冲瓶机的三维实体造型及参数化设计

一. 项目来源

二. 项目分析
1. 冲瓶机的三维实体造型
　　现代化饮料生产多采用机械化包装。液态饮料常采用瓶作为包装容器。其包装工艺为：洗瓶——灌装——压盖——贴标——装箱。为了提高饮料的卫生和质量，我们在洗瓶机和灌装机之间加入冲瓶机，利用高压蒸馏水或双氧水对空瓶进行二次杀菌，以防止空瓶在由洗瓶机到灌装机的运输过程中细菌感染。由于90头冲瓶机的二维图纸已于前期设计完成，我们采用90头冲瓶机作为初始设计的形体，以形成对冲瓶机的系列化参数设计。则三维实体造型的任务主要有以下几点：
　　（1）参照二维零件图绘制三维零件图；
　　（2）参照二维装配图装配三维零件图；
　　（3）由于所选软件（SOLID EDGE）不含标准零件库，故需绘制三维标准件，诸如螺栓、螺钉、垫片、齿轮、发动机等。
2. 三维参数化设计
　　所谓参数化设计（Parametric Design），就是采用预定义的办法建立图形的几何约束集，指定一组尺寸作为参数与几何约束集相关联，并将所有的关联式融入到应用程序中，然后采用人机交互方式通过对话框修改参数尺寸，最终由程序根据这些参数顺序地执行表达式来实现的方法。通过参数化尺寸驱动完成对设计结果的修改。参数化设计不同于传统的设计，他存储了设计的整个过程，能设计出一簇而非单一的在形状和功能上具有相似性的产品模型。
　　参数化造型（Parameterized Modeling）使用约束来定义和修改几何模型，约束包括尺寸约束和工程约束，这些约束反映了设计时要考虑的因素。实现参数化的那组参数与这些约束保持一定的关系。首先保证初始设计的形体满足这些约束，当用户输入那组参数的新值时，无需在此建立约束关系而能获得一个新的几何模型。参数化模型的建立是实现参数化设计的关键。参数化建模是几何建模的一个发展方向，它可大大提高模型生成和修改的速度，是CAD/CAM/CAE的基础与核心。
三. 软件环境
　　自从1995年12月SOLID EDGE软件被推出以来，其强大的功能和友好易用的用户界面对高端和低端CAD系统带来了强劲挑战。而1998年初，Unigraphics Solutions公司并购SOLID EDGE。将其内核由Acis改为著名的PARASOLID内核。使其内部几何拓扑运算功能大为增强，并且避开了由于Acis在实体几何计算上处理圆角与薄壳的Bugs。将过去价钱昂贵且封闭的CAD系统提升到一个开放、易于使用且节约成本的软件框架。
　　SOLID EDGE 将零件造型、装配造型、钣金设计和工程图生成完整有机地结合在一起，并支持从二维图到三维图的转化，为设计人员提供了一个完全的三维建模设计系统。另外，SOLID EDGE是基于参数和特征实体造型的新一代机械设计CAD系统。专业设计人员完全可以利用参变数技术，完成几乎任何机械零件或装配件的造型，并且可以把SOLID EDGE特征保存在特征库内供以后使用。在SOLID EDGE6.0及以后的版本中加入了一种特殊的流技术，包括用户界面设计、软件结构和过程分析，它应用于产品开发周期的每一个阶段，使用逻辑推理和决策管理概念来支配工程时设计实体模型意图的过程。
四. 设计步骤
1. 基本零件造型
　　参照二维零件图利用填料、拉伸、旋转、扫出、层叠拉伸、倒角和薄壳等特征操作来生成基本三维形体，利用钻孔、起模、阵列、镜射等特征进行后期编辑形成所需要的三维实体 。零件模块的文件后缀为 .Par。
　　对于单个钣金模型，可用钣金模块进行设计。该模块含有一些特殊的钣金特征，可以很容易地生成各种钣金件并可以按照弯折余量对钣金件进行展开操作。钣金模量的文件后缀为 .Pam。
参照90头冲瓶机的二维图纸，针对所需绘制的三维标准件，诸如螺栓、螺钉、垫片、齿轮、发动机等，选择零件模块或钣金模块绘制标准件的三维图。
2. 零件装配
在装配环境下根据自下而上的原则装配零件、钣金件或标准件时，根据固定、匹配、对齐、插入、连接、角度等装配关系组合在一起形成装配件。之后，可在装配路径查找器中选择任意零件或钣金件进行查看、选择、删除或编辑。也可以在装配环境下按自上而下的装配方法设计生成零件。同时还可以制作装配件爆炸图、产生剖视图、进行干涉检查、生成AVI动画文件等。装配模块的文件后缀为 .Asm。
3. 参数化设计
　　首先，利用SOLID EDGE变量表的技术，针对一些关键尺寸建立数学关系式或特定的函数关系。只要改变关键尺寸，就可以得到形状和性能各异的零件，并通过零件簇的功能存储起来，以达到基于零件内部的参数化。
　　其次，针对冲瓶机五大部件（机械手、导轨、会转盘、分配器、机架）分别设定一些基本参数。建立每个部件的基本参数和其内部零件的关键尺寸及相关零件关键尺寸之间的关系式或特定的函数关系。只要改变每个部件的基本参数，就可以通过尺寸联动改变零件的关键尺寸，从而使整个部件的形状和性能发生变化，以达到基于部件内部的参数化。
　　最后，我们选择冲瓶机的头数作为单参数驱动整机联动。也就是建立各个部件基本参数与头数及各个部件基本参数之间的关系式或特定的函数关系。只要改变冲瓶机的头数，就可以通过尺寸联动改变部件的基本参数、零件的关键尺寸，使得冲瓶的整体形状发生变化，以达到整机的参数化。
4. 渲染
SOLID EDGE具有特殊效果的渲染造型包括彩色光源、阴影、背景图片、透明、反走样、反射、纹理和块映像。三种渲染选项包括隐藏线、Phong渲染和真正光线追踪。其渲染工具使你可以快速完成高质量的SOLID EDGE零件和装配件渲染功能。
5. 输出图形文件
　　在三维图本身图形打印的基础上，还可以在工程图模块中由三维零件或装配件自动生成二维视图。工程图模块中可以很方便的选择主视图的方位和所要生成的各个视图，诸如剖视图、局部放大视图、斜向视图等。在三维建模时所输入的尺寸可以自动反映到工程图当中。如果生成的是一个装配件的工程图，SOLID EDGE还可以自动生成明细表和零件序号。
　　在生成工程图之后，如果继续修改三维模型，SOLID EDGE会在工程途中给出一个提示，以表明此时工程图与三维模型不完全相关。如果需要还可以更新该工程图，当然也可以重新生成一个新的工程图。
SOLID EDGE可以轻松的读入Auto CAD的 .dxf和 .dwg文件以及其他几种常用的标准格式如 .igs .npf .dgn等。同样也得把自己的工程图文件保存为.dxf和 .dwg等格式的文件，并且在转换时可以设定相应的线性、线宽和颜色等参数。如果是装配件的工程图，还可以让各个的零件分布在不同的图层上，足以保证转换之后的可用性。或者直接转换成 .Bmp文档以方便以后查阅。
五. 注意事项及使用说明
　　所绘制的图形分别存储在两个文件夹（都在D盘）内。一个是实体造型，其内部存储有标准件图、零件图、部件图、总装图（部件图、总装图保存在名为‘装配图’的文件夹内）。因为部件图调用的是零件图中的零件，在部件图中存储有各个零件的相对位置，所以绝对不允许随意粘贴零件图、对图形进行更名，否则装配图不能正常显示。但可将整个文件夹进行整体粘贴。
　　另一个是参数化设计，也包括标准件图、零件图、部件图、总装图（部件图、总装图保存在名为‘装配图’的文件夹内）。零件图中存有关键尺寸及相关的其它零件关键尺寸、相关的其它部件基本参数的绝对地址及关系函数。部件图、总装图中也存有类似的信息。固所有图形位置绝对不可改变，也不可对图形进行更名。另外，还有一个名为‘参数化结果’的文件夹保存着参数化的结果。其中，文件夹‘bmp’保存着分配器、回转盘、机架分别以60头、90头、120头三种形式生成的 .Bmp文档（60头、120头是由90头经参数化生成的）。文件夹‘分配器’保存着由60头的三维立体图生成的二维图纸。
使用SOLID EDGE软件，在每次开及或重启动前需执行以下操作“开始 —→ 控制面板 —→ FLEXlm License Manager —→ Start —→ 确定”。
　　对分配器进行参数化，首先要的用Solid Edge Assembly打开“D:\参数化\装配图\分配器my”，打开“装配路径查找器”，选择分配器并激活；然后用Microsoft Excel打开“D:\参数化\装配图结果\界面”，在B1内输入你想要的头数，按下回车即可。
　　对会转盘进行参数化，首先要的用Solid Edge Assembly打开“D:\参数化\装配图\回转盘”，打开“装配路径查找器”，选择回转盘并激活；然后用Microsoft Excel打开“D:\参数化\装配图结果\界面”，在B2内输入你想要的头数，按下回车即可。
　　对机架进行参数化，首先要的用Solid Edge Assembly打开“D:\参数化\装配图\机架”，打开“装配路径查找器”，选择机架并激活；然后用Microsoft Excel打开“D:\参数化\装配图结果\界面”，在B3内输入你想要的头数，按下回车即可。
　　对分配器、回转盘、导轨整体进行参数化，首先要的用Solid Edge Assembly打开“D:\参数化\装配图\分配器、回转盘、导轨”，打开“装配路径查找器”，选择所有部件并激活；然后用Microsoft Excel打开“D:\参数化\装配图结果\界面”，在B1、B2、B3内输入B4的地址并在B4内输入你想要的头数，按下回车即可。
　　对整机进行参数化，首先要的用Solid Edge Assembly打开“D:\参数化\装配图\冲瓶机”，打开“装配路径查找器”，选择所有部件并激活；然后用Microsoft Excel打开“D:\参数化\装配图结果\界面”，在B1、B2、B3、B4内输入B5的地址并在B5内输入你想要的头数，按下回车即可。
六. 总结讨论
　　通过对有参数化设计形成的60头、120头、180头冲瓶机的整体分析，说明此次参数化设计基本上是成功的。在此，我们提出此项目以后可能的几个后续工作。
　　1. 此次设计是在冲瓶机整体结构不变、只改变尺寸的基础上产生的。下一步可以通过对冲瓶机机构的深入研究和市场调查，建立多参数化设计，使得随着头数的改变，冲瓶机的结构也发生变化，例如机架部分由四腿改称三腿支撑、机械手随瓶形发生变化等。
　　2. 对参数化本身进行研究，包括其类型、可行性、实现方法的研究。
　　3. 对凸轮、齿轮、螺钉、螺母、垫片等具体零件参数化的讨论。