虛擬設計技術在產品開發中的應用研究*

余志偉

(江漢大學 智能制造學院,湖北 武漢 430056)

0 引 言

虛擬設計是以計算機輔助設計軟件為平臺的一種先進設計技術。它可以對產品進行三維建模、虛擬裝配,及時發現和解決設計中的問題,實現產品的優化設計,從而縮短開發周期、提高設計質量、降低開發成本。

目前三維CAD主流軟件包括Creo(PROE)、UG-NX、CATIA、SolidWorks等產品。其中Creo(PROE)是美國參數技術公司(PTC)旗下的三維軟件,主要用于家用電器、汽車、航空等行業。UG-NX由德國西門子公司出品,屬于三維設計軟件中的高端產品,非常適合做模具設計,尤其是注塑模具設計,超過80%的模具設計人員都在使用該軟件。CATIA是法國達索公司在Windows環境下開發的軟件,是達索公司的旗艦高端產品。其在復雜曲面設計、逆向設計中的優勢很明顯,廣泛應用在航空、汽車、船舶等行業。SolidWorks是達索公司的另外一款產品。該軟件最大優勢是性能優異、操作簡單、易于使用[1],特別適合產品設計的初學者學習使用。不少高校的設計專業中都開設了該軟件的課程學習。它在國內高校、中小微企業設計領域的占有率非常高。

換向閥是具有兩種或多種流動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運動來控制液流方向,實現油路溝通換向。目前換向閥的故障主要為換向動作慢或者卡死,原因是設計時閥門和閥體的設計和配合尺寸存在問題。傳統的解決辦法是對實體零件進行二次修配,這種方式存在耗時長、成本高、效率低的問題。

針對以上問題,筆者基于計算機虛擬設計技術,通過對換向閥三維建模、虛擬裝配和干涉檢查,在設計階段及時發現并解決問題。這種方法對產品開發設計人員具有較高的參考意義和實用價值。

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,流體從右邊進入,因上出口不通,流體從下出口流出。當轉動手柄,使閥門旋轉180°時,則下出口不通,流體改從上出口流出。根據手柄轉動的角度大小,換向閥還可以調節出口處的流量。以下以換向閥為例,詳細介紹產品的三維建模和虛擬裝配方法。

閥體是換向閥中最復雜的零件,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

零件主體結構由圓臺、圓柱、連接板組成,零件里面有螺紋孔、臺階孔、退刀槽、圓錐孔、圓柱孔等復雜結構。其中圓錐孔的錐度和連接板的斜度處理比較關鍵,是決定零件造型精度的關鍵問題。不同零件的具體結構和組合方式不同,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零件的形狀結構特征,通過拉伸、旋轉或者放樣等方式創建基本實體?；緦嶓w創建完成以后,再處理里面的孔、槽和螺紋等結構。一般常用的命令有草圖繪制、拉伸凸臺、旋轉凸臺、異型孔向導、拉伸切除、旋轉切除、倒圓和倒角等建模命令。對于復雜零件而言,不同的建模方法建模的速度和后續的裝配影響不同,以下以閥體為例詳細講解復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,在草圖環境下取“前視基準面”作為草圖繪制平面,繪制中間圓臺和右端圓柱的外形草圖,通過“旋轉凸臺”命令生成凸臺實體;②取“前視基準面”作為草圖繪制平面,繪制基本體里面的階梯孔草圖,通過“旋轉切除”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“上視基準面”作為草圖繪制平面,繪制中間圓柱草圖,通過“拉伸凸臺”命令生成凸臺實體。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

閥體里面有一個錐度為1:10的錐孔,其建模方式如下:①取“前視基準面”作為草圖繪制平面,繪制錐形孔的外形草圖;②標注錐形孔的角度尺寸,在彈窗的對話框里面,填寫角度大小為atn(1/10),單位選擇弧度,確定以后,系統會自動計算出準確的角度大小;③通過“旋轉切除”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“右視基準面”作為草圖繪制平面,繪制連接板的外形草圖;②標注三角形斜邊的角度尺寸,在彈窗的對話框里面,填寫角度大小為atn(1/2.5),單位選擇弧度,確定以后,系統會自動計算出準確的角度大小;③通過“拉伸凸臺”命令生成凸臺實體[4];④通過“鏡像”命令生成下方圓柱實體。

2 換向閥虛擬裝配

虛擬裝配有助于及時發現和解決機器設計中出現的問題,并及時進行優化設計。閥體實體如圖7所示。機器裝配完成以后,在所出的工程圖中,會根據機器的具體結構進行剖視圖表達。在零件設計過程中,設計原點和基準面是根據其形狀結構特點決定的。因此,裝配體的原點和基準面有可能和零件不一致,如圖8所示。

圖7 閥體實體 圖8 設計和裝配原點不一致

作剖視圖時,由基準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零件插入到裝配體中時,一定要確保閥體的原點和裝配體原點重合,同時閥體和裝配體的基準面也重合一起。具體操作方式有兩種:①當插入閥體零件時,不要用鼠標左鍵指定具體插入位置,而是直接選擇確定按鈕,這樣系統會將設計原點和裝配原點重合放置在一起;②插入零件后,如果原點不重合,先選擇零件,將其固定狀態換成浮動狀態,然后分別選擇零件的設計原點和裝配原點,添加重合約束。當彈出的對話框提示將重新定義裝配體時,點擊確定即可。系統會自動將設計原點和裝配原點重合在一起。如圖9所示。

圖9 設計和裝配原點重合 圖10 換向閥虛擬裝配

虛擬裝配時應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,插入時注意零件的裝配關系和連接方式,添加重合、平行、垂直、同心或同軸等約束關系,完成換向閥的虛擬裝配。虛擬裝配結果如圖10所示。

3 換向閥干涉檢查

虛擬裝配完成后,對裝配體進行干涉檢查,以及時發現裝配體中零件之間的裝配位置以及連接關系是否正確。具體操作方法如下:①選擇軟件工具中評估菜單里面的“干涉檢查”命令,點擊檢查按鈕。系統會對裝配體進行檢查,如果有干涉情況出現,在裝配體發生干涉的地方會出現紅色高亮顯示,從而讓設計者直觀地定位裝配體中干涉零件的位置。同時系統會提示干涉的原因,比如零件裝配面錯位, 回轉體零件不同軸等干涉問題。②點擊裝配體中干涉零件,根據零件在裝配體中的定位尺寸或者定位條件,調整零件位置和配合方式,以快速達到設計要求。干涉檢查結果如圖11所示。

圖11 干涉檢查結果

閥門和閥體干涉的問題一旦出現,會造成換向閥在使用過程中出現裝配困難,甚至運行時卡死的情況,嚴重影響機器運行的穩定性,進而造成安全事故。在虛擬裝配和干涉檢查中,掌握合適的建模方法和技巧,及時發現和解決該問題,可達到優化設計的目的。

4 結 語

換向閥在使用中存在換向動作慢或者卡死的問題,傳統的解決辦法耗時長、成本高、效率低。通過對換向閥進行三維建模、虛擬裝配和干涉檢查,及時發現和解決問題,進而縮短了開發周期、降低了開發成本、提高了設計效率,達到了優化產品設計的目的,對產品設計開發人員具有較高的參考意義和實用價值。