姚玉欣，李孝連，李濤濤

(1. 中船動(dòng)力研究院有限公司，上海 201206；2. 上海柴油機(jī)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(jī)、車(chē)輛、工程機(jī)械等制造行業(yè)廣泛采用焊接結(jié)構(gòu)，這是機(jī)械制造工藝發(fā)展的重要趨勢(shì)。在一些工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，焊接結(jié)構(gòu)件已占機(jī)械部件的40%左右。由于焊接件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、制造周期短、成本低、經(jīng)濟(jì)效益好，焊接結(jié)構(gòu)件將越來(lái)越多地替代鑄造件和鍛造件，成為重要大型設(shè)備的關(guān)鍵部件[1]。因此，研究船用低速柴油機(jī)焊接機(jī)架的參數(shù)化設(shè)計(jì)及簡(jiǎn)化零部件的建模，可提高設(shè)計(jì)效率，降低設(shè)計(jì)成本，為企業(yè)帶來(lái)更多的經(jīng)濟(jì)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(kāi)發(fā)的綜合軟件，為船用柴油機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造全過(guò)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(duì)焊接機(jī)架進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。UG/WAVE技術(shù)是參數(shù)關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)，將參數(shù)化造型及系統(tǒng)工程有機(jī)地融為一體，通過(guò)在裝配件的某一個(gè)組件中引用其他組件的幾何對(duì)象(如草圖、基準(zhǔn)、曲線、面、實(shí)體等)形成鏈接，以這些鏈接作為新的特征來(lái)進(jìn)行當(dāng)前零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或者定位，這樣就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)裝配件中各個(gè)組件之間的幾何關(guān)聯(lián)。在設(shè)計(jì)時(shí)，以樹(shù)狀層級(jí)關(guān)系來(lái)描述產(chǎn)品模型之間的關(guān)聯(lián)。在裝配的頂層定義設(shè)計(jì)框架、總體尺寸及零件布局，而在底層進(jìn)行零件的詳細(xì)設(shè)計(jì)。這樣允許設(shè)計(jì)者在高層產(chǎn)品設(shè)計(jì)發(fā)生變化時(shí)自動(dòng)更新底層零件[2]，實(shí)現(xiàn)上層總體設(shè)計(jì)和下層細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)的并行。當(dāng)產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)完成后，對(duì)于結(jié)構(gòu)相似的產(chǎn)品，只需要在表達(dá)式中修改相應(yīng)的參數(shù)，便可快速生成滿足設(shè)計(jì)要求的模型，大幅度提高設(shè)計(jì)效率。

2 船用低速柴油機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

船用柴油機(jī)在結(jié)構(gòu)上都比較相似，主要固定機(jī)件有機(jī)座、機(jī)架和氣缸體，稱之為三大件。機(jī)架坐落于機(jī)座上部，與機(jī)座形成曲柄回轉(zhuǎn)空間(曲柄箱)；機(jī)架上端支撐氣缸體，與氣缸體形成活塞連桿的運(yùn)動(dòng)空間。由此可見(jiàn)，機(jī)架作為受力為主的部件，需要有足夠的強(qiáng)度和剛度。船用柴油機(jī)機(jī)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(jiǎn)單，也改善了曲柄箱的密封性。圖1是某型船用低速柴油機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)。

圖1 某型船用低速柴油機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)

3 焊接機(jī)架結(jié)構(gòu)分析

采用UG/WAVE技術(shù)進(jìn)行建模前，必須首先分析機(jī)架產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，從而建立合適的焊接加工關(guān)系。焊接機(jī)架從制造過(guò)程角度分析，可分為5個(gè)階段。(1)零件毛坯落料：焊接前加工準(zhǔn)備；(2)中間體子部件焊接：將大導(dǎo)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(jī)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(jī)架；(5)機(jī)架焊后加工：整副機(jī)架去除最后的余量，加工上下平面、側(cè)板法蘭面等。

焊接機(jī)架制造可分為3個(gè)步驟：零件毛坯加工、機(jī)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(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于零件種類(lèi)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(dǎo)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(huì)不相同。因此考慮到機(jī)架的復(fù)雜性，本方法采用主草圖文件和UG/WAVE鏈接的方式(見(jiàn)圖2)：建立不同加工狀態(tài)下相互關(guān)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(shí)體，以減少后續(xù)設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)體特征的操作，確保在初始設(shè)計(jì)階段就能對(duì)機(jī)架整體和零件詳細(xì)設(shè)計(jì)有統(tǒng)一的把握，實(shí)現(xiàn)焊接機(jī)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(guān)聯(lián)。

圖2 焊接機(jī)架設(shè)計(jì)流程示意

4 焊接機(jī)架的參數(shù)化設(shè)計(jì)

4.1 總體框架搭建

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

圖3 框架草圖與參數(shù)表達(dá)式

4.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.2.1 零件設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)零件毛坯落料狀態(tài)下的實(shí)體。原則是，先建立主體特征，然后在主特征基礎(chǔ)上對(duì)孔、倒角等其他輔助特征進(jìn)行建模，再使用提升體的操作創(chuàng)建不同狀態(tài)的焊接準(zhǔn)備特征處理(如需要)，并導(dǎo)入不同圖層和引用集。通常，將裝配模型實(shí)體導(dǎo)入圖層1，第1層焊接準(zhǔn)備實(shí)體導(dǎo)入圖層2，第2層焊接準(zhǔn)備實(shí)體導(dǎo)入圖層3。在相應(yīng)的加工或者焊接模型中，只需要調(diào)用相應(yīng)的引用集并顯示對(duì)應(yīng)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(dá)式來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。部件間表達(dá)式可以利用一個(gè)部件中的某個(gè)表達(dá)式定義另一個(gè)部件中的某個(gè)表達(dá)式。因此，通過(guò)部件間表達(dá)式可以實(shí)現(xiàn)同一個(gè)裝配模型中不同部件的特定結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)。依據(jù)在頂層設(shè)置的以缸數(shù)和缸心距為基本參數(shù)的表達(dá)式，建立相同組件陣列所需的與缸數(shù)和缸心距相關(guān)聯(lián)的參數(shù)表達(dá)式。這樣在頂層修改缸數(shù)或者缸心距的數(shù)值時(shí)，相同組件陣列的數(shù)量和位置就會(huì)改變。方便后續(xù)設(shè)計(jì)類(lèi)似結(jié)構(gòu)的機(jī)架，只需改動(dòng)相應(yīng)的參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)組件數(shù)量和位置的變動(dòng)。

運(yùn)用部件間表達(dá)式鏈接，可以對(duì)所有特征都建立起部件間的關(guān)聯(lián)，但是應(yīng)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(dá)式關(guān)聯(lián)均以缸數(shù)和缸心距為基本參數(shù)，即所有表達(dá)式均關(guān)聯(lián)缸數(shù)或缸心距參數(shù)。

4.2.3 零件位置的表達(dá)式if函數(shù)控制

機(jī)架的側(cè)板結(jié)構(gòu)通常為左右鏡像對(duì)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(duì)稱布置。為了用同一個(gè)參數(shù)化模型來(lái)分別表達(dá)左側(cè)和右側(cè)平板，隨時(shí)實(shí)現(xiàn)平板的左右轉(zhuǎn)換，這里引入了一個(gè)控制旋向的表達(dá)式：mirroring=1或0[3]，將其嵌入相應(yīng)的草圖表達(dá)式中，結(jié)合部件間的表達(dá)式鏈接和UG自帶的if函數(shù)，只需修改表達(dá)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(jī)架的機(jī)加工設(shè)計(jì)

機(jī)架焊接完成后，進(jìn)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(gè)焊接機(jī)架由幾百個(gè)零件焊接而成，也就意味有幾百個(gè)鏈接體。為了快速地識(shí)別不同鏈接體及后續(xù)鏈接體的加工，對(duì)鏈接體進(jìn)行分類(lèi)就顯得格外的重要。

首先，按照需加工和無(wú)需加工分類(lèi)，將無(wú)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(jìn)行分類(lèi)。如十字頭滑塊軌道的加工，托架支撐面的加工，機(jī)架頂、底平面的加工，機(jī)架自由端、驅(qū)動(dòng)端平面的加工。最后，根據(jù)分類(lèi)完成相應(yīng)零件鏈接體部分的機(jī)加工操作。機(jī)架加工鏈接體分類(lèi)的樹(shù)狀層級(jí)詳見(jiàn)圖4。不僅樹(shù)狀層級(jí)結(jié)構(gòu)清晰，而且分類(lèi)鏈接體加工操作簡(jiǎn)單，也方便后續(xù)零件的替換和加工的改動(dòng)。

圖4 機(jī)架加工鏈接體分類(lèi)的樹(shù)狀層級(jí)

4.3 焊接機(jī)架的設(shè)計(jì)調(diào)整

UG/WAVE技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜裝配件的調(diào)節(jié)，修改總體框架草圖表達(dá)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(duì)于WAVE的實(shí)體父項(xiàng)能實(shí)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(dòng)的，修改后模型和圖紙更新可以同步完成。

5 結(jié)論

針對(duì)船用低速柴油機(jī)焊接機(jī)架的結(jié)構(gòu)和加工特點(diǎn)，利用UG/WAVE技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自頂向下的設(shè)計(jì)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(xì)設(shè)計(jì)，通過(guò)主草圖的更新來(lái)實(shí)現(xiàn)零部件模型及圖紙的同步更新。

本方法為復(fù)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(shè)計(jì)時(shí)間，提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的效率。