轻工业CAD应用工程技术推广与应用示范

1.项目基本情况
　　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。此次所完成的主要任务如表1-1。

1.1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。
1.2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。
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.设计步骤
2.1基本零件造型
　　三维零件是由轮廓构成的，设计三维零件的第一部工作就是先勾勒出零件的基本轮廓，然后参照二维零件图在零件模块中利用填料、拉伸、旋转、扫出、层叠拉伸、倒角和薄壳等特征建模命令来生成基本三维形体。在此模型的基础上，利用钻孔、起模、阵列、镜射等特征建模命令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。
其中绘制轮廓需要在特定的参考面上，组合成零件的每一个特征的参考面都是不同的。Solid Edge提供了三种参考平面（基面、总体、局部）和以下几种产生基准面的方法：相同参考面、平行参考面、角度参考面、垂直参考面、与参考线垂直的参考面。
例如在已成型的模块上需要打一圆孔，只需选择模块上需打孔的表面为绘制轮廓的参考面，在此参考面上绘制出一直径为圆孔直径的圆，并确定圆的相对位置，然后在成型模块中输入该圆孔的深度即可。
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。一般而言，首先生成钣金基材，然后在该基材上运行一些编辑命令。例如增加一个凸缘、切除部分钣料、做一个直角弯角、给凸缘加上圆角、增加螺纹孔、作部分展开、在展开部分切除方孔、恢复折弯、自动展开准备下料等，以完成钣金的设计。钣金模量的文件后缀为 .Pam。
如对于冲压件的设计，一般经过以下几步：生成基材——→添加直角弯边——→结合两边角——→切除部分板料——→拉延——→翻边——→插入折弯——→插入二次折弯——→切除部分板料——→开气窗。
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。另外在装配完成后，一般还应输入相关的设计信息，以方便以后的查询、管理和报目表生成等工作。装配模块的文件后缀为 .Asm。
　　如果要装配一个螺栓，首先在装配视图中调入该螺栓，然后选择装配关系为“插入”，选择相对应的同心轴和接触面，单击确定，即可完成螺栓的装配。另外可以用显示配置的方法在装配某一部件时隐藏其他所有的零件，并把这一状态存贮为一个显示配置；之后在任何时想仔细查看该部件时，只需打开这个显示配置，而无需隐藏其他零件即可显示该部件。
　　在装配环境中，“装配路径查找器”扮演着很重要的角色。它可完成的操作有：查看装配件的装配层次和结构状态；查看装配件中各零件的状态；选择、删除和编辑零部件；查看和删除零件的装配关系；编辑装配关系里的固定偏移量；改变装配关系的偏移类型；查看装配所选取的表面。
　　Solid Edge还提供生成爆炸视图功能，以方便我们观察装配好的部件是否符合要求，并可生成爆炸工程图。爆炸图形主要是依据系统内部保存的零件之间的装配关系，将零件按空间相对位置进行排列。生成爆炸工程图的步骤为：进入爆炸视图环境——→选定要爆炸的零件——→选择静止零件——→调整爆炸方向——→调整爆炸距离——→设定显示配置——→制作爆炸工程图。
　　在装配好冲瓶机的五大部件（机架、会转盘、分配器、导轨、机械手）后，还应该将该部件按照部件之间的关系装配成整机。其相对关系如表1-2：

2.3参数化设计
　　在参数化设计中，必须要提到的是“变量表”。所谓变量表也就是列出零件尺寸的表格。因为在设计零件是，系统自动记录每一个尺寸的数值，变量表把所有这些数值显示出来。在变量表中了输入新值，零件中对应的尺寸自动更新，并自动变成新尺寸数值。通过这个变量表可随时对已经设计过的零件进行编辑，同时也可在“Value”项中输入尺寸见得方程式，实现尺寸联动。另外，为了可以对特征进行重复使用，可以利用特征库工具，把零件或钣金钟的特征储存在库中。在以后使用是只需从库中调用即可。基于该软件的以上特性，进行参数化的步骤如下：
　　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、回转盘、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。所包括的功能卡片如下：
渲染卡片：可以设置透视选项、渲染方式选项、隐藏线选相等；
光线设置卡片：对于照亮装配的8束光线，可单独调整每个光源的角度、颜色和亮度；
背景图像卡片：可以在装配件的后面加上背景图像；
反射卡片：可以调整装配件六个面对应的六幅图像。可以用托动方式把一幅图像从一个面板拖到另一个面板上；
边卡片：可以设置边的线型、线宽、长度、颜色等；
面卡片：可以设置面的各种颜色；
纹理卡片：可以设置零件的纹理、背景色，纹理的坐标单位、比例系数、偏离量、是否镜像、旋转角度、透明度；
外观卡片：可设置零件的粗糙度、反射率、不透明度、折射率、是否投射阴影、是否接受其他装配件的阴影。
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，也可以手动标注尺寸。
生成零件的工程图一般经过以下几步：进入工程图环境——→设定图纸和图框——→设定投影方式——→调入目标文件——→确定主俯视图——→生成工程图——→移动视图的位置——→作斜向视图——→生成局部放大视图——→生成剖面图——→修改视图属性——→自动标注尺寸——→手动标注尺寸——→尺寸文字的标注与编辑——→表面粗糙度符号的标注——→基准符号的标注——→形位公差的标注。
　　对于钣金件，在工程图方面有一些特殊要求。例如在零件图中要配上展开图，以及要标注折弯线等。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。
　　对于装配图的工程图，生成方法与零件图基本相同。还要补充编辑视图属性、生成剖视图、零件番号和明细表的自动生成、技术要求的书写等相关步骤。
　　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参数化设计的应用
　　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。
4.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。
　　4.1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。
　　4.2 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。
特别是目前国内尚未有正规的二位参数化软件，现有的二位参数化软件都是针对其自带的图形库的部分参数化。希望开发出针对机械行业的二位参数化软件。
　　4.3 对凸轮、齿轮、螺钉、螺母、垫片等具体零件三维参数化的讨论。特别是凸轮的参数化，及齿轮的基圆尺寸发生变化时，齿数和齿型如何变化。