□ 吳 勇

中國石油集團濟柴動力有限公司成都分公司 成都 610100

1 研究背景

隨著壓縮機機型向大型、多列發(fā)展,曲軸箱、曲軸、氣缸、活塞等主要零部件的裝配質(zhì)量成為影響壓縮機使用壽命和使用性能的重要因素。在裝配過程中,掌握關(guān)鍵零部件的裝配技術(shù),可以避免壓縮機運行時發(fā)生故障,保證壓縮機處于正常工況,延長壓縮機的使用壽命。

裝配質(zhì)量是壓縮機生命周期中的重要環(huán)節(jié),壓縮機裝配占用超過40%的生產(chǎn)費用,裝配所需工時占壓縮機生產(chǎn)制造總工時的40%～60%,對于大型復(fù)雜壓縮機組而言,這個比例會更高。壓縮機裝配主要包括分裝、總裝、調(diào)試、檢驗、試驗等工作,在整個壓縮機制造過程中,裝配具有非常重要的作用。三維計算機輔助設(shè)計、制造軟件因自身強大的功能及相比傳統(tǒng)二維設(shè)計所具有的無法比擬的優(yōu)越性,被越來越多的企業(yè)應(yīng)用,提高了壓縮機的設(shè)計效率和生產(chǎn)加工的自動化水平。但是,由于壓縮機裝配環(huán)節(jié)與裝配工人的知識、經(jīng)驗關(guān)系密切,相比三維零件設(shè)計和加工的快速發(fā)展,三維裝配工藝規(guī)劃技術(shù)發(fā)展仍相對滯后。目前,壓縮機裝配工藝文件停留在計算機輔助設(shè)計配圖編制狀態(tài),裝配順序設(shè)計依賴于工程師以往的經(jīng)驗,工裝夾具的設(shè)計更是僅憑工程師的空間想象能力與經(jīng)驗,缺少可視化的設(shè)計與評估依據(jù),人機工程學(xué)在裝配過程中的應(yīng)用也是空白,制約了企業(yè)生產(chǎn)的自動化發(fā)展。

由此可見,進行可視化的裝配工藝規(guī)劃技術(shù)研究,提高產(chǎn)品的可裝配性,成為企業(yè)提高產(chǎn)品裝配生產(chǎn)效率,降低產(chǎn)品成本的迫切需要。筆者利用SolidWorks軟件對壓縮機曲軸箱進行建模和虛擬裝配,并利用Composer軟件對裝配過程進行動畫仿真,然后生成三維工藝文件,用以指導(dǎo)裝配生產(chǎn)。

2 三維建模

筆者以壓縮機曲軸箱為例,首先利用SolidWorks軟件對某機型曲軸箱各零件進行三維建模,并直接對各零件進行渲染,曲軸箱總成的各零件建模如圖1所示。SolidWorks軟件的所有模塊都是全相關(guān)的,在設(shè)計時對圖形中某一處進行修改,能夠擴展到整個設(shè)計中,同時自動更新所有的工程文檔,包括裝配體、設(shè)計圖紙及制造數(shù)據(jù)。全相關(guān)性允許在開發(fā)周期的任一點進行修改,卻沒有任何損失,并使設(shè)計并行工程成為可能,能夠使開發(fā)后期的一些功能提前發(fā)揮作用 。

SolidWorks軟件建模使用設(shè)計人員較為熟悉的特征作為產(chǎn)品幾何模型的構(gòu)造要素。這些特征是一些普通的機械對象,可以按預(yù)先設(shè)置很容易地進行修改。

曲軸箱零部件建模完成后,進行裝配。曲軸箱總成裝配體如圖2所示。依據(jù)設(shè)計好的裝配工藝流程,對產(chǎn)品裝配過程和拆卸過程進行三維動態(tài)仿真,驗證每個零件按設(shè)計的工藝順序是否能無阻礙地實現(xiàn)裝配。同時可通過動態(tài)干涉和縫隙檢查功能,評價產(chǎn)品設(shè)計的合理性,檢查裝配工藝規(guī)劃的可行性,幫助設(shè)計人員在產(chǎn)品設(shè)計早期發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計缺陷及裝配工藝設(shè)計缺陷,縮短設(shè)計周期。

▲圖1 曲軸箱總成各零件建模

▲圖2 曲軸箱總成裝配體

3 模型導(dǎo)入

Composer軟件可以幫助用戶利用三維計算機輔助設(shè)計數(shù)據(jù)創(chuàng)建能夠清晰有效呈現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的動態(tài)及圖形內(nèi)容。簡單而直觀的界面為用戶提供方便的工具,使用戶可以輕松地使用已完成的三維數(shù)據(jù),制作創(chuàng)新的三維互動市場營銷相關(guān)材料、產(chǎn)品手冊、裝配指令和培訓(xùn)材料。與此同時,使用Composer軟件可方便地創(chuàng)建零部件詳細視圖、交互式材料明細表和零件列表、高分辨率圖像、 技術(shù)圖解、交互式動畫,還可快速發(fā)布交互式頁面、光柵圖形、矢量線條圖、視頻。Composer軟件具有強大的數(shù)據(jù)交換功能,能夠直接將SolidWorks 軟件繪制的曲軸箱裝配體文件轉(zhuǎn)換為.smg格式文件,導(dǎo)人Composer軟件。

三維模型的導(dǎo)入在Composer軟件三維動畫創(chuàng)建過程中具有非常重要的作用,是使用動畫模塊進行三維創(chuàng)建的重要步驟 。啟動Composer軟件,進入工作環(huán)境。 在主菜單中選取“打開”選項,系統(tǒng)彈出如圖3所示“打開”對話框。在對話框中選取所需的模式,找到需要的文件,即可進入導(dǎo)入模式,進行模型的導(dǎo)入。由于創(chuàng)建三維動畫是此次使用 Composer軟件進行動畫仿真的主要目的,因此動畫模塊是最基本和最核心的模塊。

▲圖3 “打開”對話框

4 虛擬裝配與仿真動畫

曲軸箱機身部件裝配工藝流程如圖4所示。根據(jù)曲軸箱裝配工藝設(shè)計原則和要求,結(jié)合裝配曲軸箱及車間的實際條件,分析曲軸箱裝配的可行性工藝路線,從而設(shè)計出科學(xué)、經(jīng)濟、合理的裝配工藝路線。根據(jù)工序的劃分,在三維數(shù)字化環(huán)境下進行各工序的細節(jié)裝配過程設(shè)計,確定工序零部件的裝配順序,同時支持在三維環(huán)境中對裝配對象資源等進行三維標注,清晰表達工藝設(shè)計目標,準確傳遞工藝制造意圖。

仿真動畫是直接面向裝配工人的直觀演示裝配文件,以虛擬裝配工藝模型、裝配序列和路徑規(guī)劃、工藝腳本為基礎(chǔ),通過對零部件模型賦予運動自由度,對零部件運動路徑作約束處理,對零部件模型運動的類型和時間進行約束處理,定義裝配資源和操作語義信息等,在計算機仿真裝配環(huán)境中對產(chǎn)品實際裝配過程實現(xiàn)真實模擬。應(yīng)用仿真動畫使工藝人員可以直觀定量、定性分析每個工藝設(shè)計細節(jié),將以往大量在試制過程中驗證、優(yōu)化的設(shè)計結(jié)果提前在計算機仿真環(huán)境中模擬,不但可以提前發(fā)現(xiàn)問題,而且可以通過科學(xué)測量、可視化分析,設(shè)計出合理的改進方案。仿真動畫還使裝配工人更容易理解裝配工藝,減少了裝配過程中反復(fù)發(fā)生的人為差錯。

▲圖4 曲軸箱機身部件裝配工藝流程

將所有零件的不透明性設(shè)置為0,僅保留第一道工序所裝配零件的不透明性為255。調(diào)整至合適角度后,點擊設(shè)置關(guān)鍵幀及設(shè)置相機關(guān)鍵幀,實現(xiàn)曲軸箱裝配動畫制作。

將時間軸拖至1 s處,將所裝配零件裝配到位,點擊設(shè)置關(guān)鍵幀。制作所有工序裝配動畫,每個動作的時間間隔設(shè)置為2 s。待裝配零件出現(xiàn)時,將不透明性由0改為255,并將變化時間設(shè)置為2 s。需要轉(zhuǎn)換視角時,在轉(zhuǎn)換前一個動作完成時點擊設(shè)置相機關(guān)鍵幀,拖動時間軸至下1 s,轉(zhuǎn)換至合適視角后,再次點擊設(shè)置相機關(guān)鍵幀。Composer軟件提供了一些工具,用于為視圖添加標記、標注及測量角色 。這些工具包括箭頭、圖像、標簽、編號、尺寸等,統(tǒng)稱為協(xié)同角色,可以幫助設(shè)計人員在動畫顯示制作中更加準確地表述設(shè)計目的及意圖。

將文件另存為可執(zhí)行的.exe格式文件。這一文件占用空間小,占用系統(tǒng)資源少,不能直接修改,客戶端不需要安裝Composer軟件也可執(zhí)行這一文件。這一文件可實現(xiàn)按工序查看裝配內(nèi)容,將鼠標移至零件上會顯示零件號。編制零件明細文件,如圖5所示。

▲圖5 零件明細文件

可以直接點擊.exe格式文件進行裝配動畫播放,適用于工藝文件的管理及執(zhí)行。文件修訂時,可以從服務(wù)器重新下載,保持工藝文件為最新狀態(tài)。

5 結(jié)束語

筆者介紹了曲軸箱三維可視化工藝,利用三維立體裝配圖,將曲軸箱設(shè)計裝配工藝的信息以三維可視化圖形表現(xiàn)出來,可以使裝配工人以更直觀的方式了解產(chǎn)品的裝配關(guān)系,理解產(chǎn)品的裝配工藝和工藝流程。與以往裝配工藝方式相比,裝配工人減少了看二維圖紙和理解文字工藝流程的時間,減少了歧義,提高了裝配工作的準確率和效率。三維可視化工藝技術(shù)不僅將三維裝配工藝信息徹底傳遞至車間裝配現(xiàn)場,實現(xiàn)無紙化、數(shù)字化傳遞,而且將工藝設(shè)計和過程仿真的結(jié)果以數(shù)字化工作指令的形式傳遞至車間裝配現(xiàn)場,大大方便了裝配工人對所做工作的理解,降低了裝配工人出差錯的可能性。