大規(guī)模整機(jī)裝配三維設(shè)計(jì)方法探討

撰文/太原重工股份有限公司技術(shù)中心　李曉宏　宋麗陜西美德資訊有限公司　　李鵬

?

大規(guī)模整機(jī)裝配三維設(shè)計(jì)方法探討

撰文/太原重工股份有限公司技術(shù)中心李曉宏宋麗陜西美德資訊有限公司李鵬

重型機(jī)械產(chǎn)品的零件數(shù)大多在數(shù)萬(wàn)件以上，其三維設(shè)計(jì)的裝配，由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)速度、內(nèi)存的限制，已不能沿用傳統(tǒng)方法，即所有零件全部裝入的模式，必須采用簡(jiǎn)化其部件三維實(shí)體模型的方法實(shí)現(xiàn)。本文以三維軟件SolidWorks為例，逐一分析軟件的幾種部件模型簡(jiǎn)化方法，論述其方法特點(diǎn)和適用范圍。并在典型部件上進(jìn)行主要功能的對(duì)比測(cè)試，結(jié)合常規(guī)產(chǎn)品擠壓機(jī)、操作機(jī)及起重機(jī)整機(jī)裝配的應(yīng)用，推薦不同場(chǎng)合下的部件模型簡(jiǎn)化模式，整機(jī)裝配方法并分析可能出現(xiàn)的問(wèn)題及其解決辦法。

一、引言

當(dāng)前，三維設(shè)計(jì)在機(jī)械零部件方面得到全面的應(yīng)用，開(kāi)始向機(jī)、電、液一體的整機(jī)設(shè)計(jì)方向邁進(jìn)，5000個(gè)零件左右規(guī)模的部件以起重機(jī)橋架、鍛壓機(jī)本體為代表達(dá)到成熟應(yīng)用的階段。但其工程圖生成時(shí)系統(tǒng)的速度滯后現(xiàn)象也開(kāi)始出現(xiàn)，打開(kāi)文件、剖視圖生成等個(gè)別命令響應(yīng)速度達(dá)到4、5分鐘。在整機(jī)裝配時(shí)，零件個(gè)數(shù)達(dá)到萬(wàn)件以上，死機(jī)、常用命令滯后一分鐘和打開(kāi)文件半小時(shí)以上的現(xiàn)象十分普遍，使得絕大部分產(chǎn)品總裝無(wú)法執(zhí)行，只能分部件顯示或開(kāi)始探索部件的簡(jiǎn)化方法。顯然，有必要對(duì)軟件功能做全面的研究，探索一種新的整機(jī)裝配模式。

二、軟件提供的部件簡(jiǎn)化方法和測(cè)試

幾種部件基本的簡(jiǎn)化方法如下：重新建立簡(jiǎn)化模型；輕化方式裝配；另存為包含所有零部件的多實(shí)體零件；另存為包含外表面零部件的多實(shí)體零件；另存為包含外表面的多曲面實(shí)體零件；生成Speed Pak配置。以下逐一論述其方法特點(diǎn)和測(cè)試情況。

1.基本簡(jiǎn)化方法的特點(diǎn)

（1）重新建立簡(jiǎn)化模型。

一般以原有部件為基礎(chǔ)，建立多實(shí)體零件，只保證安裝尺寸、外型尺寸和部分剖視圖的簡(jiǎn)化建模，以便上一級(jí)裝配使用。公司現(xiàn)階段起重機(jī)的系列標(biāo)準(zhǔn)件，全部采用了這一模式，具有以下特點(diǎn)：減少了打開(kāi)文件的時(shí)間；模型穩(wěn)定性增強(qiáng)；不支持部件內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)仿真；PDM管理時(shí)須外掛明細(xì)表。由于重建模型工作量較大，只適用于100個(gè)零件規(guī)模以下的部件。

（2）輕化方式裝配。

零件只有實(shí)體、曲面進(jìn)入裝配，其草圖、方程式等設(shè)計(jì)參考?jí)嚎s以減少內(nèi)存的方法。以此為基礎(chǔ)，屏蔽高精度的顯示、自動(dòng)撲捉和自動(dòng)更新等附屬功能，形成針對(duì)大裝配體的通用模式。這種方法簡(jiǎn)單實(shí)用，支持干涉檢查、視圖生成等基本功能，是一種廣泛使用的裝配模式。其缺點(diǎn)是由于屏蔽了內(nèi)部方程式，不支持參數(shù)化設(shè)計(jì)；視圖標(biāo)注時(shí)若未屏蔽草圖，邊界有可能為草圖線，當(dāng)以大裝配模式打開(kāi)，標(biāo)注出現(xiàn)對(duì)象丟失的現(xiàn)象。在5000個(gè)零件規(guī)模內(nèi)的部件，有較好的使用效果。

（3）另存為多實(shí)體零件。

包括所有零件的多實(shí)體零件、外表面零件的多實(shí)體零件和外表面的多曲面實(shí)體零件三種方式，操作方法簡(jiǎn)單易行。它簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，提高了部件的保存、打開(kāi)速度。前兩種方法對(duì)干涉檢查沒(méi)有影響，曲面模型則不能自動(dòng)檢查，對(duì)視圖生成來(lái)說(shuō)第一種方法沒(méi)有影響，后兩個(gè)剖視不正確或不能出剖視圖。主要缺點(diǎn)是其另存后的零件和原部件沒(méi)有相關(guān)性，設(shè)計(jì)變更后不能自動(dòng)隨之改變。它適用于1000～10000個(gè)零件規(guī)模的部件簡(jiǎn)化，擠壓機(jī)、工程機(jī)械等產(chǎn)品管路設(shè)計(jì)時(shí)一般用它處理機(jī)械設(shè)備模型。

（4）簡(jiǎn)化配置Speed Pak。

簡(jiǎn)化配置Speed Pak是一種針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)大型復(fù)雜部件開(kāi)發(fā)的簡(jiǎn)化模式，它只提取大部件的配合面和簡(jiǎn)化外表面進(jìn)入上一級(jí)裝配，可極大地簡(jiǎn)化模型，用它進(jìn)行一般大型部件的簡(jiǎn)化，可快速進(jìn)行整機(jī)裝配，但不能進(jìn)行直接的干涉檢查，工程圖自動(dòng)化功能也較弱，只能出部分視圖，具體影響如表1所示。

表1

2．典型部件的測(cè)試

以包含鑄、焊和加工件的擠壓機(jī)本體，復(fù)雜機(jī)構(gòu)件發(fā)動(dòng)機(jī)為典型代表，使用SolidWorks2011版本，在HPZ600工作站上進(jìn)行測(cè)試。由于重建模型和輕化裝配已有較好的應(yīng)用，這里只作后幾種方法的測(cè)試。

（1）擠壓機(jī)本體的測(cè)試。

圖1所示為本體基本裝配體，共計(jì)零件數(shù)5123個(gè)，圖2為其不同方式的簡(jiǎn)化模型，依次為多實(shí)體零件、外表面曲面零件、配合面加幻化外表面的Speed Pak、只有配合面的Speed Pak。速度、內(nèi)存方面的對(duì)比測(cè)試如表2所示。

圖1　

圖2　

表2

其內(nèi)存大約減少2～27倍、速度大約提高2～20倍。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試。

圖3所示為發(fā)動(dòng)機(jī)的外表面多實(shí)體零件模型，實(shí)體個(gè)數(shù)501個(gè)，圖4為配合面加幻化外表面的Speed Pak、只有配合面的Speed Pak。速度、內(nèi)存方面的對(duì)比測(cè)試如表3、4所示。其內(nèi)存減少4～88倍、速度提高8～55倍。

圖3　

圖4　

表3

表4

三、典型產(chǎn)品的測(cè)試

對(duì)典型產(chǎn)品擠壓機(jī)、操作機(jī)及起重機(jī)的新方法整機(jī)裝配測(cè)試如下。

1．某型號(hào)臥式雙動(dòng)擠壓機(jī)的總裝

一級(jí)部件壓機(jī)本體、管路系統(tǒng)和供錠器裝置了采用了簡(jiǎn)化配置Speed Pak，其二級(jí)部件采用了存為多實(shí)體零件方式，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了總裝，并生成了工程圖，如圖5所示。

圖5　

實(shí)體方面速度縮短6倍，內(nèi)存減少6倍，實(shí)體操作無(wú)明顯滯后。

針對(duì)Speed Pak工程圖的弱點(diǎn)，剖視圖采用增加地基剖視實(shí)體配置、添加區(qū)域剖面線的方式生成。明細(xì)表在零件裝入基礎(chǔ)零件時(shí)生成，而不是在零件裝配完成后。序列號(hào)采用注釋方式而不是序列號(hào)方式生成。

2.180 噸操作機(jī)本體的總裝

對(duì)一級(jí)部件采用配合面加簡(jiǎn)化外形（幻化表面）處理，形成Speed Pak配置，然后進(jìn)行本體裝配，考慮機(jī)架為裝配基準(zhǔn)，不作簡(jiǎn)化處理，如圖6所示。速度、內(nèi)存方面的對(duì)比測(cè)試如表5所示。

圖6　

表5

實(shí)體方面速度縮短8倍，內(nèi)存減少5倍，實(shí)體操作無(wú)明顯滯后。

工程圖方面主要是交替位置視圖無(wú)法生成，需用草圖手工繪制。

3．鑄造起重機(jī)的部件簡(jiǎn)化處理和總裝

應(yīng)用Speed Pak對(duì)某型號(hào)鑄造起重機(jī)進(jìn)行了一級(jí)部件的簡(jiǎn)化，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了總裝。圖7為主要部件的Speed Pak生成和總裝實(shí)體圖、工程圖。鑄造起重機(jī)新舊方法速度、內(nèi)存方面的對(duì)比測(cè)試如表6所示。

圖7　

實(shí)體方面打開(kāi)時(shí)間縮短7倍，內(nèi)存減少3倍，操作略有滯后。工程圖方面主要是明細(xì)表和序列號(hào)的自動(dòng)標(biāo)注問(wèn)題，現(xiàn)象同上。

表6

四、總裝及大型部件的簡(jiǎn)化推薦方法

SolidWorks的大裝配功能雖然種類(lèi)繁多，但分析其原理，大致可分為三類(lèi)：首先是零部件實(shí)體不變、組織不變，僅改變零件的內(nèi)部關(guān)系是否進(jìn)入內(nèi)存、顯示方式及屏蔽部分自動(dòng)輔助功能的大型裝配體模式。其次是零件實(shí)體或外表面不變、組織結(jié)構(gòu)改變的方式，即大型部件存為零件。最后為零件實(shí)體、組織結(jié)構(gòu)完全改變的模式即簡(jiǎn)化配置Speed Pak。其次，系統(tǒng)的預(yù)設(shè)值也有一定程度的影響。以下對(duì)系統(tǒng)設(shè)置及推薦簡(jiǎn)化方法逐一敘述。

1.系統(tǒng)的預(yù)設(shè)值

這一部分包括操作系統(tǒng)的優(yōu)化、SolidWorks軟件的各種預(yù)設(shè)值、關(guān)閉附屬插件和增加虛擬內(nèi)存等，對(duì)這一部分的對(duì)比測(cè)試結(jié)果，速度提升大致在10%左右。

2.50～5000個(gè)零件規(guī)模的部件簡(jiǎn)化

對(duì)50～5000個(gè)零件規(guī)模的部件而言，大型裝配體模式受到廣泛應(yīng)用，適用于一般機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)。其使用方式和功能的影響詳見(jiàn)在軟件幫助文檔中有詳細(xì)描述。

3.1000～10000個(gè)零件規(guī)模的部件簡(jiǎn)化

大型裝配體存為多實(shí)體零件，方法簡(jiǎn)單，適用于1000～10000個(gè)零件規(guī)模的部件，一般在機(jī)械設(shè)計(jì)完成后，液壓、電氣設(shè)計(jì)時(shí)的機(jī)械部分作為基礎(chǔ)設(shè)備處理時(shí)采用，主要缺點(diǎn)是其多實(shí)體零件和原部件沒(méi)有相關(guān)性，不能自動(dòng)隨之改變。

4.10000件以上零件規(guī)模的產(chǎn)品總裝

簡(jiǎn)化配置Speed Pak極其有效，可快速進(jìn)行整機(jī)裝配，但不能進(jìn)行直接的干涉檢查，可能需要部分手工處理。

五、系統(tǒng)軟硬件的影響

大裝配的速度問(wèn)題，主要取決于三方面的因素：硬件、軟件和建模方法，以上討論了建模方法，這里介紹一下軟硬件方面的履帶吊測(cè)試情況。硬件方面對(duì)公司現(xiàn)有工作站（包括服務(wù)器）的各種機(jī)型在SolidWorks 2011作了某型號(hào)履帶吊全地面底盤(pán)的測(cè)試，效果不大，多CPU、內(nèi)存利用率很低，推測(cè)可能是軟件舊版本的算法并未考慮硬件的最新發(fā)展。軟件方面，以聯(lián)想工作站為平臺(tái)，對(duì)SolidWorks的2011版和2015版做了測(cè)試，內(nèi)存變化不大，打開(kāi)速度提升一倍，多個(gè)操作速度提升10倍以上，如表7所示，可明顯看到SolidWorks新版本對(duì)大裝配處理的改善。

表7

六、結(jié)語(yǔ)

從上述三臺(tái)典型產(chǎn)品的使用效果看，推薦方法可以順利實(shí)現(xiàn)上萬(wàn)零件規(guī)模的三維模型實(shí)體總裝，但工程圖方面自動(dòng)化功能減弱，需手工處理部分視圖和標(biāo)注。這對(duì)一般大型機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)具有通用性。