三维设计在产品制造上的应用

刘 芳

我公司设计部门截止目前仍然以二维采用AutoCAD软件进行产品设计的主要工具手段，对于象地下卷取机配管等复杂三维空间设计任务来说，设计难度仍然很大，在设计过程中既要考虑各个管路系统的连续性，又要考虑管路走向，即便经过反复审图，在具体施工过程中仍难避免出现管路间相互干涉和管路接口错位等问题，设计的差错率始终居高不下。同时由于管路极其复杂，对于直径较小的管路，设计人员往往只能用实线表示，以基准尺寸标注管路长度，导致在生产环节，配管工人需要反复翻看图纸确定管路走向及计算长度，不仅延长管路的预制周期，降低配管工作效率，而且差错率上升，原材料浪费加大，最终增加生产成本。为此我公司在生产环节引进SolidWorks三维设计软件做为辅助设计及生产手段，以提高配管准确率，减少浪费。

SolidWorks的基本模型由零件、装配体和工程图组成，且三者间相互关联，应用其基本功能可建立草图，生成三维实体，并对实体进行加工，模拟现实的机械加工方法，使用户在设计制作产品时更加直观。而且SolidWorks可直接绘制三维草图，直接在空间中绘制线架图，完成布线、管道等系统设计。

1 管路建模

在轧机及卷取机等产品中有大量的管路，其管路繁多、管型复杂、管径不一，难免在设计过程中出现干涉现象，同时管路预制及装配工作量大且容易出错，因此在从设计到生产环节之间应用SolidWorks三维建模手段将设备立体化，将二维图纸转化成三维实体，这一增加的中间环节不但可以帮助检查设计过程中出现的漏洞及失误，使工人提前了解设备构造，帮助解决生产过程中的困难，而且最重要的是可以将复杂的空间管路的走向具体化，指导管路预制和装配，减少干涉错误。

图1 卷取机三维建模

以卷取机为例，根据二维图纸，挑选出主体设备，与管路相连接的零件，以及可能与管路发生干涉的的零部件创建三维模型，然后建立基准平面及各部分的配合关系，将各零部件按图纸进行装配，组成简单的卷取机模型（见图1）。创建管路三维模型，并按原设计图纸的装配关系及基准平面依次将各部位的管路及管路装配集成装入，连成完整的闭合回路。装配完成后检查管路与零部件间及管路与管路间的配合关系，调整管路长短和走向，检察管路间的干涉及错位现象，同时保证不影响使用及产品美观。尤其对于设备中的液压阀组，最初是由设计人员提出液压阀组的技术协议，由采购人员按设计要求进行购买。而阀组的采购周期比较长，往往与设计过程同步进行，为不影响产品进度，实际生产中不可能等到液压阀组设计完成后再将图纸投入生产，所以最终进行装配时，待装配的液压阀组与设计示意图的结构往往不能完全相符，经常出现管路接口错位现象，导致相应的管路走向也不得不发生变化。如果总是按照原设计图纸直接进行管路预制，不仅增加了液压管路的错误几率，也会影响到其它管路的走向问题，造成极大的浪费。而在配管预制前液压阀组供货厂家的阀组设计往往已基本完成，此时如果能由我们将最终的阀组建模确定管路接口，配合其它零部件及管路进行调整，就会极大的减少错误率，也可提高设计的工作效率。在完成以上所有工作后，还需要将每条管路转化成工程图，明确管路走向，标注管径及长度，指出焊接法兰、接头或弯头的位置、规格等。因为SolidWorks的工程图与三维模型本身存在关联，故在对三维管路模型进行各种修改时，工程图也会随之进行同步改动，这样就避免了以往因改图不彻底造成的错误。这种管路工程图上同时配有管路的立体模型，使管路预制直观可视，经过三维建模后所配制的管路发生错误的几率已经很低，甚至可以在预制后直接包装发往用户现场进行安装，缩短了交货周期。

2 三维钣金展开放样

钣金件在化工、冶金、船舶、包装、机械等行业中被广泛应用，它是按照成品需求将不同形状、材质和厚度的材料裁剪下来，再进行卷曲、折弯或焊接制造加工成形。钣金件在加工制作时，需要根据零件图纸要求，应用多面正投影原理，将零件的实际轮廓尺寸按照1∶1的比例预先画在金属或非金属板材上，该过程又被称作展开放样。展开放样是钣金件下料与生产必不可缺的过程，正确的展开放样可以保证钣金件制作的准确性，节省工料的使用，降低生产成本，提高生产效率。

钣金件按照构成形状表面又可分为可展曲面和不可展曲面。可展曲面理论上可以精确的展开为平面，还原后基本可以与原曲面完全吻合，例如柱面、锥面等。不可展曲面在理论上不能在平面上展开，故只能近似展开，例如球面、圆环面等。

钣金件的传统生产方法主要有图解法和计算法，这些基于投影关系的展开放样方法在板厚为零的理想状态下应用良好。但当应用于厚度较大或精度较高的板材时，即需要充分考虑板厚、展开长度及结合处形状等因素的影响，不断修正放样图，以满足零件设计要求。面对这种情况即便拥有丰富的放样经验的工人也必须经过多次反复试验才能成功，由此将造成严重的浪费，提高产品成本。

而使用SolidWorks三维展开放样方法可以根据图纸直接生成钣金件的三维图形，并能快速得到三维钣金件的二维展开图。SolidWorks的钣金设计功能很强大，任何复杂的钣金特征都能通过简单操作完成，可自动生成展开件。这种虚拟放样过程可节省下料用模板，提高工作效率及准确性。

以水电站座环为例（见图2），我公司首次生产此项产品，对其工艺过程缺乏经验，且由于产品存在复杂曲面及不规则接口，下料、加工、焊接难度都很大。但应用SolidWorks完成三维钣金建模后，三维图形中的每一个点和每一条线都有非常明确的坐标数据，工作人员可以根据这些坐标数据在下料模板上准确的绘制出展开图形，然后按照图形尺寸进行切割以作为放样的模板在下料时使用。三维建模不仅可以有效地指导下料，对于零件定位焊接也提供了很大的帮助。

图2 水电座环三维建模

就该座环产品而言，因所有零件均焊接于上下环板之上，难以在空间曲面上找到基准点进行安装，故此次将整体座环建模，通过虚拟基准点在座环表面找到某点的坐标值进行安装。对于零件间的不规则接口，可根据建模图形直接完成不规则形状零件的下料，或者根据建模形状先切割，然后再进行焊接。此项产品中的零件包括1块舌板、23片导叶、上下共53块过渡板、上下共96块导流板以及包括尾部蜗壳在内共36块蜗壳等，其中舌板与尾部蜗壳、舌板与入口处的蜗壳、蜗壳与导流板、蜗壳与过渡板、过渡板与导流板的接口形状都不尽相同，且连接处均为曲面，下料及安装难度都很大，但应用SolidWorks的三维建模及钣金放样功能，高效率实现该座环三维钣金件的二维展开，且上下过渡板分别与上下环板间成角度焊接，应用三维建模实现辅助定位后，简化了生产过程，提高了生产效率，降低了生产成本。

3 运动模拟仿真动画

动画可以形象直观地传递设计思想，是产品交流的最好工具。除应用于产品设计外，还可应用于形象传递，市场宣传。它形式多样，可用于制作产品说明书，产品操作动画演示以及图像色彩渲染等，在信息高速传递的今天，动画在产品开发销售过程中起到非常重要的作用。在某些场合中，对于结构复杂或新设计的产品，往往无法依靠文字或图表准确描述其详细结构，但用可视化的三维动态模型却可以直观展现产品的实际情况，使交流变得清晰、简单。

Animator插件是SolidWorks Office的插件之一，可以完全集成于SolidWorks。Animator能够把显示器上的三维模型、操作运动过程记录下来，生成产品的装配、爆炸、运动过程的动画文件，同时也可以生成各部分的组合动画文件。动画文件可以清晰表现各部分零件间的配合关系，同时将这些三维模型以及操作过程记录下来，生成脱离软件环境，可直接在Windows操作系统下运行观看的AVI视频文件。SolidWorks还提供了产品的渲染功能，在PhotoWorks插件中包含有背景库、材质库和光源库，通过产品材质及灯光控制等的设置，增强视觉感染力，产生高质量的动画效果。这样可以在产品还未投入生产之前，生成产品动画模型，并可以输出JPG，GIF，BMP，TIF等文件格式的宣传图片。用于设计审查、产品宣传、技术交流及技术协调等。

在我公司生产的石化及核电产品中（见图3），首先完成各零部件的三维建模，并将零部件装配成需要模拟的装配体，开启动画运动算例来模拟装配体的运动。将零部件按与正常装配的相反顺序拆解开，保证动画最终演示的正确顺序。在每个零部件的移动轨迹的起始点和终到点之间插入时间帧，设定持续时间的长度，即可实现平移，旋转等效果，按顺序完成所有零部件的轨迹及时间设置后便可以运行动画，也可为运动算例单元生成设计库文件夹在其它运动算例中使用。应用三维动态效果体现产品的结构及装配过程，既能用于市场宣传也可为首次接触的产品提供有力的技术支持，使各部门技术人员及生产工人在制造前期就可以直观了解产品结构，零件组成，装配顺序等生产信息，同时能够帮助技术人员理清工艺脉络，更好地为生产服务。

图3 核电产品三维建模

4 结 语

象SolidWorks这类三维软件能够提供美观的操作界面，灵活的操作方式及人性化的操作窗口。应用其功能可服务于产品生产过程中的诸多环节，完美的三维效果可以帮助企业承揽合同，发现设计缺陷，同时可以辅助生产过程的有序进行。合理利用其功能可以提高企业生产效率，降低成本，节约原材料，增加产品订单，提高企业形象。因此可以说用三维软件取代二维软件进行产品设计与制造是企业提高竞争力的必要保证。