曲軸箱三維可視化工藝

□ 吳 勇

中國石油集團濟柴動力有限公司成都分公司 成都 610100

1 研究背景

隨著壓縮機機型向大型、多列發展,曲軸箱、曲軸、氣缸、活塞等主要零部件的裝配質量成為影響壓縮機使用壽命和使用性能的重要因素。在裝配過程中,掌握關鍵零部件的裝配技術,可以避免壓縮機運行時發生故障,保證壓縮機處于正常工況,延長壓縮機的使用壽命。

裝配質量是壓縮機生命周期中的重要環節,壓縮機裝配占用超過40%的生產費用,裝配所需工時占壓縮機生產制造總工時的40%～60%,對于大型復雜壓縮機組而言,這個比例會更高。壓縮機裝配主要包括分裝、總裝、調試、檢驗、試驗等工作,在整個壓縮機制造過程中,裝配具有非常重要的作用。三維計算機輔助設計、制造軟件因自身強大的功能及相比傳統二維設計所具有的無法比擬的優越性,被越來越多的企業應用,提高了壓縮機的設計效率和生產加工的自動化水平。但是,由于壓縮機裝配環節與裝配工人的知識、經驗關系密切,相比三維零件設計和加工的快速發展,三維裝配工藝規劃技術發展仍相對滯后。目前,壓縮機裝配工藝文件停留在計算機輔助設計配圖編制狀態,裝配順序設計依賴于工程師以往的經驗,工裝夾具的設計更是僅憑工程師的空間想象能力與經驗,缺少可視化的設計與評估依據,人機工程學在裝配過程中的應用也是空白,制約了企業生產的自動化發展。

由此可見,進行可視化的裝配工藝規劃技術研究,提高產品的可裝配性,成為企業提高產品裝配生產效率,降低產品成本的迫切需要。筆者利用SolidWorks軟件對壓縮機曲軸箱進行建模和虛擬裝配,并利用Composer軟件對裝配過程進行動畫仿真,然后生成三維工藝文件,用以指導裝配生產。

2 三維建模

筆者以壓縮機曲軸箱為例,首先利用SolidWorks軟件對某機型曲軸箱各零件進行三維建模,并直接對各零件進行渲染,曲軸箱總成的各零件建模如圖1所示。SolidWorks軟件的所有模塊都是全相關的,在設計時對圖形中某一處進行修改,能夠擴展到整個設計中,同時自動更新所有的工程文檔,包括裝配體、設計圖紙及制造數據。全相關性允許在開發周期的任一點進行修改,卻沒有任何損失,并使設計并行工程成為可能,能夠使開發后期的一些功能提前發揮作用 。

SolidWorks軟件建模使用設計人員較為熟悉的特征作為產品幾何模型的構造要素。這些特征是一些普通的機械對象,可以按預先設置很容易地進行修改。

曲軸箱零部件建模完成后,進行裝配。曲軸箱總成裝配體如圖2所示。依據設計好的裝配工藝流程,對產品裝配過程和拆卸過程進行三維動態仿真,驗證每個零件按設計的工藝順序是否能無阻礙地實現裝配。同時可通過動態干涉和縫隙檢查功能,評價產品設計的合理性,檢查裝配工藝規劃的可行性,幫助設計人員在產品設計早期發現產品設計缺陷及裝配工藝設計缺陷,縮短設計周期。

▲圖1 曲軸箱總成各零件建模

▲圖2 曲軸箱總成裝配體

3 模型導入

Composer軟件可以幫助用戶利用三維計算機輔助設計數據創建能夠清晰有效呈現復雜產品的動態及圖形內容。簡單而直觀的界面為用戶提供方便的工具,使用戶可以輕松地使用已完成的三維數據,制作創新的三維互動市場營銷相關材料、產品手冊、裝配指令和培訓材料。與此同時,使用Composer軟件可方便地創建零部件詳細視圖、交互式材料明細表和零件列表、高分辨率圖像、 技術圖解、交互式動畫,還可快速發布交互式頁面、光柵圖形、矢量線條圖、視頻。Composer軟件具有強大的數據交換功能,能夠直接將SolidWorks 軟件繪制的曲軸箱裝配體文件轉換為.smg格式文件,導人Composer軟件。

三維模型的導入在Composer軟件三維動畫創建過程中具有非常重要的作用,是使用動畫模塊進行三維創建的重要步驟 。啟動Composer軟件,進入工作環境。 在主菜單中選取“打開”選項,系統彈出如圖3所示“打開”對話框。在對話框中選取所需的模式,找到需要的文件,即可進入導入模式,進行模型的導入。由于創建三維動畫是此次使用 Composer軟件進行動畫仿真的主要目的,因此動畫模塊是最基本和最核心的模塊。

▲圖3 “打開”對話框

4 虛擬裝配與仿真動畫

曲軸箱機身部件裝配工藝流程如圖4所示。根據曲軸箱裝配工藝設計原則和要求,結合裝配曲軸箱及車間的實際條件,分析曲軸箱裝配的可行性工藝路線,從而設計出科學、經濟、合理的裝配工藝路線。根據工序的劃分,在三維數字化環境下進行各工序的細節裝配過程設計,確定工序零部件的裝配順序,同時支持在三維環境中對裝配對象資源等進行三維標注,清晰表達工藝設計目標,準確傳遞工藝制造意圖。

仿真動畫是直接面向裝配工人的直觀演示裝配文件,以虛擬裝配工藝模型、裝配序列和路徑規劃、工藝腳本為基礎,通過對零部件模型賦予運動自由度,對零部件運動路徑作約束處理,對零部件模型運動的類型和時間進行約束處理,定義裝配資源和操作語義信息等,在計算機仿真裝配環境中對產品實際裝配過程實現真實模擬。應用仿真動畫使工藝人員可以直觀定量、定性分析每個工藝設計細節,將以往大量在試制過程中驗證、優化的設計結果提前在計算機仿真環境中模擬,不但可以提前發現問題,而且可以通過科學測量、可視化分析,設計出合理的改進方案。仿真動畫還使裝配工人更容易理解裝配工藝,減少了裝配過程中反復發生的人為差錯。

▲圖4 曲軸箱機身部件裝配工藝流程

將所有零件的不透明性設置為0,僅保留第一道工序所裝配零件的不透明性為255。調整至合適角度后,點擊設置關鍵幀及設置相機關鍵幀,實現曲軸箱裝配動畫制作。

將時間軸拖至1 s處,將所裝配零件裝配到位,點擊設置關鍵幀。制作所有工序裝配動畫,每個動作的時間間隔設置為2 s。待裝配零件出現時,將不透明性由0改為255,并將變化時間設置為2 s。需要轉換視角時,在轉換前一個動作完成時點擊設置相機關鍵幀,拖動時間軸至下1 s,轉換至合適視角后,再次點擊設置相機關鍵幀。Composer軟件提供了一些工具,用于為視圖添加標記、標注及測量角色 。這些工具包括箭頭、圖像、標簽、編號、尺寸等,統稱為協同角色,可以幫助設計人員在動畫顯示制作中更加準確地表述設計目的及意圖。

將文件另存為可執行的.exe格式文件。這一文件占用空間小,占用系統資源少,不能直接修改,客戶端不需要安裝Composer軟件也可執行這一文件。這一文件可實現按工序查看裝配內容,將鼠標移至零件上會顯示零件號。編制零件明細文件,如圖5所示。

▲圖5 零件明細文件

可以直接點擊.exe格式文件進行裝配動畫播放,適用于工藝文件的管理及執行。文件修訂時,可以從服務器重新下載,保持工藝文件為最新狀態。

5 結束語

筆者介紹了曲軸箱三維可視化工藝,利用三維立體裝配圖,將曲軸箱設計裝配工藝的信息以三維可視化圖形表現出來,可以使裝配工人以更直觀的方式了解產品的裝配關系,理解產品的裝配工藝和工藝流程。與以往裝配工藝方式相比,裝配工人減少了看二維圖紙和理解文字工藝流程的時間,減少了歧義,提高了裝配工作的準確率和效率。三維可視化工藝技術不僅將三維裝配工藝信息徹底傳遞至車間裝配現場,實現無紙化、數字化傳遞,而且將工藝設計和過程仿真的結果以數字化工作指令的形式傳遞至車間裝配現場,大大方便了裝配工人對所做工作的理解,降低了裝配工人出差錯的可能性。