三维设计技术在轧花机设计中的应用

■ 何永堂张 霖

〔1恒天重工股份有限公司，河南郑州450000〕

〔2郑州棉麻工程技术设计研究所，河南郑州450000〕

三维设计技术在轧花机设计中的应用

■ 何永堂1张 霖2

〔1恒天重工股份有限公司，河南郑州450000〕

〔2郑州棉麻工程技术设计研究所，河南郑州450000〕

轧花机三维设计的应用，既提高了设计效率、设计质量，也大大降低了设计错误率，减少了生产过程中的退返修件的情况，缩短了加工生产周期，有效保证了设备的按时交货，确保棉花加工企业在轧季顺利开车加工。

三维设计；轧花机

1 概述

棉花加工行业的特殊性，决定了棉花加工设备生产企业要有快速的市场反应机制，以适应棉花加工企业的季节性生产要求。轧花机作为棉花加工生产流程中的核心设备，在设计过程中要科学、合理、快速、高效。结合当前国际国内机械设计行业的发展，三维设计技术在轧花设备中的应用成为必然。

2 设计理念

基于三维设计软件的自顶向下设计是目前机械行业内一种较为先进的手段和方式。自顶向下设计的设计思想就是在产品整机设计的最初阶段，就定位在产品系统构成的最高层面来考虑产品的总体设计和功能性设计。也就是说在产品设计之初，针对设计要求，综合考虑构成产品的各部分间的关系，在方案设计时将组成整机的部件作为系统的一个零件来考虑，确定产品的组成、相互关系、实现方式、主要参数及参数间的关系，以此建立所设计的产品的二维布局图和三维骨架模型，通过给定的设计约束条件、关键的设计参数等设计信息，集中地捕捉产品整机设计意图，形成设计的总体方案，然后在此基础上分解设计目标给分系统具体实施，分系统从上级系统获得某些关键尺寸和定位基准，并在上级系统确定的边界内开展设计，最终完成总体性能最优的设计。并能在以后的产品系列化设计中实现高效、快速的参数化设计。

3 设计平台

基于以上理念，在进行基于Pro/E的轧花机三维设计之初，首先要建立相应的基础技术环境，例如：建立基于企业的标准设计模板，制订相应的设计规范化规则，建立标准件库、通用件库、配套件库等相关典型零件库。

同时，采用Pro/Intralink作为产品并行设计平台，以保证能够流畅、科学、有效地开展自顶向下的设计过程。

4 设计流程

针对轧花机，在运用Pro/E进行自顶向下设计时，首先要建立轧花机的总布局，在总布局中进行方案设计，确定产品控制的关键参数；其次建立轧花机的组件模型，定义产品结构，并向总布局提出参数共享声明；再次建立整体结构的骨架模型，进行总体结构的三维规划，利用关系使骨架的相关尺寸受到所定参数的控制；然后建立子组件模型，定义部件结构，声明总布局草图参数，同时，建立子组件结构骨架模型，进行二级组件结构的三维规划；最后，按照所划分的轧花机结构展开设计，建立各部分与总布局中参数的数学关系。利用此种方式进行的产品设计可以通过参数的传递来传达产品的整体设计意图，保证设计信息的连贯性、正确性和统一性。

1.总布局图。

根据轧花机结构及其功能性特点，综合考虑轧花机清花部分和轧花部分，结合市场需求及轧花机技术发展趋势，形成轧花机的设计方案草图，即轧花机布局图。此布局图在绘制上不需要所有细节都有精确的零件轮廓尺寸及各零部件间的尺寸定位，只是着重表述轧花机结构方案，只对重要部分进行详细要求和说明。提炼出需要重点控制的参数，根据参数之间的关系，建立重要参数之间的函数关系式。

2.骨架模型。

依据以上所做的轧花机方案布局图，利用点、线、面、基准线、基准点、基准面、坐标系等相关元素建立轧花机骨架模型。在建立骨架模型过程中，通过布局声明，继承布局图中所定义的参数，将参数应用到相应的模型元素中。从一定意义上说，骨架模型也可以视作为三维的布局方案图。

3.数字模型。

布局图和骨架模型的完成，标志着产品第一阶段方案的确定和完成。接下来要做的就是设计工程师依据设计负责人所完成的布局图和骨架模型，进行详细的零部件设计。

在详细设计之初，首先要通过几何复制的方式，将骨架模型中的基准几何元素继承过来，以此做为进一步设计的基准和依据。当然，也可以通过布局声明，将布局中的参数声明过来，让这些参数与所设计的零部件具体参数尺寸产生一定的函数方程关系，以实现设计参数的可控性。

5 设计分析

在三维数字化设计模型的基础之上，对清花部分中的刺钉辊、毛刷辊，轧花部分的锯轴、肋条等关键部件、关键零件运用仿真技术进行分析研究，实现了技术创新和技术突破，同时也提高了设计技术含量。

运用Pro/E自顶向下设计方法建立的轧花机三维虚拟样机完成后，再利用Ansys对机架、滚筒、刺辊等主关件进行结构强度有限元分析计算；用Gambit建立风流场模型；用Fluent对气体场分布分析研究，分析轧花机运行过程中的气流运行情况；用Pro/E Mechanism进行运动学、力平衡、动力学分析。

在轧花机设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术糅合在一起，在计算机上建造出轧花机的整体模型，并针对轧花机在投入使用后的各种工况进行仿真分析，达到了改进设计、提高轧花机整体性能的目的。

6 设计输出

轧花机设计完成后，充分利用其三维设计的优势，在钣金加工生产线及数控加工中心上分别进行了CAM技术实施。

另外，对于那些由传统加工设备加工的零件，则仍需绘制出符合国家及行业标准的二维工程图。由于三维零件的关联性，在充分保证三维数字样机正确装配的情况下，转化后的零件尺寸是不会出现尺寸错误或变动的。因此，既提高了设计质量又缩短了生产周期。

7 优势分析

轧花机三维设计完成后，取得了较好的效果，总结起来有以下几大特点。

1.并行设计平台的运用，为产品设计提供了一个快速有效的设计动态协作环境。通过工程数据信息的实时传递交流，推动设计小组的协作，实现了产品设计过程中方案资源的统一性、设计信息的共享性和设计结果的可控性，减少了设计错误。

2.通过参数设定和关系约束，在对轧花机改型时可以有效利用现有设计数据，实现系列化产品的快速改型、改进设计，由此缩短设计周期，提升设计效率和设计质量，规范化管理设计数据。

3.将产品设计负责人从繁重的零件设计工作中解脱出来，使设计负责人能够将精力主要放在产品技术方案的设计规划和产品结构的优化设计上，拓展了设计师的思维。

4.有效简化了产品相互关系的管理，简化了用户的信息管理工作，实现了产品设计从概念到设计和制造等各种阶段的管理。

5.革新了原有的图档管理工作，以版本控制来管理所有设计者对其设计工作所做的变化；实现了产品设计过程的信息化管理，通过权限设置，防止了无意识或未授权的修改；设计完成后，利用Pro/E三维模型和二维工程图的相关性功能，在保证三维模型与二维图纸的一致性的同时也提高了图档查询的效率。

6.更加系统化、科学化地应用公司设计资源，提高公司技术水平，使公司更快地适应今后市场的发展要求，提高了企业敏捷响应市场的能力。

8 小结

轧花机三维设计的应用，既提高了设计效率、设计质量，也大大降低了设计错误率，减少了生产过程中的退返修件的情况，缩短了加工生产周期，有效保证了设备的按时交货，确保棉花加工企业轧季的顺利开车加工。但是，以上三维技术的应用还比较有限，并没有完全发挥三维数字化设计的优势，要想真正实现数字化设计，还需要一系列相关软硬件的配套，例如相应的国家三维机械设计制造标准，适应CAM的加工设备的配备，配套件厂家的相应技术等。所以，我们有理由相信，随着相关技术的发展，三维数字化设计将会给棉花加工设备制造企业带来革命性的变化。