虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用研究*

余志偉

(江漢大學(xué) 智能制造學(xué)院,湖北 武漢 430056)

0 引 言

虛擬設(shè)計(jì)是以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件為平臺(tái)的一種先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)。它可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行三維建模、虛擬裝配,及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決設(shè)計(jì)中的問題,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì),從而縮短開發(fā)周期、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、降低開發(fā)成本。

目前三維CAD主流軟件包括Creo(PROE)、UG-NX、CATIA、SolidWorks等產(chǎn)品。其中Creo(PROE)是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司(PTC)旗下的三維軟件,主要用于家用電器、汽車、航空等行業(yè)。UG-NX由德國(guó)西門子公司出品,屬于三維設(shè)計(jì)軟件中的高端產(chǎn)品,非常適合做模具設(shè)計(jì),尤其是注塑模具設(shè)計(jì),超過(guò)80%的模具設(shè)計(jì)人員都在使用該軟件。CATIA是法國(guó)達(dá)索公司在Windows環(huán)境下開發(fā)的軟件,是達(dá)索公司的旗艦高端產(chǎn)品。其在復(fù)雜曲面設(shè)計(jì)、逆向設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)很明顯,廣泛應(yīng)用在航空、汽車、船舶等行業(yè)。SolidWorks是達(dá)索公司的另外一款產(chǎn)品。該軟件最大優(yōu)勢(shì)是性能優(yōu)異、操作簡(jiǎn)單、易于使用[1],特別適合產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初學(xué)者學(xué)習(xí)使用。不少高校的設(shè)計(jì)專業(yè)中都開設(shè)了該軟件的課程學(xué)習(xí)。它在國(guó)內(nèi)高校、中小微企業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的占有率非常高。

換向閥是具有兩種或多種流動(dòng)形式和油口的方向控制閥。換向閥的作用是利用閥芯與閥體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)控制液流方向,實(shí)現(xiàn)油路溝通換向。目前換向閥的故障主要為換向動(dòng)作慢或者卡死,原因是設(shè)計(jì)時(shí)閥門和閥體的設(shè)計(jì)和配合尺寸存在問題。傳統(tǒng)的解決辦法是對(duì)實(shí)體零件進(jìn)行二次修配,這種方式存在耗時(shí)長(zhǎng)、成本高、效率低的問題。

針對(duì)以上問題,筆者基于計(jì)算機(jī)虛擬設(shè)計(jì)技術(shù),通過(guò)對(duì)換向閥三維建模、虛擬裝配和干涉檢查,在設(shè)計(jì)階段及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問題。這種方法對(duì)產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)人員具有較高的參考意義和實(shí)用價(jià)值。

1 閥體零件的三維建模

換向閥由閥體、閥門、鎖緊螺母、手柄、墊圈、螺母和填料七種零件組成。換向閥裝配圖如圖1所示。

圖1 換向閥裝配圖

工作時(shí),流體從右邊進(jìn)入,因上出口不通,流體從下出口流出。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄,使閥門旋轉(zhuǎn)180°時(shí),則下出口不通,流體改從上出口流出。根據(jù)手柄轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大小,換向閥還可以調(diào)節(jié)出口處的流量。以下以換向閥為例,詳細(xì)介紹產(chǎn)品的三維建模和虛擬裝配方法。

閥體是換向閥中最復(fù)雜的零件,該零件屬于箱體類零件[2]。其三維建模方法具有典型性和代表性,閥體零件圖如圖2所示。

圖2 閥體零件圖

零件主體結(jié)構(gòu)由圓臺(tái)、圓柱、連接板組成,零件里面有螺紋孔、臺(tái)階孔、退刀槽、圓錐孔、圓柱孔等復(fù)雜結(jié)構(gòu)。其中圓錐孔的錐度和連接板的斜度處理比較關(guān)鍵,是決定零件造型精度的關(guān)鍵問題。不同零件的具體結(jié)構(gòu)和組合方式不同,因此三維建模的具體方法也各不一樣。常見的建模方法是根據(jù)零件的形狀結(jié)構(gòu)特征,通過(guò)拉伸、旋轉(zhuǎn)或者放樣等方式創(chuàng)建基本實(shí)體?；緦?shí)體創(chuàng)建完成以后,再處理里面的孔、槽和螺紋等結(jié)構(gòu)。一般常用的命令有草圖繪制、拉伸凸臺(tái)、旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)、異型孔向?qū)?、拉伸切除、旋轉(zhuǎn)切除、倒圓和倒角等建模命令。對(duì)于復(fù)雜零件而言,不同的建模方法建模的速度和后續(xù)的裝配影響不同,以下以閥體為例詳細(xì)講解復(fù)雜零件的建模方法和技巧。

1.1 基本體三維建模方法

建模步驟為:①新建零件,在草圖環(huán)境下取“前視基準(zhǔn)面”作為草圖繪制平面,繪制中間圓臺(tái)和右端圓柱的外形草圖,通過(guò)“旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)”命令生成凸臺(tái)實(shí)體;②取“前視基準(zhǔn)面”作為草圖繪制平面,繪制基本體里面的階梯孔草圖,通過(guò)“旋轉(zhuǎn)切除”命令生成階梯孔;③選擇左右孔,利用“螺紋裝飾線”命令,生成螺紋面;④取“上視基準(zhǔn)面”作為草圖繪制平面,繪制中間圓柱草圖,通過(guò)“拉伸凸臺(tái)”命令生成凸臺(tái)實(shí)體。閥體基本體如圖3所示。

圖3 閥體基本體

1.2 錐形孔三維建模方法

錐度是指正圓錐的底圓直徑與圓錐高度之比,在圖樣中常以1:n的形式標(biāo)注,如圖4所示為錐度1:6的畫法,其中,h為字體高度[3]。

圖4 錐度1∶6的畫法 圖5 錐形孔建模方法

閥體里面有一個(gè)錐度為1:10的錐孔,其建模方式如下:①取“前視基準(zhǔn)面”作為草圖繪制平面,繪制錐形孔的外形草圖;②標(biāo)注錐形孔的角度尺寸,在彈窗的對(duì)話框里面,填寫角度大小為atn(1/10),單位選擇弧度,確定以后,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算出準(zhǔn)確的角度大小;③通過(guò)“旋轉(zhuǎn)切除”命令生成孔。錐形孔建模方法如圖5所示。

1.3 連接板三維建模方法

連接板外形由左邊的長(zhǎng)方形和右邊的三角形組合而成。其中右邊三角形的斜邊的斜度是1:2.5。連接板外形視圖如圖6所示。

圖6 連接板外形視圖

其建模方式如下:①取“右視基準(zhǔn)面”作為草圖繪制平面,繪制連接板的外形草圖;②標(biāo)注三角形斜邊的角度尺寸,在彈窗的對(duì)話框里面,填寫角度大小為atn(1/2.5),單位選擇弧度,確定以后,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算出準(zhǔn)確的角度大小;③通過(guò)“拉伸凸臺(tái)”命令生成凸臺(tái)實(shí)體[4];④通過(guò)“鏡像”命令生成下方圓柱實(shí)體。

2 換向閥虛擬裝配

虛擬裝配有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決機(jī)器設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題,并及時(shí)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。閥體實(shí)體如圖7所示。機(jī)器裝配完成以后,在所出的工程圖中,會(huì)根據(jù)機(jī)器的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖視圖表達(dá)。在零件設(shè)計(jì)過(guò)程中,設(shè)計(jì)原點(diǎn)和基準(zhǔn)面是根據(jù)其形狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定的。因此,裝配體的原點(diǎn)和基準(zhǔn)面有可能和零件不一致,如圖8所示。

圖7 閥體實(shí)體 圖8 設(shè)計(jì)和裝配原點(diǎn)不一致

作剖視圖時(shí),由基準(zhǔn)面剖切得到的剖面形狀不滿足工程圖中剖視圖的畫法要求。因此,選擇閥體作為第一個(gè)零件插入到裝配體中時(shí),一定要確保閥體的原點(diǎn)和裝配體原點(diǎn)重合,同時(shí)閥體和裝配體的基準(zhǔn)面也重合一起。具體操作方式有兩種:①當(dāng)插入閥體零件時(shí),不要用鼠標(biāo)左鍵指定具體插入位置,而是直接選擇確定按鈕,這樣系統(tǒng)會(huì)將設(shè)計(jì)原點(diǎn)和裝配原點(diǎn)重合放置在一起;②插入零件后,如果原點(diǎn)不重合,先選擇零件,將其固定狀態(tài)換成浮動(dòng)狀態(tài),然后分別選擇零件的設(shè)計(jì)原點(diǎn)和裝配原點(diǎn),添加重合約束。當(dāng)彈出的對(duì)話框提示將重新定義裝配體時(shí),點(diǎn)擊確定即可。系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將設(shè)計(jì)原點(diǎn)和裝配原點(diǎn)重合在一起。如圖9所示。

圖9 設(shè)計(jì)和裝配原點(diǎn)重合 圖10 換向閥虛擬裝配

虛擬裝配時(shí)應(yīng)該采用自下而上的裝配方式,沿著裝配干線,將換向閥的零件依次插入到裝配體中,插入時(shí)注意零件的裝配關(guān)系和連接方式,添加重合、平行、垂直、同心或同軸等約束關(guān)系,完成換向閥的虛擬裝配。虛擬裝配結(jié)果如圖10所示。

3 換向閥干涉檢查

虛擬裝配完成后,對(duì)裝配體進(jìn)行干涉檢查,以及時(shí)發(fā)現(xiàn)裝配體中零件之間的裝配位置以及連接關(guān)系是否正確。具體操作方法如下:①選擇軟件工具中評(píng)估菜單里面的“干涉檢查”命令,點(diǎn)擊檢查按鈕。系統(tǒng)會(huì)對(duì)裝配體進(jìn)行檢查,如果有干涉情況出現(xiàn),在裝配體發(fā)生干涉的地方會(huì)出現(xiàn)紅色高亮顯示,從而讓設(shè)計(jì)者直觀地定位裝配體中干涉零件的位置。同時(shí)系統(tǒng)會(huì)提示干涉的原因,比如零件裝配面錯(cuò)位, 回轉(zhuǎn)體零件不同軸等干涉問題。②點(diǎn)擊裝配體中干涉零件,根據(jù)零件在裝配體中的定位尺寸或者定位條件,調(diào)整零件位置和配合方式,以快速達(dá)到設(shè)計(jì)要求。干涉檢查結(jié)果如圖11所示。

圖11 干涉檢查結(jié)果

閥門和閥體干涉的問題一旦出現(xiàn),會(huì)造成換向閥在使用過(guò)程中出現(xiàn)裝配困難,甚至運(yùn)行時(shí)卡死的情況,嚴(yán)重影響機(jī)器運(yùn)行的穩(wěn)定性,進(jìn)而造成安全事故。在虛擬裝配和干涉檢查中,掌握合適的建模方法和技巧,及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決該問題,可達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

4 結(jié) 語(yǔ)

換向閥在使用中存在換向動(dòng)作慢或者卡死的問題,傳統(tǒng)的解決辦法耗時(shí)長(zhǎng)、成本高、效率低。通過(guò)對(duì)換向閥進(jìn)行三維建模、虛擬裝配和干涉檢查,及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問題,進(jìn)而縮短了開發(fā)周期、降低了開發(fā)成本、提高了設(shè)計(jì)效率,達(dá)到了優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的目的,對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)人員具有較高的參考意義和實(shí)用價(jià)值。