1、SolidWorks 虛擬裝配實例使用 SolidWorks 創(chuàng)建了臺式滅菌器的零件,并按照工廠生產(chǎn)裝配的序列,對其進行虛 擬裝配,形成臺式滅菌器的三維樣機。之后,使用 SolidWorks 的動畫功能,參考工廠生產(chǎn) 裝配的序列,制作臺式滅菌器三維樣機的虛擬拆卸和虛擬裝配演示動畫,根據(jù)需要錄制成 avi 格式的文件,用于員工培訓(xùn)。本文給出了 SolidWorks 虛擬裝配的一個實例。1、引言通常認為最后產(chǎn)品成本的 70%是在設(shè)計期間確定的, 這是在設(shè)計初期就應(yīng)該悉心考慮虛 擬裝配的一個重要理由。 而由于產(chǎn)品裝配在整個產(chǎn)品生命周期中的重要性, 因此對產(chǎn)品的虛 擬裝配進行研究和應(yīng)用, 對于增強制造

2、企業(yè)的產(chǎn)品競爭力具有重要意義。 同時虛擬裝配又是 是虛擬產(chǎn)品開發(fā) (VPD, virtual product development、數(shù)字樣機 (DMU, Digital Mock-Up、虛 擬樣機 (VP, virtual prototyping和面向裝配的設(shè)計 (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、 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,能夠盡快地進入工作狀態(tài)。2

3、、零件的三維設(shè)計大部分零件都是由 2D 草圖繪制開始, 再由 2D 草圖生成 3D 實體。 首先選中一個基準面, 使用草圖繪制命令, 即可在此基準面上開始草圖繪制。 草圖完成后通過對其進行拉伸、 旋轉(zhuǎn) 等操作得到一個基本特征, 幾個特征組合起來時就形成各種零件。 根據(jù)所設(shè)計的零件形狀在 其他基準面建立草圖,隨后進行拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、放樣等特征操作,完成一個普通零件的 三維設(shè)計。選用的建模工具為 SolidWorks 軟件,通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、薄壁特征、高級抽殼、掃描、放 樣、鈑金等操作來實現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計。 臺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

4、征都有基體生成和切除兩個內(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 拉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 就是一個圓環(huán), 過軸線的截面則是一個矩形。 這樣就有了兩種做法, 你可以先畫兩個同心圓, 然后拉伸即可。 當然,方向是可以設(shè)定的。拉伸的路徑必須是直線,拉伸時可以設(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, 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

5、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, 就會生成沒有厚度的特征, 因為線是沒有厚度的, 這就是薄壁特征,這時可以設(shè)定厚度。一些桶類零件經(jīng)常這樣生成。4 高級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動,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

6、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, 臺式滅菌器的殼體除前面板外都是使用 鈑金特征完成。3、臺式滅菌器的虛擬裝配面向培訓(xùn)的虛擬裝配應(yīng)以實際生產(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,為員工進入生產(chǎn)線實際操作打下基

7、礎(chǔ)。虛擬裝配還能夠在設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)和消除設(shè)計失誤。產(chǎn)品設(shè)計階段決定了產(chǎn)品如何加工、 如何裝配, 設(shè)計成本雖然只占產(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)計失誤對成本的影響將以不斷放大的形式向下游逐級傳播, 據(jù)統(tǒng)計, 這一逐級放大 的比例甚至達到 1:10。 因此, 應(yīng)盡量避免由于設(shè)計不合理而給后續(xù)相關(guān)活動如加工、 裝配、 測試等帶來不良影響。由于裝配環(huán)節(jié)是制約生產(chǎn)自動化的主要因素,故在產(chǎn)品設(shè)計的同時, 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

8、下后上, 先內(nèi)后外, 先難后易。 通常, 還要先重大后輕小, 但當有些重大件會影響其他零件的裝入時, 為了減少不必要的運輸量, 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)集中起來以免運輸迂回或設(shè)備重復(fù)。臺式滅菌器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,它的虛擬裝配是按照生產(chǎn)裝配的次序進行的,不能一個零 件一個零件地插入到一張裝配圖中。 因為這樣越到最后, 零件越多,裝配越麻煩, 機器的運 行速度也會隨之減慢。 再就是一旦發(fā)生錯誤, 在整個裝配中修改非常麻煩。 系統(tǒng)允許一個

9、零 件或組件多次使用, 還允許把一個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)圖進行。 裝配系統(tǒng)圖如 圖 1所示。圖 1 臺式滅菌器裝配系統(tǒng)圖整個滅菌器的裝配過程如下:加熱圈的裝配加熱圈包含許多螺栓、 螺母、 墊圈等, 并且裝配中同時使用了 3個加熱圈, 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。 底盤部件是整個機器的基礎(chǔ)定位部件, 幾乎所有的

10、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,這是一個相當復(fù)雜的 部件。 有些零件如筒體的裝配需要用三個基準面來定位, 還有一些距離需要仔細計算。 滅菌 器工作的時候, 加熱圈將主體圓筒里面的水加熱成高溫蒸汽, 對消毒盤上的醫(yī)療設(shè)備進行消 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進行開門、關(guān)門的演 示, 因此要在總裝配時單獨插入, 并且保留繞銷軸旋轉(zhuǎn)的自由度, 以便錄制操作演示動畫時 進行滅菌器門的開關(guān)動作。消毒盤的裝配消毒盤要保留沿支架滑動的自由度,以便隨后進行操作動畫演示。 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

11、接用于最后的總裝配,并 要保留上下移動的自由度, 在虛擬裝配時能夠自由活動, 以便錄制操作演示動畫時門的鎖閉 和開啟動作。各組件、 部件裝配完成后, 即可以底盤部件為基礎(chǔ)進行總裝。 按照生產(chǎn)實際的裝配序列, 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為隱藏了頂罩的臺式滅菌器總裝圖。 圖 2 臺式滅菌器總裝圖4、虛擬裝配的演示在產(chǎn)品設(shè)計過程中,為了更明確地表達產(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

12、, 通過把分離的零部件裝配成一個整體, 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)計制作產(chǎn)品的裝配流程圖、 產(chǎn)品維修手冊和安 裝手冊等所有的圖片。在制作演示動畫的過程中,我們應(yīng)該注意一點: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 零件的實際運動路徑。較新版本的 SolidWorks animator使用了時間軸和關(guān)鍵點來操作,就 像多數(shù)專業(yè)動畫設(shè)計軟件和視頻編輯軟件一樣, 這是很好的改進,

13、能夠使我們不必去學習復(fù) 雜的專業(yè)動畫設(shè)計軟件,即可制作出簡潔實用的結(jié)構(gòu)展示或操作演示動畫。對于有較多零部件的復(fù)雜裝配體,要手動把每個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 的動畫向?qū)硗瓿煽傮w的爆炸視 圖, 隨后對不合理的步驟或零部件位置進行調(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,對于門把手等細部零件不易觀察到, 通過視角的變換、 視距的拉近能夠觀察細部零件的解體過程。 對鍵碼的壓縮和替換操作, 給 動畫的編輯提供了靈活的手段。animator 的動畫向?qū)н€方便地提供了爆炸和解除爆炸的兩種方式。根據(jù)實際生產(chǎn)裝配的 順序, 對解除爆炸的動畫做細致地修改, 更改不符合實際的裝配順序, 制作出符合生產(chǎn)實際 的裝配動畫,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為臺式滅菌器 的爆炸視圖。 圖 3 臺式滅菌器的爆炸視圖5、結(jié)語使用 SolidWorks 創(chuàng)建了臺式滅菌器的零件, 并按照工廠生產(chǎn)裝配的序列, 對其進行虛擬 裝配,形