沖瓶機的三維實體造型及參數(shù)化設(shè)計

一. 項目來源

二. 項目分析
1. 沖瓶機的三維實體造型
　　現(xiàn)代化飲料生產(chǎn)多采用機械化包裝。液態(tài)飲料常采用瓶作為包裝容器。其包裝工藝為：洗瓶——灌裝——壓蓋——貼標(biāo)——裝箱。為了提高飲料的衛(wèi)生和質(zhì)量，我們在洗瓶機和灌裝機之間加入沖瓶機，利用高壓蒸餾水或雙氧水對空瓶進行二次殺菌，以防止空瓶在由洗瓶機到灌裝機的運輸過程中細菌感染。由于90頭沖瓶機的二維圖紙已于前期設(shè)計完成，我們采用90頭沖瓶機作為初始設(shè)計的形體，以形成對沖瓶機的系列化參數(shù)設(shè)計。則三維實體造型的任務(wù)主要有以下幾點：
　　（1）參照二維零件圖繪制三維零件圖；
　　（2）參照二維裝配圖裝配三維零件圖；
　　（3）由于所選軟件（SOLID EDGE）不含標(biāo)準(zhǔn)零件庫，故需繪制三維標(biāo)準(zhǔn)件，諸如螺栓、螺釘、墊片、齒輪、發(fā)動機等。
2. 三維參數(shù)化設(shè)計
　　所謂參數(shù)化設(shè)計（Parametric Design），就是采用預(yù)定義的辦法建立圖形的幾何約束集，指定一組尺寸作為參數(shù)與幾何約束集相關(guān)聯(lián)，并將所有的關(guān)聯(lián)式融入到應(yīng)用程序中，然后采用人機交互方式通過對話框修改參數(shù)尺寸，最終由程序根據(jù)這些參數(shù)順序地執(zhí)行表達式來實現(xiàn)的方法。通過參數(shù)化尺寸驅(qū)動完成對設(shè)計結(jié)果的修改。參數(shù)化設(shè)計不同于傳統(tǒng)的設(shè)計，他存儲了設(shè)計的整個過程，能設(shè)計出一簇而非單一的在形狀和功能上具有相似性的產(chǎn)品模型。
　　參數(shù)化造型（Parameterized Modeling）使用約束來定義和修改幾何模型，約束包括尺寸約束和工程約束，這些約束反映了設(shè)計時要考慮的因素。實現(xiàn)參數(shù)化的那組參數(shù)與這些約束保持一定的關(guān)系。首先保證初始設(shè)計的形體滿足這些約束，當(dāng)用戶輸入那組參數(shù)的新值時，無需在此建立約束關(guān)系而能獲得一個新的幾何模型。參數(shù)化模型的建立是實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計的關(guān)鍵。參數(shù)化建模是幾何建模的一個發(fā)展方向，它可大大提高模型生成和修改的速度，是CAD/CAM/CAE的基礎(chǔ)與核心。
三. 軟件環(huán)境
　　自從1995年12月SOLID EDGE軟件被推出以來，其強大的功能和友好易用的用戶界面對高端和低端CAD系統(tǒng)帶來了強勁挑戰(zhàn)。而1998年初，Unigraphics Solutions公司并購SOLID EDGE。將其內(nèi)核由Acis改為著名的PARASOLID內(nèi)核。使其內(nèi)部幾何拓撲運算功能大為增強，并且避開了由于Acis在實體幾何計算上處理圓角與薄殼的Bugs。將過去價錢昂貴且封閉的CAD系統(tǒng)提升到一個開放、易于使用且節(jié)約成本的軟件框架。
　　SOLID EDGE 將零件造型、裝配造型、鈑金設(shè)計和工程圖生成完整有機地結(jié)合在一起，并支持從二維圖到三維圖的轉(zhuǎn)化，為設(shè)計人員提供了一個完全的三維建模設(shè)計系統(tǒng)。另外，SOLID EDGE是基于參數(shù)和特征實體造型的新一代機械設(shè)計CAD系統(tǒng)。專業(yè)設(shè)計人員完全可以利用參變數(shù)技術(shù)，完成幾乎任何機械零件或裝配件的造型，并且可以把SOLID EDGE特征保存在特征庫內(nèi)供以后使用。在SOLID EDGE6.0及以后的版本中加入了一種特殊的流技術(shù)，包括用戶界面設(shè)計、軟件結(jié)構(gòu)和過程分析，它應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)周期的每一個階段，使用邏輯推理和決策管理概念來支配工程時設(shè)計實體模型意圖的過程。
四. 設(shè)計步驟
1. 基本零件造型
　　參照二維零件圖利用填料、拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃出、層疊拉伸、倒角和薄殼等特征操作來生成基本三維形體，利用鉆孔、起模、陣列、鏡射等特征進行后期編輯形成所需要的三維實體 。零件模塊的文件后綴為 .Par。
　　對于單個鈑金模型，可用鈑金模塊進行設(shè)計。該模塊含有一些特殊的鈑金特征，可以很容易地生成各種鈑金件并可以按照彎折余量對鈑金件進行展開操作。鈑金模量的文件后綴為 .Pam。
參照90頭沖瓶機的二維圖紙，針對所需繪制的三維標(biāo)準(zhǔn)件，諸如螺栓、螺釘、墊片、齒輪、發(fā)動機等，選擇零件模塊或鈑金模塊繪制標(biāo)準(zhǔn)件的三維圖。
2. 零件裝配
在裝配環(huán)境下根據(jù)自下而上的原則裝配零件、鈑金件或標(biāo)準(zhǔn)件時，根據(jù)固定、匹配、對齊、插入、連接、角度等裝配關(guān)系組合在一起形成裝配件。之后，可在裝配路徑查找器中選擇任意零件或鈑金件進行查看、選擇、刪除或編輯。也可以在裝配環(huán)境下按自上而下的裝配方法設(shè)計生成零件。同時還可以制作裝配件爆炸圖、產(chǎn)生剖視圖、進行干涉檢查、生成AVI動畫文件等。裝配模塊的文件后綴為 .Asm。
3. 參數(shù)化設(shè)計
　　首先，利用SOLID EDGE變量表的技術(shù)，針對一些關(guān)鍵尺寸建立數(shù)學(xué)關(guān)系式或特定的函數(shù)關(guān)系。只要改變關(guān)鍵尺寸，就可以得到形狀和性能各異的零件，并通過零件簇的功能存儲起來，以達到基于零件內(nèi)部的參數(shù)化。
　　其次，針對沖瓶機五大部件（機械手、導(dǎo)軌、會轉(zhuǎn)盤、分配器、機架）分別設(shè)定一些基本參數(shù)。建立每個部件的基本參數(shù)和其內(nèi)部零件的關(guān)鍵尺寸及相關(guān)零件關(guān)鍵尺寸之間的關(guān)系式或特定的函數(shù)關(guān)系。只要改變每個部件的基本參數(shù)，就可以通過尺寸聯(lián)動改變零件的關(guān)鍵尺寸，從而使整個部件的形狀和性能發(fā)生變化，以達到基于部件內(nèi)部的參數(shù)化。
　　最后，我們選擇沖瓶機的頭數(shù)作為單參數(shù)驅(qū)動整機聯(lián)動。也就是建立各個部件基本參數(shù)與頭數(shù)及各個部件基本參數(shù)之間的關(guān)系式或特定的函數(shù)關(guān)系。只要改變沖瓶機的頭數(shù)，就可以通過尺寸聯(lián)動改變部件的基本參數(shù)、零件的關(guān)鍵尺寸，使得沖瓶的整體形狀發(fā)生變化，以達到整機的參數(shù)化。
4. 渲染
SOLID EDGE具有特殊效果的渲染造型包括彩色光源、陰影、背景圖片、透明、反走樣、反射、紋理和塊映像。三種渲染選項包括隱藏線、Phong渲染和真正光線追蹤。其渲染工具使你可以快速完成高質(zhì)量的SOLID EDGE零件和裝配件渲染功能。
5. 輸出圖形文件
　　在三維圖本身圖形打印的基礎(chǔ)上，還可以在工程圖模塊中由三維零件或裝配件自動生成二維視圖。工程圖模塊中可以很方便的選擇主視圖的方位和所要生成的各個視圖，諸如剖視圖、局部放大視圖、斜向視圖等。在三維建模時所輸入的尺寸可以自動反映到工程圖當(dāng)中。如果生成的是一個裝配件的工程圖，SOLID EDGE還可以自動生成明細表和零件序號。
　　在生成工程圖之后，如果繼續(xù)修改三維模型，SOLID EDGE會在工程途中給出一個提示，以表明此時工程圖與三維模型不完全相關(guān)。如果需要還可以更新該工程圖，當(dāng)然也可以重新生成一個新的工程圖。
SOLID EDGE可以輕松的讀入Auto CAD的 .dxf和 .dwg文件以及其他幾種常用的標(biāo)準(zhǔn)格式如 .igs .npf .dgn等。同樣也得把自己的工程圖文件保存為.dxf和 .dwg等格式的文件，并且在轉(zhuǎn)換時可以設(shè)定相應(yīng)的線性、線寬和顏色等參數(shù)。如果是裝配件的工程圖，還可以讓各個的零件分布在不同的圖層上，足以保證轉(zhuǎn)換之后的可用性。或者直接轉(zhuǎn)換成 .Bmp文檔以方便以后查閱。
五. 注意事項及使用說明
　　所繪制的圖形分別存儲在兩個文件夾（都在D盤）內(nèi)。一個是實體造型，其內(nèi)部存儲有標(biāo)準(zhǔn)件圖、零件圖、部件圖、總裝圖（部件圖、總裝圖保存在名為‘裝配圖’的文件夾內(nèi)）。因為部件圖調(diào)用的是零件圖中的零件，在部件圖中存儲有各個零件的相對位置，所以絕對不允許隨意粘貼零件圖、對圖形進行更名，否則裝配圖不能正常顯示。但可將整個文件夾進行整體粘貼。
　　另一個是參數(shù)化設(shè)計，也包括標(biāo)準(zhǔn)件圖、零件圖、部件圖、總裝圖（部件圖、總裝圖保存在名為‘裝配圖’的文件夾內(nèi)）。零件圖中存有關(guān)鍵尺寸及相關(guān)的其它零件關(guān)鍵尺寸、相關(guān)的其它部件基本參數(shù)的絕對地址及關(guān)系函數(shù)。部件圖、總裝圖中也存有類似的信息。固所有圖形位置絕對不可改變，也不可對圖形進行更名。另外，還有一個名為‘參數(shù)化結(jié)果’的文件夾保存著參數(shù)化的結(jié)果。其中，文件夾‘bmp’保存著分配器、回轉(zhuǎn)盤、機架分別以60頭、90頭、120頭三種形式生成的 .Bmp文檔（60頭、120頭是由90頭經(jīng)參數(shù)化生成的）。文件夾‘分配器’保存著由60頭的三維立體圖生成的二維圖紙。
使用SOLID EDGE軟件，在每次開及或重啟動前需執(zhí)行以下操作“開始 —→ 控制面板 —→ FLEXlm License Manager —→ Start —→ 確定”。
　　對分配器進行參數(shù)化，首先要的用Solid Edge Assembly打開“D:\參數(shù)化\裝配圖\分配器my”，打開“裝配路徑查找器”，選擇分配器并激活；然后用Microsoft Excel打開“D:\參數(shù)化\裝配圖結(jié)果\界面”，在B1內(nèi)輸入你想要的頭數(shù)，按下回車即可。
　　對會轉(zhuǎn)盤進行參數(shù)化，首先要的用Solid Edge Assembly打開“D:\參數(shù)化\裝配圖\回轉(zhuǎn)盤”，打開“裝配路徑查找器”，選擇回轉(zhuǎn)盤并激活；然后用Microsoft Excel打開“D:\參數(shù)化\裝配圖結(jié)果\界面”，在B2內(nèi)輸入你想要的頭數(shù)，按下回車即可。
　　對機架進行參數(shù)化，首先要的用Solid Edge Assembly打開“D:\參數(shù)化\裝配圖\機架”，打開“裝配路徑查找器”，選擇機架并激活；然后用Microsoft Excel打開“D:\參數(shù)化\裝配圖結(jié)果\界面”，在B3內(nèi)輸入你想要的頭數(shù)，按下回車即可。
　　對分配器、回轉(zhuǎn)盤、導(dǎo)軌整體進行參數(shù)化，首先要的用Solid Edge Assembly打開“D:\參數(shù)化\裝配圖\分配器、回轉(zhuǎn)盤、導(dǎo)軌”，打開“裝配路徑查找器”，選擇所有部件并激活；然后用Microsoft Excel打開“D:\參數(shù)化\裝配圖結(jié)果\界面”，在B1、B2、B3內(nèi)輸入B4的地址并在B4內(nèi)輸入你想要的頭數(shù)，按下回車即可。
　　對整機進行參數(shù)化，首先要的用Solid Edge Assembly打開“D:\參數(shù)化\裝配圖\沖瓶機”，打開“裝配路徑查找器”，選擇所有部件并激活；然后用Microsoft Excel打開“D:\參數(shù)化\裝配圖結(jié)果\界面”，在B1、B2、B3、B4內(nèi)輸入B5的地址并在B5內(nèi)輸入你想要的頭數(shù)，按下回車即可。
六. 總結(jié)討論
　　通過對有參數(shù)化設(shè)計形成的60頭、120頭、180頭沖瓶機的整體分析，說明此次參數(shù)化設(shè)計基本上是成功的。在此，我們提出此項目以后可能的幾個后續(xù)工作。
　　1. 此次設(shè)計是在沖瓶機整體結(jié)構(gòu)不變、只改變尺寸的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。下一步可以通過對沖瓶機機構(gòu)的深入研究和市場調(diào)查，建立多參數(shù)化設(shè)計，使得隨著頭數(shù)的改變，沖瓶機的結(jié)構(gòu)也發(fā)生變化，例如機架部分由四腿改稱三腿支撐、機械手隨瓶形發(fā)生變化等。
　　2. 對參數(shù)化本身進行研究，包括其類型、可行性、實現(xiàn)方法的研究。
　　3. 對凸輪、齒輪、螺釘、螺母、墊片等具體零件參數(shù)化的討論。