SolidWorks船舶柴油機(jī)虛擬裝配

2013-07-01 by:廣州Solidworks培訓(xùn)中心來源:仿真在線

0 前言

船舶柴油機(jī)的可靠性、壽命及主要性能參數(shù)在很大程度上取決于裝配工藝水平和裝配質(zhì)量。傳統(tǒng)的船舶柴油機(jī)裝配階段是船舶柴油機(jī)制造中的最終階段,也是發(fā)生質(zhì)量問題最多的階段。由于在編制裝配工藝初期,沒有數(shù)字化裝配驗證的手段,在實際裝配階段,經(jīng)常會發(fā)生零部件間的干涉或裝配順序不合理等現(xiàn)象,而且許多零部件制造階段產(chǎn)生的質(zhì)量隱患往往要等到裝配階段才能顯現(xiàn)出來;因而導(dǎo)致船舶柴油機(jī)裝配周期很長,返工率很高,而且裝配質(zhì)量不穩(wěn)定,這些都嚴(yán)重制約著船舶柴油機(jī)行業(yè)生產(chǎn)能力的提高。虛擬裝配技術(shù)的出現(xiàn)有效地解決了這一技術(shù)瓶頸。虛擬裝配是在虛擬環(huán)境中,利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)將設(shè)計的產(chǎn)品三維模型進(jìn)行預(yù)裝配,在滿足產(chǎn)品性能與功能的條件下,通過分析、評價、規(guī)劃和仿真等手段改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計和裝配的結(jié)構(gòu),實現(xiàn)產(chǎn)品可裝配性和經(jīng)濟(jì)性。本文提出了一種基于SolidWorks的船舶柴油機(jī)虛擬裝配和運動仿真方法,并通過對MAN B&W 5S60MC-C型柴油機(jī)全過程的實踐,證明了可以運用SolidWorks軟件的裝配和動畫制作功能,來驗證裝配序列和裝配路徑的可行性、分析最佳裝配次序、確定最優(yōu)裝配路徑。同時,通過動態(tài)模擬復(fù)雜船舶柴油機(jī)裝拆工藝過程,可以讓裝配工人熟練掌握裝配工藝、正確地進(jìn)行裝配操作、提高裝配質(zhì)量。

1 SolidWorks軟件功能簡介

SolidWorks軟件是美國solidWbrks公司在Windows平臺上研制開發(fā)的三維機(jī)械設(shè)計軟件,是一套優(yōu)秀的、綜合性的軟件;除了具有草圖繪制、零件造型、裝配體設(shè)計、工程圖生成、模具設(shè)計、鈑金設(shè)計等主要功能外,還可利用自帶的插件對設(shè)計的零件部件進(jìn)行相關(guān)的分析和優(yōu)化。通過插件的使用,用戶可以在同一個軟件界面下對同一個模型進(jìn)行設(shè)計、分析、優(yōu)化的操作,不需要將模型轉(zhuǎn)換文件格式及重新熟悉其他分析軟件界面。其中,Animator插件具有動畫制作功能,它可以將裝配好的船舶柴油機(jī)旋轉(zhuǎn)、爆炸或解除爆炸,模擬它的裝拆過程,展示船舶柴油機(jī)中零部件的配合關(guān)系,非常直觀、生動、形象;使裝配工藝設(shè)計人員和裝配操作工人可以從不同角度去觀察船舶柴油機(jī),清楚地了解它的結(jié)構(gòu)、組成和裝配過程。

2 船舶柴油機(jī)零件的三維建模

在進(jìn)行船舶柴油機(jī)的虛擬裝配及運動仿真之前,要進(jìn)行有關(guān)零件的造型。船舶柴油機(jī)由很多零部件構(gòu)成,如:機(jī)座、機(jī)架、氣缸體、活塞組件、連桿十字頭組件、曲軸組件、氣缸套、氣缸蓋、凸輪軸等;其中,圓柱銷、部分連接用螺釘是標(biāo)準(zhǔn)件,可激活Toolbox插件從標(biāo)準(zhǔn)件庫中調(diào)用,不需另外造型;其他為專用件,需要進(jìn)行造型設(shè)計。SolidWorks2008用戶界面非常人性化,便于操作,它提供了強(qiáng)大的參數(shù)化、基于特征的實體造型技術(shù);利用SolidWorks的基礎(chǔ)特征(拉伸、旋轉(zhuǎn)等)、設(shè)計特征(圓角、倒角、異形孔等)、鏡像特征(陣列、鏡像等)以及參考幾何體中基準(zhǔn)軸、基準(zhǔn)面等定位特征,這些三維實體造型工具能夠方便、快捷地創(chuàng)建出船舶柴油機(jī)組成零件的實體,并通過草圖的幾何約束及尺寸約束功能,可以創(chuàng)建出尺寸十分精確的零件造型,如圖1所示。

圖1 MAN B&W 5S60MC-C型柴油機(jī)部分零件立體圖

3 船舶柴油機(jī)的裝配體建立

設(shè)計裝配體有兩種方式:①自下而上,②自頂向下。自下而上設(shè)計法是一種比較傳統(tǒng)的方法:首先,生成各個零件,將其插入裝配體;然后,根據(jù)設(shè)計要求配合零部件,將其裝配起來。因為零件為獨立設(shè)計的,對于一般相互結(jié)構(gòu)關(guān)系及重建行為較為簡單的機(jī)械設(shè)計,這種方法比較清楚,也很實用。自頂向下的設(shè)計方法,是在裝配體中邊生成零件邊配合零件來生成裝配體,可以使用一個零件的幾何體來幫助定義另一個零件或生成組裝零件后才添加加工特征,這對于裝配關(guān)系復(fù)雜的零部件設(shè)計較適用。船舶柴油機(jī)裝配體的設(shè)計就是在上述完成零件造型的基礎(chǔ)上,完成自下而上的裝配。先新建一個裝配體,然后在插入零部件對話框中點擊瀏覽,依次選擇要插入的零部件即可。其中,第1個插入的零件十分重要,它是整個裝配體的裝配基礎(chǔ),SolidWorks軟件已默認(rèn)第1個插入的零件為固定零件,其他所有的裝配體零件都是以此為基礎(chǔ)。

由于船舶柴油機(jī)零件部件很多,裝配體也很多復(fù)雜,實際的船舶柴油機(jī)裝配生產(chǎn)分為預(yù)裝和總裝兩個部分(即:先將一些零部件裝成部件,然后再將這些部件裝配成整機(jī));因此,在建立船舶柴油機(jī)的裝配體時。也按照先建立部件裝配體,然后建立整機(jī)的裝配體。應(yīng)當(dāng)注意的是,部件裝配體在整機(jī)裝配體中是于裝配體,子裝配體在裝配體中相當(dāng)于一個整體,即使子裝配體中的零件之間沒有全定位(即:可相對運動),而在裝配體中,子裝配體中的零件是不能相對運動的,因此,一些在裝配體中需要相互之間能夠相對運動的零件不能裝配在一個子裝配體中(例如,在實際生產(chǎn)中,通常是將連桿組件和十字頭組件裝配在一起,再進(jìn)行總裝配的)。但由于在整機(jī)裝配體中,連桿和十字頭銷之間必需能相對轉(zhuǎn)動,因此只可以將連桿組件和十字頭組件分別作為兩個子裝配體裝在整機(jī)裝配體中。另外,在整機(jī)裝配體中,為了減少數(shù)據(jù)的載入量、提高裝配體的重建速度,可輕化零部件。

部件裝配體建立時,通常選擇部件中的主要零件作為裝配參照體第1個插入到裝配體中;而整機(jī)裝配體則以總裝配臺架的基礎(chǔ)作為裝配參照體第1個插入到裝配體中。插入零件后,要使零件之間達(dá)到準(zhǔn)確的配合,必須建立準(zhǔn)確的裝配約束;兩個零件之間的裝配約束,一般用三個坐標(biāo)方向的位移以及繞這三個坐標(biāo)方向的轉(zhuǎn)動表示;系統(tǒng)在配合菜單下提供了重合、平行、垂直、相切、同軸心、距離、角度7種標(biāo)準(zhǔn)配合,對稱、寬度、路徑配合、線性/線性耦合等4種高級配合,以及凸輪、齒輪、齒條小齒輪、螺旋、萬向節(jié)等5種機(jī)械配合;另外,在裝配體的特征中,還提供了皮帶/鏈,可以定義皮帶或鏈傳動。在裝配過程中的配合關(guān)系應(yīng)根據(jù)零件的運動狀態(tài)來選取,并且要考慮運動自由度的問題:船舶柴油機(jī)部件裝配體和整機(jī)裝配體中主要選取重合、同軸心、距離、凸輪、齒條小齒輪、螺旋等配合方式,以及皮帶/鏈裝配體特征;部分裝配體裝配后的效果見圖2所示。完成裝配后,為了避免實物安裝時產(chǎn)生干涉而無法安裝,必須進(jìn)行裝配體的干涉檢查;并干涉修改相應(yīng)零件,直到獲得滿意結(jié)果。

圖2 MAN B&W 5S60MC-C型柴油機(jī)部分部件裝配和整機(jī)裝配圖

4 船舶柴油機(jī)的虛擬裝配

為了直觀地表達(dá)出零部件之間的裝配關(guān)系與裝配意圖,即進(jìn)行虛擬裝配,需要將裝配體生成爆炸視圖(如圖3所示)。各零件的爆炸步驟應(yīng)該按照各零件的實際拆卸順序進(jìn)行,先拆卸的零件先爆炸。爆炸的方向,可通過選擇裝配體中零件的三維座標(biāo)方向或零件的平面、邊線等特征來確定,爆炸的距離則可以輸入距離值來確定,以能看清各零件的結(jié)構(gòu)為宜。

圖3 MAN B&W 5S60MC-C型柴油機(jī)部分裝配體爆炸圖

虛擬裝配是根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計的形狀特性、精度特性,真實地模擬產(chǎn)品的三維裝配過程,并允許用戶以交互方式控制產(chǎn)品的三維真實模擬裝配過程,以檢驗產(chǎn)品的可裝配性。在生成了船舶柴油機(jī)部件裝配體爆炸視圖或整機(jī)裝配體爆炸視圖的基礎(chǔ)上,利用SolidWorks自帶的動畫制作功能,來模擬船舶柴油機(jī)部件或整機(jī)的虛擬裝配過程。

將裝配體爆炸視圖解除爆炸后,點擊“運動算例1”標(biāo)簽,切換到動畫制作界面,利用動畫向?qū)Э梢陨尚D(zhuǎn)裝配體模型、爆炸、解除爆炸的3種基本動畫。旋轉(zhuǎn)裝配體模型,可使裝配體繞X軸、Y軸、Z軸作整體地旋轉(zhuǎn),用于展示裝配體的外觀;爆炸和解除爆炸分別用于生成裝配體的爆炸過程動畫和其反過程動畫,用于展示裝配體的結(jié)構(gòu)和裝拆過程,但使用的前提是裝配體必須生成爆炸視圖。要生成虛擬裝配動畫,運用動畫向?qū)山獬▌赢嫾纯伞Ｏ旅嬉允诸^組件裝配體的虛擬裝配為例,介紹虛擬裝配動畫制作過程。

打開制作好的十字頭組件裝配體爆炸視圖,點擊“運動算例1”標(biāo)簽,點擊“動畫向?qū)А?。出現(xiàn)“選擇動畫類型”對話框,選擇“解除爆炸”,如果是修改爆炸視圖后重新制作動畫,則可勾選“刪除所有現(xiàn)有路徑”以刪除以前制作的動畫內(nèi)容。點擊“下一步”,出現(xiàn)“動畫控制選項”,輸入動畫長度和開始時間,默認(rèn)的動畫長度是按每一爆炸步驟為1秒鐘計算的總的時間長度,如想使動畫較慢以便于觀看裝配過程,可適當(dāng)增加時間長度,開始時聞一般輸入“0”即可,點擊完成以生成動畫。十字頭組件裝配體生成的虛擬裝配動畫路徑如圖4所示。

圖4 MAN B&W 5S60MC-C型柴油機(jī)十字頭組件裝配體虛擬裝配動畫路徑

動畫生成后,點擊“播放”可播放動畫,觀看虛擬裝配的效果,如發(fā)現(xiàn)虛擬裝配的零件次序不對,可拖動該零件的對應(yīng)時間鍵碼,以改變其動畫路徑,從而改變其裝配的次序。如果發(fā)現(xiàn)虛擬裝配存在干涉,則說明產(chǎn)品無法裝配,應(yīng)回到爆炸視圖,更改爆炸設(shè)計。所有修改完成后,需點擊“計算”按鈕,重新計算運動算例,生成新的動畫,合格后單擊“保存”按鈕,可將動畫保存為AVI格式的視頻文件。

5 船舶柴油機(jī)的運動仿真

船舶柴油機(jī)整機(jī)裝配體裝配完成后,可運用“運動算例”中的馬達(dá)功能,使曲軸按照一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),進(jìn)行船舶柴油機(jī)的運動仿真。通過船舶柴油機(jī)的運動仿真,可觀察船舶柴油機(jī)各主要運動件的運動狀態(tài)(如:曲軸、連桿、十字頭、活塞、凸輪軸等),也可模擬船舶柴油機(jī)噴油正時和排氣正時的檢查調(diào)整過程。船舶柴油機(jī)的運動仿真動畫同樣可以保存為AVI格式的視頻文件。

6 結(jié)語

利用SolidWorks軟件及其虛擬裝配和仿真動畫,真實顯現(xiàn)了船舶柴油機(jī)的裝配過程和工作原理,驗證裝配序列和裝配路徑的可行性,分析最佳裝配次序,確定最優(yōu)裝配路徑,提高了裝配質(zhì)量。

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