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冲瓶机的三维实体造型及参数化设计ysbg

1. 攻关的任务、考核目标及主要技术指标
1.1攻关的任务
  在国家轻工局科技司和轻工业CAD应用工程推广中心的支持下,我所作为应用工程技术推广与应用示范单位,成功的完成了1,2阶段的工作。第2阶段着重推广图档管理和三维CAD参数化设计,三维CAD参数化设计项目,主要以纯生啤酒灌装生产线的WGP24冲瓶灌装压盖机组的冲瓶机(回转头数90头)为基础,进行三维CAD参数化设计。成功的进行三维实体造型、三维CAD参数化及三维图转化为二维图设计。以90头作为三维CAD参数化设计的基准,生成了60头、120头、180头冲瓶机并转化成二维图形提供给用户。通过西安轻机所技术委员会对该项目的观摩,一致认为该项目的开发是比较成功的,为今后进行三维参数化设计打下良好的基础。
1.2冲瓶机的三维实体造型
  西安轻机所食品和包装机械工程部,为广东轻机二厂设计的2.4万瓶/小时纯生啤酒灌装生产线,是目前国内最大、具有独立知识产权、国内领先的包装生产线设备,是典型的光机电一体化设备。我们以WGP24无菌冲瓶灌装压盖机组的冲瓶机为三维CAD参数化设计的启动项目。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。
1. 3三维参数化设计
  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。
2.项目执行情况的评价
2.1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. 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。
2.3参数化设计
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。
2.4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。
2.5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。
3. 三维CAD参数化设计的成果转化和项目推广前景
3.1三维CAD参数化设计的成果论述
  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。
3.2三维CAD参数化设计的应用范例
  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。
3.3 经济效益分析
  冲瓶机是纯生啤酒无菌包装设备的关键设备之一,既可以联机使用,也可以配线单独使用。冲瓶机三维实体造型、三维CAD参数化及三维图转化为二维图设计成功,对我所推广三维CAD设计打下了好的基础,对于其它项目三维CAD设计做出了典范。从该项目的发展前途看,估计60头冲瓶机国内转让6家,转让费48.0万元,120头冲瓶机国内转让2家,转让费30.0万元,180头转让1家,转让费30.0万元,共计转让费108.0万元。
  4.计划制定和课题、专题设置的科学性和合理性的评估
  作为范例性的项目选题,从难易程度还是比较适中的,在短时间内能成功开发出冲瓶机的实体造型和参数化设计,为今后开发纯生啤酒包装线其它主要设备奠定了良好的基础和好的经验,使大规模开发三维CAD实体造型和参数化设计少走弯路。选择纯生啤酒无菌包装生产线进行参数化设计具有以下优势①纯生啤酒在我国刚开始起步,比普通啤酒具有味纯、营养价值高,是今后啤酒发展的方向。②纯生啤酒无菌包装生产线设备机构比较复杂、规范,不同产量的包装生产线设备大同小异,结构相同,尺寸不同,比较适合三维CAD参数化设计。③纯生啤酒无菌包装生产线三维CAD参数化设计在国内还是空白,优化设计潜力比较大,同时可以提高普通啤酒和饮料包装生产线设备的设计水平。
  5.经费决算和经费使用评价
  经费使用主要由设备购置和劳务费两部分组成,其中劳务费10.8万元,设备购置费14.1万元,其它费用2.9万元。
  劳务费,参加项目设计6人年,月工资人均1500.00元,共计10.8万元。
  设备购置,图挡管理软件7.00万元,三维软件2.00万元,服务器1台,2.3万元 ,计算机4台,2.8万元,共计14.1万元。
  管理费2.4万元(包括水电其它设备使用费)。
  差旅费0.5万元。
  项目总费用27.8万元。项目费用作到了专款专用,本着节省节约的原则,将有限的资金用于项目的开发上。
6.组织管理经验
  从项目选题开始,着重考虑项目的社会效益和经济效益,纯生啤酒比普通啤酒具有味纯、营养价值高,是今后啤酒发展的方向。
  实行项目组长负责制,由项目组长组织年富力强的设计人员进行项目的开发,项目专款专用,在资金比较紧张的情况,首先保证关键设备和软件的购买,使项目按期完成。
  项目推广责任制,由长期设计开发啤酒包装生产线的我所食品和包装机械工程部负责推广,是该项目产生社会效益和经济效益。
7.存在的问题
  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。
  7.1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。
  7.2 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。
  7.3 对凸轮、齿轮、螺钉、螺母、垫片等具体零件参数化的讨论。
  7.4由于项目资金所限,没有购买运动模块,不能进行三维的动态分析。

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