輕工業(yè)CAD應(yīng)用工程技術(shù)推廣與應(yīng)用示范

1.項目基本情況
　　在國家輕工局科技司和輕工業(yè)CAD應(yīng)用工程推廣中心的支持下，我所作為應(yīng)用工程技術(shù)推廣與應(yīng)用示范單位，成功的完成了1，2階段的工作。第2階段著重推廣圖檔管理和三維CAD參數(shù)化設(shè)計，三維CAD參數(shù)化設(shè)計項目，主要以純生啤酒灌裝生產(chǎn)線的WGP24沖瓶灌裝壓蓋機(jī)組的沖瓶機(jī)（回轉(zhuǎn)頭數(shù)90頭）為基礎(chǔ)，進(jìn)行三維CAD參數(shù)化設(shè)計。成功的進(jìn)行三維實體造型、三維CAD參數(shù)化及三維圖轉(zhuǎn)化為二維圖設(shè)計。以90頭作為三維CAD參數(shù)化設(shè)計的基準(zhǔn)，生成了60頭、120頭、180頭沖瓶機(jī)并轉(zhuǎn)化成二維圖形提供給用戶。通過西安輕機(jī)所技術(shù)委員會對該項目的觀摩，一致認(rèn)為該項目的開發(fā)是比較成功的，為今后進(jìn)行三維參數(shù)化設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)。此次所完成的主要任務(wù)如表1-1。

1.1沖瓶機(jī)的三維實體造型
　　西安輕機(jī)所食品和包裝機(jī)械工程部，為廣東輕機(jī)二廠設(shè)計的2.4萬瓶/小時純生啤酒灌裝生產(chǎn)線，是目前國內(nèi)最大、具有獨立知識產(chǎn)權(quán)、國內(nèi)領(lǐng)先的包裝生產(chǎn)線設(shè)備，是典型的光機(jī)電一體化設(shè)備。我們以WGP24無菌沖瓶灌裝壓蓋機(jī)組的沖瓶機(jī)為三維CAD參數(shù)化設(shè)計的啟動項目。由于90頭沖瓶機(jī)的二維圖紙已于前期設(shè)計完成，我們采用90頭沖瓶機(jī)作為初始設(shè)計的形體，以形成對沖瓶機(jī)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；
　?。?）參照二維裝配圖裝配三維零件圖；
　?。?）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(jī)等。
1.2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?fù)溥\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(jī)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(jī)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(jī)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。
1. 3三維參數(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(jī)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(dá)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。
2.設(shè)計步驟
2.1基本零件造型
　　三維零件是由輪廓構(gòu)成的，設(shè)計三維零件的第一部工作就是先勾勒出零件的基本輪廓，然后參照二維零件圖在零件模塊中利用填料、拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃出、層疊拉伸、倒角和薄殼等特征建模命令來生成基本三維形體。在此模型的基礎(chǔ)上，利用鉆孔、起模、陣列、鏡射等特征建模命令進(jìn)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。
其中繪制輪廓需要在特定的參考面上，組合成零件的每一個特征的參考面都是不同的。Solid Edge提供了三種參考平面（基面、總體、局部）和以下幾種產(chǎn)生基準(zhǔn)面的方法：相同參考面、平行參考面、角度參考面、垂直參考面、與參考線垂直的參考面。
例如在已成型的模塊上需要打一圓孔，只需選擇模塊上需打孔的表面為繪制輪廓的參考面，在此參考面上繪制出一直徑為圓孔直徑的圓，并確定圓的相對位置，然后在成型模塊中輸入該圓孔的深度即可。
對于單個鈑金模型，可用鈑金模塊進(jìn)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(jìn)行展開操作。一般而言，首先生成鈑金基材，然后在該基材上運行一些編輯命令。例如增加一個凸緣、切除部分鈑料、做一個直角彎角、給凸緣加上圓角、增加螺紋孔、作部分展開、在展開部分切除方孔、恢復(fù)折彎、自動展開準(zhǔn)備下料等，以完成鈑金的設(shè)計。鈑金模量的文件后綴為 .Pam。
如對于沖壓件的設(shè)計，一般經(jīng)過以下幾步：生成基材——→添加直角彎邊——→結(jié)合兩邊角——→切除部分板料——→拉延——→翻邊——→插入折彎——→插入二次折彎——→切除部分板料——→開氣窗。
參照90頭沖瓶機(jī)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(jī)等，選擇零件模塊或鈑金模塊繪制標(biāo)準(zhǔn)件的三維圖。
2. 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(jìn)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(jìn)行干涉檢查、生成AVI動畫文件等。另外在裝配完成后，一般還應(yīng)輸入相關(guān)的設(shè)計信息，以方便以后的查詢、管理和報目表生成等工作。裝配模塊的文件后綴為 .Asm。
　　如果要裝配一個螺栓，首先在裝配視圖中調(diào)入該螺栓，然后選擇裝配關(guān)系為“插入”，選擇相對應(yīng)的同心軸和接觸面，單擊確定，即可完成螺栓的裝配。另外可以用顯示配置的方法在裝配某一部件時隱藏其他所有的零件，并把這一狀態(tài)存貯為一個顯示配置；之后在任何時想仔細(xì)查看該部件時，只需打開這個顯示配置，而無需隱藏其他零件即可顯示該部件。
　　在裝配環(huán)境中，“裝配路徑查找器”扮演著很重要的角色。它可完成的操作有：查看裝配件的裝配層次和結(jié)構(gòu)狀態(tài)；查看裝配件中各零件的狀態(tài)；選擇、刪除和編輯零部件；查看和刪除零件的裝配關(guān)系；編輯裝配關(guān)系里的固定偏移量；改變裝配關(guān)系的偏移類型；查看裝配所選取的表面。
　　Solid Edge還提供生成爆炸視圖功能，以方便我們觀察裝配好的部件是否符合要求，并可生成爆炸工程圖。爆炸圖形主要是依據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部保存的零件之間的裝配關(guān)系，將零件按空間相對位置進(jìn)行排列。生成爆炸工程圖的步驟為：進(jìn)入爆炸視圖環(huán)境——→選定要爆炸的零件——→選擇靜止零件——→調(diào)整爆炸方向——→調(diào)整爆炸距離——→設(shè)定顯示配置——→制作爆炸工程圖。
　　在裝配好沖瓶機(jī)的五大部件（機(jī)架、會轉(zhuǎn)盤、分配器、導(dǎo)軌、機(jī)械手）后，還應(yīng)該將該部件按照部件之間的關(guān)系裝配成整機(jī)。其相對關(guān)系如表1-2：

2.3參數(shù)化設(shè)計
　　在參數(shù)化設(shè)計中，必須要提到的是“變量表”。所謂變量表也就是列出零件尺寸的表格。因為在設(shè)計零件是，系統(tǒng)自動記錄每一個尺寸的數(shù)值，變量表把所有這些數(shù)值顯示出來。在變量表中了輸入新值，零件中對應(yīng)的尺寸自動更新，并自動變成新尺寸數(shù)值。通過這個變量表可隨時對已經(jīng)設(shè)計過的零件進(jìn)行編輯，同時也可在“Value”項中輸入尺寸見得方程式，實現(xiàn)尺寸聯(lián)動。另外，為了可以對特征進(jìn)行重復(fù)使用，可以利用特征庫工具，把零件或鈑金鐘的特征儲存在庫中。在以后使用是只需從庫中調(diào)用即可?；谠撥浖囊陨咸匦?，進(jìn)行參數(shù)化的步驟如下：
　　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(dá)到基于零件內(nèi)部的參數(shù)化。
　　其次，針對沖瓶機(jī)五大部件（機(jī)械手、導(dǎo)軌、回轉(zhuǎn)盤、分配器、機(jī)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(dá)到基于部件內(nèi)部的參數(shù)化。
　　最后，我們選擇沖瓶機(jī)的頭數(shù)作為單參數(shù)驅(qū)動整機(jī)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(jī)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(dá)到整機(jī)的參數(shù)化。
2.4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。所包括的功能卡片如下：
渲染卡片：可以設(shè)置透視選項、渲染方式選項、隱藏線選相等；
光線設(shè)置卡片：對于照亮裝配的8束光線，可單獨調(diào)整每個光源的角度、顏色和亮度；
背景圖像卡片：可以在裝配件的后面加上背景圖像；
反射卡片：可以調(diào)整裝配件六個面對應(yīng)的六幅圖像?？梢杂猛袆臃绞桨岩环鶊D像從一個面板拖到另一個面板上；
邊卡片：可以設(shè)置邊的線型、線寬、長度、顏色等；
面卡片：可以設(shè)置面的各種顏色；
紋理卡片：可以設(shè)置零件的紋理、背景色，紋理的坐標(biāo)單位、比例系數(shù)、偏離量、是否鏡像、旋轉(zhuǎn)角度、透明度；
外觀卡片：可設(shè)置零件的粗糙度、反射率、不透明度、折射率、是否投射陰影、是否接受其他裝配件的陰影。
2.5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，也可以手動標(biāo)注尺寸。
生成零件的工程圖一般經(jīng)過以下幾步：進(jìn)入工程圖環(huán)境——→設(shè)定圖紙和圖框——→設(shè)定投影方式——→調(diào)入目標(biāo)文件——→確定主俯視圖——→生成工程圖——→移動視圖的位置——→作斜向視圖——→生成局部放大視圖——→生成剖面圖——→修改視圖屬性——→自動標(biāo)注尺寸——→手動標(biāo)注尺寸——→尺寸文字的標(biāo)注與編輯——→表面粗糙度符號的標(biāo)注——→基準(zhǔn)符號的標(biāo)注——→形位公差的標(biāo)注。
　　對于鈑金件，在工程圖方面有一些特殊要求。例如在零件圖中要配上展開圖，以及要標(biāo)注折彎線等。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(xì)表和零件序號。
　　對于裝配圖的工程圖，生成方法與零件圖基本相同。還要補充編輯視圖屬性、生成剖視圖、零件番號和明細(xì)表的自動生成、技術(shù)要求的書寫等相關(guān)步驟。
　　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?；蛘咧苯愚D(zhuǎn)換成 .Bmp文檔以方便以后查閱。
3.三維CAD參數(shù)化設(shè)計的應(yīng)用
　　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(jìn)行更名，否則裝配圖不能正常顯示。但可將整個文件夾進(jìn)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(jìn)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jī)架進(jìn)行參數(shù)化，首先要的用Solid Edge Assembly打開“D:\參數(shù)化\裝配圖\機(jī)架”，打開“裝配路徑查找器”，選擇機(jī)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(jìn)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(jī)進(jìn)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(jī)”，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。
4.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(jī)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。
　　4.1此次設(shè)計是在沖瓶機(jī)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(jī)機(jī)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(jī)的結(jié)構(gòu)也發(fā)生變化，例如機(jī)架部分由四腿改稱三腿支撐、機(jī)械手隨瓶形發(fā)生變化等。
　　4.2 對參數(shù)化本身進(jìn)行研究，包括其類型、可行性、實現(xiàn)方法的研究。
特別是目前國內(nèi)尚未有正規(guī)的二位參數(shù)化軟件，現(xiàn)有的二位參數(shù)化軟件都是針對其自帶的圖形庫的部分參數(shù)化。希望開發(fā)出針對機(jī)械行業(yè)的二位參數(shù)化軟件。
　　4.3 對凸輪、齒輪、螺釘、螺母、墊片等具體零件三維參數(shù)化的討論。特別是凸輪的參數(shù)化，及齒輪的基圓尺寸發(fā)生變化時，齒數(shù)和齒型如何變化。