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(yàn)證的手段,在實(shí)際裝配階段,經(jīng)常會(huì)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(shí)技術(shù)將設(shè)計(jì)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(jià)、規(guī)劃和仿真等手段改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和裝配的結(jié)構(gòu),實(shí)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(yùn)動(dòng)仿真方法,并通過對MAN B&W 5S60MC-C型柴油機(jī)全過程的實(shí)踐,證明了可以運(yùn)用SolidWorks軟件的裝配和動(dòng)畫制作功能,來驗(yàn)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(shí),通過動(dòng)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(tái)上研制開發(fā)的三維機(jī)械設(shè)計(jì)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(jì)、工程圖生成、模具設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)等主要功能外,還可利用自帶的插件對設(shè)計(jì)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(gè)軟件界面下對同一個(gè)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)、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(dòng)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(dòng)、形象;使裝配工藝設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)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(jì)。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(shí)體造型技術(shù);利用SolidWorks的基礎(chǔ)特征(拉伸、旋轉(zhuǎn)等)、設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)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(jì)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(jì)法是一種比較傳統(tǒng)的方法:首先,生成各個(gè)零件,將其插入裝配體;然后,根據(jù)設(shè)計(jì)要求配合零部件,將其裝配起來。因?yàn)榱慵楠?dú)立設(shè)計(jì)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(jì),這種方法比較清楚,也很實(shí)用。自頂向下的設(shè)計(jì)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(gè)零件的幾何體來幫助定義另一個(gè)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(jì)較適用。船舶柴油機(jī)裝配體的設(shè)計(jì)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(gè)裝配體,然后在插入零部件對話框中點(diǎn)擊瀏覽,依次選擇要插入的零部件即可。其中,第1個(gè)插入的零件十分重要,它是整個(gè)裝配體的裝配基礎(chǔ),SolidWorks軟件已默認(rèn)第1個(gè)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(shí)際的船舶柴油機(jī)裝配生產(chǎn)分為預(yù)裝和總裝兩個(gè)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(shí)。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(gè)整體,即使子裝配體中的零件之間沒有全定位(即:可相對運(yùn)動(dòng)),而在裝配體中,子裝配體中的零件是不能相對運(yùn)動(dòng)的,因此,一些在裝配體中需要相互之間能夠相對運(yùn)動(dòng)的零件不能裝配在一個(gè)子裝配體中(例如,在實(shí)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(dòng),因此只可以將連桿組件和十字頭組件分別作為兩個(gè)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(shí),通常選擇部件中的主要零件作為裝配參照體第1個(gè)插入到裝配體中;而整機(jī)裝配體則以總裝配臺(tái)架的基礎(chǔ)作為裝配參照體第1個(gè)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(gè)零件之間的裝配約束,一般用三個(gè)坐標(biāo)方向的位移以及繞這三個(gè)坐標(biāo)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)。在裝配過程中的配合關(guān)系應(yīng)根據(jù)零件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來選取,并且要考慮運(yùn)動(dòng)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(shí)物安裝時(shí)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(shí)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(jì)的形狀特性、精度特性,真實(shí)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(shí)模擬裝配過程,以檢驗(yàn)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(dòng)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(diǎn)擊“運(yùn)動(dòng)算例1”標(biāo)簽,切換到動(dòng)畫制作界面,利用動(dòng)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(dòng)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(dòng)畫和其反過程動(dòng)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(dòng)畫,運(yùn)用動(dòng)畫向?qū)山獬▌?dòng)畫即可。下面以十字頭組件裝配體的虛擬裝配為例,介紹虛擬裝配動(dòng)畫制作過程。

打開制作好的十字頭組件裝配體爆炸視圖,點(diǎn)擊“運(yùn)動(dòng)算例1”標(biāo)簽,點(diǎn)擊“動(dòng)畫向?qū)А?。出現(xiàn)“選擇動(dòng)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(dòng)畫,則可勾選“刪除所有現(xiàn)有路徑”以刪除以前制作的動(dòng)畫內(nèi)容。點(diǎn)擊“下一步”,出現(xiàn)“動(dòng)畫控制選項(xiàng)”,輸入動(dòng)畫長度和開始時(shí)間,默認(rèn)的動(dòng)畫長度是按每一爆炸步驟為1秒鐘計(jì)算的總的時(shí)間長度,如想使動(dòng)畫較慢以便于觀看裝配過程,可適當(dāng)增加時(shí)間長度,開始時(shí)聞一般輸入“0”即可,點(diǎn)擊完成以生成動(dòng)畫。十字頭組件裝配體生成的虛擬裝配動(dòng)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(dòng)畫路徑

動(dòng)畫生成后,點(diǎn)擊“播放”可播放動(dòng)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(dòng)該零件的對應(yīng)時(shí)間鍵碼,以改變其動(dòng)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(jì)。所有修改完成后,需點(diǎn)擊“計(jì)算”按鈕,重新計(jì)算運(yùn)動(dòng)算例,生成新的動(dòng)畫,合格后單擊“保存”按鈕,可將動(dòng)畫保存為AVI格式的視頻文件。

5 船舶柴油機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真

船舶柴油機(jī)整機(jī)裝配體裝配完成后,可運(yùn)用“運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)仿真。通過船舶柴油機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真,可觀察船舶柴油機(jī)各主要運(yùn)動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)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(shí)和排氣正時(shí)的檢查調(diào)整過程。船舶柴油機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真動(dòng)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(dòng)畫,真實(shí)顯現(xiàn)了船舶柴油機(jī)的裝配過程和工作原理,驗(yàn)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。

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才