SolidWorks臺(tái)式滅菌器虛擬裝配

2013-07-19 by:廣州Solidworks培訓(xùn)中心來源:仿真在線

1、引言

通常認(rèn)為最后產(chǎn)品成本的70%是在設(shè)計(jì)期間確定的,這是在設(shè)計(jì)初期就應(yīng)該悉心考慮虛擬裝配的一個(gè)重要理由。而由于產(chǎn)品裝配在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中的重要性,因此對(duì)產(chǎn)品的虛擬裝配進(jìn)行研究和應(yīng)用,對(duì)于增強(qiáng)制造企業(yè)的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。同時(shí)虛擬裝配又是是虛擬產(chǎn)品開發(fā)(VPD, virtual product development)、數(shù)字樣機(jī)(DMU, Digital Mock-Up)、虛擬樣機(jī)(VP, virtual prototyping)和面向裝配的設(shè)計(jì)(DFA, design for assembly)的核心技術(shù)之一,因此虛擬裝配的研究和應(yīng)用具有很現(xiàn)實(shí)的意義。

虛擬裝配又是很好的溝通工具,它能夠獲得完全視覺化的產(chǎn)品,可以用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、銷售等階段,本文所做的虛擬裝配主要用于新員工的培訓(xùn),使新員工,特別是現(xiàn)場(chǎng)組裝新手了解產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及其裝配關(guān)系,能夠盡快地進(jìn)入工作狀態(tài)。

2、零件的三維設(shè)計(jì)

大部分零件都是由2D草圖繪制開始,再由2D草圖生成3D實(shí)體。首先選中一個(gè)基準(zhǔn)面,使用草圖繪制命令,即可在此基準(zhǔn)面上開始草圖繪制。草圖完成后通過對(duì)其進(jìn)行拉伸、旋轉(zhuǎn)等操作得到一個(gè)基本特征,幾個(gè)特征組合起來時(shí)就形成各種零件。根據(jù)所設(shè)計(jì)的零件形狀在其他基準(zhǔn)面建立草圖,隨后進(jìn)行拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、放樣等特征操作,完成一個(gè)普通零件的三維設(shè)計(jì)。

選用的建模工具為SolidWorks軟件,通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、薄壁特征、高級(jí)抽殼、掃描、放樣、鈑金等操作來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。臺(tái)式滅菌器的零件千變?nèi)f化、類型有很多,但是幾乎所有的零件都是由以上幾種特征組成,每一種特征都有基體生成和切除兩個(gè)內(nèi)容,這些特征成為我們制作零件模型的基礎(chǔ)和有力工具。

1) 伸特征拉伸分為基體拉伸和切除拉伸。前者用于生成基體,后者用于切除基體。拉伸適用于截面不變的零件或者是零件的某一部分截面不變,比如墊圈,它平行于端面的截面就是一個(gè)圓環(huán),過軸線的截面則是一個(gè)矩形。這樣就有了兩種做法,你可以先畫兩個(gè)同心圓,然后拉伸即可。當(dāng)然,方向是可以設(shè)定的。拉伸的路徑必須是直線,拉伸時(shí)可以設(shè)定拔模斜度以形成錐形特征。

2) 旋轉(zhuǎn)特征截面繞一中心軸轉(zhuǎn)動(dòng),截面所經(jīng)過的空間既是旋轉(zhuǎn)特征。墊圈同樣可以用掃描特征生成,旋轉(zhuǎn)的路徑是一個(gè)圓弧,這是和拉伸的區(qū)別。旋轉(zhuǎn)可以設(shè)定角度。從某種意義上講,拉伸和旋轉(zhuǎn)都是掃描的一種特殊情況。

3) 薄壁特征如果把草圖的截面換成線,就會(huì)生成沒有厚度的特征,因?yàn)榫€是沒有厚度的,這就是薄壁特征,這時(shí)可以設(shè)定厚度。一些桶類零件經(jīng)常這樣生成。

4) 高級(jí)抽殼使用抽殼特征可以方便地制作密封、厚度均勻的殼體,尤其是在無法使用拉伸-切除的時(shí)候。滅菌器中的水箱部件的建模使用了抽殼特征。

5) 掃描特征截面沿著一路徑運(yùn)動(dòng),經(jīng)過的空間就是掃描特征。路徑可以是任何曲線,它的功能比拉伸和旋轉(zhuǎn)都要強(qiáng)大。從路徑的角度講,拉伸和旋轉(zhuǎn)都是掃描的一種特殊形式。最典型的應(yīng)用例子就是螺紋的生成,螺紋的路徑為螺旋線,截面因螺紋牙型的不同而有所變化,管螺紋的形狀還有錐度。

6) 放樣放樣特征適用于截面不規(guī)則變化的零件,由于截面的不規(guī)則變化無法使用拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描等特征。放樣是選取幾個(gè)典型的截面(比如最大面,最小面),把它們圓滑地連接起來,一些花瓶、手柄經(jīng)常用這種方法制作,滅菌器中的零件都是較為規(guī)則的形狀,無需使用放樣特征。

7) 鈑金鈑金主要適用于薄壁零件的制作。它不同于抽殼特征,抽殼的零件是密封的,鈑金生成的零件不是密封的。鈑金的主要形式是折彎,臺(tái)式滅菌器的殼體除前面板外都是使用鈑金特征完成。

3、臺(tái)式滅菌器的虛擬裝配

面向培訓(xùn)的虛擬裝配應(yīng)以實(shí)際生產(chǎn)裝配為基礎(chǔ),虛擬裝配的裝配序列、裝配過程應(yīng)與生產(chǎn)裝配相一致,為員工進(jìn)入生產(chǎn)線實(shí)際操作打下基礎(chǔ)。

虛擬裝配還能夠在設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)和消除設(shè)計(jì)失誤。產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段決定了產(chǎn)品如何加工、如何裝配,設(shè)計(jì)成本雖然只占產(chǎn)品開發(fā)總成本的5%,卻決定了產(chǎn)品總成本的70%~80%,而上游設(shè)計(jì)失誤對(duì)成本的影響將以不斷放大的形式向下游逐級(jí)傳播,據(jù)統(tǒng)計(jì),這一逐級(jí)放大的比例甚至達(dá)到1:10。因此,應(yīng)盡量避免由于設(shè)計(jì)不合理而給后續(xù)相關(guān)活動(dòng)如加工、裝配、測(cè)試等帶來不良影響。由于裝配環(huán)節(jié)是制約生產(chǎn)自動(dòng)化的主要因素,故在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的同時(shí),盡可能兼顧下游的裝配環(huán)節(jié)及其相關(guān)因素,即在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段應(yīng)盡早排除下游的隱患,避免大的返工。

生產(chǎn)裝配按照生產(chǎn)實(shí)際的要求有一定的規(guī)則。零部件的一般裝配次序往往是先下后上,先內(nèi)后外,先難后易。通常,還要先重大后輕小,但當(dāng)有些重大件會(huì)影響其他零件的裝入時(shí),為了減少不必要的運(yùn)輸量,應(yīng)該較后裝上。還要先精密后一般,但靈敏性零件或作業(yè)應(yīng)盡可能放在粗重作業(yè)的后面進(jìn)行,以免損壞。

處于同一方位的工件應(yīng)集中安裝以免過程中翻身移位,使用同一工藝設(shè)備或特殊環(huán)境條件的作業(yè),也應(yīng)集中起來以免運(yùn)輸迂回或設(shè)備重復(fù)。

臺(tái)式滅菌器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,它的虛擬裝配是按照生產(chǎn)裝配的次序進(jìn)行的,不能一個(gè)零件一個(gè)零件地插入到一張裝配圖中。因?yàn)檫@樣越到最后,零件越多,裝配越麻煩,機(jī)器的運(yùn)行速度也會(huì)隨之減慢。再就是一旦發(fā)生錯(cuò)誤,在整個(gè)裝配中修改非常麻煩。系統(tǒng)允許一個(gè)零件或組件多次使用,還允許把一個(gè)小的子裝配體插入到另一子裝配體或者總裝配體中。為此,根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際和裝配原理畫出了裝配系統(tǒng)圖,虛擬裝配依據(jù)裝配系統(tǒng)圖進(jìn)行。裝配系統(tǒng)圖如圖1所示。

整個(gè)滅菌器的裝配過程如下:

加圈的裝配加熱圈包含許多螺栓、螺母、墊圈等,并且裝配中同時(shí)使用了3個(gè)加熱圈,因此非常適合預(yù)先裝配成組件。

水箱的裝配包括水箱、水箱支架、水箱密封圈水箱蓋等。

面罩組件的裝配包括面罩和左、右鉸鏈座。

底盤部件的裝配其中包括底盤組件、面罩組件、墊腳及聯(lián)接用的螺栓組件,底盤組件又是由墊腳和水箱組件構(gòu)成的。底盤部件是整個(gè)機(jī)器的基礎(chǔ)定位部件,幾乎所有的重要部件都要固定在底盤上。

筒體部件的裝配包括加熱圈組件、筒體、固定用螺栓組件、隔架,這是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的部件。有些零件如筒體的裝配需要用三個(gè)基準(zhǔn)面來定位,還有一些距離需要仔細(xì)計(jì)算。滅菌器工作的時(shí)候,加熱圈將主體圓筒里面的水加熱成高溫蒸汽,對(duì)消毒盤上的醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行消毒。

門部件的裝配包括面罩、門組件等子裝配。這部分將在虛擬裝配時(shí)進(jìn)行開門、關(guān)門的演示,因此要在總裝配時(shí)單獨(dú)插入,并且保留繞銷軸旋轉(zhuǎn)的自由度,以便錄制操作演示動(dòng)畫時(shí)進(jìn)行滅菌器門的開關(guān)動(dòng)作。

消毒盤的裝配消毒盤要保留沿支架滑動(dòng)的自由度,以便隨后進(jìn)行操作動(dòng)畫演示。

手柄組件的裝配包括滑塊和門插銷,手柄組件裝配完成后將直接用于最后的總裝配,并要保留上下移動(dòng)的自由度,在虛擬裝配時(shí)能夠自由活動(dòng),以便錄制操作演示動(dòng)畫時(shí)門的鎖閉和開啟動(dòng)作。

各組件、部件裝配完成后,即可以底盤部件為基礎(chǔ)進(jìn)行總裝。按照生產(chǎn)實(shí)際的裝配序列,逐步裝入筒體部件、門部件、手柄和消毒盤。

總裝完成以后,如果想再看一下內(nèi)部的裝配情況,可以將頂罩隱藏,這樣里面的零部件就能顯示出來。在裝配零件的時(shí)候,如果某些要選擇零件被其他零件擋住,也可以使用隱藏功能,以方便裝配。如圖2為隱藏了頂罩的臺(tái)式滅菌器總裝圖。

4、虛擬裝配的演示

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中,為了更明確地表達(dá)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu),可能通過分離裝配體的零部件或者反過來,通過把分離的零部件裝配成一個(gè)整體,來形象地顯示它們之間的裝配關(guān)系,這就是裝配體的爆炸視圖和虛擬裝配。它們是展示裝配體結(jié)構(gòu)的重要手段,由此可以了解和分析裝配體的零件構(gòu)成和位置關(guān)系,可以很方便地設(shè)計(jì)制作產(chǎn)品的裝配流程圖、產(chǎn)品維修手冊(cè)和安裝手冊(cè)等所有的圖片。

在制作演示動(dòng)畫的過程中,我們應(yīng)該注意一點(diǎn):爆炸直線草圖的作用在于,在工程圖或說明書圖片中更清楚地示意零件的爆炸方向或裝配關(guān)系,而不是為了規(guī)定裝配體爆炸視圖中零件的實(shí)際運(yùn)動(dòng)路徑。較新版本的SolidWorks animator使用了時(shí)間軸和關(guān)鍵點(diǎn)來操作,就像多數(shù)專業(yè)動(dòng)畫設(shè)計(jì)軟件和視頻編輯軟件一樣,這是很好的改進(jìn),能夠使我們不必去學(xué)習(xí)復(fù)雜的專業(yè)動(dòng)畫設(shè)計(jì)軟件,即可制作出簡(jiǎn)潔實(shí)用的結(jié)構(gòu)展示或操作演示動(dòng)畫。

對(duì)于有較多零部件的復(fù)雜裝配體,要手動(dòng)把每個(gè)零件拖放到合適的位置,來制作其爆炸視圖,是很煩瑣的,也沒有必要。在此可以使用animator的動(dòng)畫向?qū)硗瓿煽傮w的爆炸視圖,隨后對(duì)不合理的步驟或零部件位置進(jìn)行調(diào)整。在爆炸視圖起始位置,增加了殼體的漸變隱藏,顯露出滅菌器內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在裝配體解體過程中,對(duì)于門把手等細(xì)部零件不易觀察到,通過視角的變換、視距的拉近能夠觀察細(xì)部零件的解體過程。對(duì)鍵碼的壓縮和替換操作,給動(dòng)畫的編輯提供了靈活的手段。

animator的動(dòng)畫向?qū)н€方便地提供了爆炸和解除爆炸的兩種方式。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)裝配的順序,對(duì)解除爆炸的動(dòng)畫做細(xì)致地修改,更改不符合實(shí)際的裝配順序,制作出符合生產(chǎn)實(shí)際的裝配動(dòng)畫,可以用作虛擬裝配,錄制成avi格式以后用于員工培訓(xùn)。如圖3為臺(tái)式滅菌器的爆炸視圖。

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