖1
圖2
表2
其內(nèi)存大約減少2~27倍、速度大約提高2~20倍。
(2)發(fā)動機的測試。
圖3所示為發(fā)動機的外表面多實體零件模型,實體個數(shù)501個,圖4為配合面加幻化外表面的Speed Pak、只有配合面的Speed Pak。速度、內(nèi)存方面的對比測試如表3、4所示。其內(nèi)存減少4~88倍、速度提高8~55倍。
圖3
圖4
表3
表4
對典型產(chǎn)品擠壓機、操作機及起重機的新方法整機裝配測試如下。
1.某型號臥式雙動擠壓機的總裝
一級部件壓機本體、管路系統(tǒng)和供錠器裝置了采用了簡化配置Speed Pak,其二級部件采用了存為多實體零件方式,在此基礎(chǔ)上進行了總裝,并生成了工程圖,如圖5所示。
圖5
實體方面速度縮短6倍,內(nèi)存減少6倍,實體操作無明顯滯后。
針對Speed Pak工程圖的弱點,剖視圖采用增加地基剖視實體配置、添加區(qū)域剖面線的方式生成。明細表在零件裝入基礎(chǔ)零件時生成,而不是在零件裝配完成后。序列號采用注釋方式而不是序列號方式生成。
2.180 噸操作機本體的總裝
對一級部件采用配合面加簡化外形(幻化表面)處理,形成Speed Pak配置,然后進行本體裝配,考慮機架為裝配基準,不作簡化處理,如圖6所示。速度、內(nèi)存方面的對比測試如表5所示。
圖6
表5
實體方面速度縮短8倍,內(nèi)存減少5倍,實體操作無明顯滯后。
工程圖方面主要是交替位置視圖無法生成,需用草圖手工繪制。
3.鑄造起重機的部件簡化處理和總裝
應(yīng)用Speed Pak對某型號鑄造起重機進行了一級部件的簡化,在此基礎(chǔ)上進行了總裝。圖7為主要部件的Speed Pak生成和總裝實體圖、工程圖。鑄造起重機新舊方法速度、內(nèi)存方面的對比測試如表6所示。
圖7
實體方面打開時間縮短7倍,內(nèi)存減少3倍,操作略有滯后。工程圖方面主要是明細表和序列號的自動標(biāo)注問題,現(xiàn)象同上。
表6
SolidWorks的大裝配功能雖然種類繁多,但分析其原理,大致可分為三類:首先是零部件實體不變、組織不變,僅改變零件的內(nèi)部關(guān)系是否進入內(nèi)存、顯示方式及屏蔽部分自動輔助功能的大型裝配體模式。其次是零件實體或外表面不變、組織結(jié)構(gòu)改變的方式,即大型部件存為零件。最后為零件實體、組織結(jié)構(gòu)完全改變的模式即簡化配置Speed Pak。其次,系統(tǒng)的預(yù)設(shè)值也有一定程度的影響。以下對系統(tǒng)設(shè)置及推薦簡化方法逐一敘述。
1.系統(tǒng)的預(yù)設(shè)值
這一部分包括操作系統(tǒng)的優(yōu)化、SolidWorks軟件的各種預(yù)設(shè)值、關(guān)閉附屬插件和增加虛擬內(nèi)存等,對這一部分的對比測試結(jié)果,速度提升大致在10%左右。
2.50~5000個零件規(guī)模的部件簡化
對50~5000個零件規(guī)模的部件而言,大型裝配體模式受到廣泛應(yīng)用,適用于一般機械零部件的設(shè)計。其使用方式和功能的影響詳見在軟件幫助文檔中有詳細描述。
3.1000~10000個零件規(guī)模的部件簡化
大型裝配體存為多實體零件,方法簡單,適用于1000~10000個零件規(guī)模的部件,一般在機械設(shè)計完成后,液壓、電氣設(shè)計時的機械部分作為基礎(chǔ)設(shè)備處理時采用,主要缺點是其多實體零件和原部件沒有相關(guān)性,不能自動隨之改變。
4.10000件以上零件規(guī)模的產(chǎn)品總裝
簡化配置Speed Pak極其有效,可快速進行整機裝配,但不能進行直接的干涉檢查,可能需要部分手工處理。
大裝配的速度問題,主要取決于三方面的因素:硬件、軟件和建模方法,以上討論了建模方法,這里介紹一下軟硬件方面的履帶吊測試情況。硬件方面對公司現(xiàn)有工作站(包括服務(wù)器)的各種機型在SolidWorks 2011作了某型號履帶吊全地面底盤的測試,效果不大,多CPU、內(nèi)存利用率很低,推測可能是軟件舊版本的算法并未考慮硬件的最新發(fā)展。軟件方面,以聯(lián)想工作站為平臺,對SolidWorks的2011版和2015版做了測試,內(nèi)存變化不大,打開速度提升一倍,多個操作速度提升10倍以上,如表7所示,可明顯看到SolidWorks新版本對大裝配處理的改善。
表7
從上述三臺典型產(chǎn)品的使用效果看,推薦方法可以順利實現(xiàn)上萬零件規(guī)模的三維模型實體總裝,但工程圖方面自動化功能減弱,需手工處理部分視圖和標(biāo)注。這對一般大型機械產(chǎn)品的設(shè)計具有通用性。