曲轴箱三维可视化工艺

□ 吴 勇

中国石油集团济柴动力有限公司成都分公司 成都 610100

1 研究背景

随着压缩机机型向大型、多列发展,曲轴箱、曲轴、气缸、活塞等主要零部件的装配质量成为影响压缩机使用寿命和使用性能的重要因素。在装配过程中,掌握关键零部件的装配技术,可以避免压缩机运行时发生故障,保证压缩机处于正常工况,延长压缩机的使用寿命。

装配质量是压缩机生命周期中的重要环节,压缩机装配占用超过40%的生产费用,装配所需工时占压缩机生产制造总工时的40%～60%,对于大型复杂压缩机组而言,这个比例会更高。压缩机装配主要包括分装、总装、调试、检验、试验等工作,在整个压缩机制造过程中,装配具有非常重要的作用。三维计算机辅助设计、制造软件因自身强大的功能及相比传统二维设计所具有的无法比拟的优越性,被越来越多的企业应用,提高了压缩机的设计效率和生产加工的自动化水平。但是,由于压缩机装配环节与装配工人的知识、经验关系密切,相比三维零件设计和加工的快速发展,三维装配工艺规划技术发展仍相对滞后。目前,压缩机装配工艺文件停留在计算机辅助设计配图编制状态,装配顺序设计依赖于工程师以往的经验,工装夹具的设计更是仅凭工程师的空间想象能力与经验,缺少可视化的设计与评估依据,人机工程学在装配过程中的应用也是空白,制约了企业生产的自动化发展。

由此可见,进行可视化的装配工艺规划技术研究,提高产品的可装配性,成为企业提高产品装配生产效率,降低产品成本的迫切需要。笔者利用SolidWorks软件对压缩机曲轴箱进行建模和虚拟装配,并利用Composer软件对装配过程进行动画仿真,然后生成三维工艺文件,用以指导装配生产。

2 三维建模

笔者以压缩机曲轴箱为例,首先利用SolidWorks软件对某机型曲轴箱各零件进行三维建模,并直接对各零件进行渲染,曲轴箱总成的各零件建模如图1所示。SolidWorks软件的所有模块都是全相关的,在设计时对图形中某一处进行修改,能够扩展到整个设计中,同时自动更新所有的工程文档,包括装配体、设计图纸及制造数据。全相关性允许在开发周期的任一点进行修改,却没有任何损失,并使设计并行工程成为可能,能够使开发后期的一些功能提前发挥作用 。

SolidWorks软件建模使用设计人员较为熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象,可以按预先设置很容易地进行修改。

曲轴箱零部件建模完成后,进行装配。曲轴箱总成装配体如图2所示。依据设计好的装配工艺流程,对产品装配过程和拆卸过程进行三维动态仿真,验证每个零件按设计的工艺顺序是否能无阻碍地实现装配。同时可通过动态干涉和缝隙检查功能,评价产品设计的合理性,检查装配工艺规划的可行性,帮助设计人员在产品设计早期发现产品设计缺陷及装配工艺设计缺陷,缩短设计周期。

▲图1 曲轴箱总成各零件建模

▲图2 曲轴箱总成装配体

3 模型导入

Composer软件可以帮助用户利用三维计算机辅助设计数据创建能够清晰有效呈现复杂产品的动态及图形内容。简单而直观的界面为用户提供方便的工具,使用户可以轻松地使用已完成的三维数据,制作创新的三维互动市场营销相关材料、产品手册、装配指令和培训材料。与此同时,使用Composer软件可方便地创建零部件详细视图、交互式材料明细表和零件列表、高分辨率图像、 技术图解、交互式动画,还可快速发布交互式页面、光栅图形、矢量线条图、视频。Composer软件具有强大的数据交换功能,能够直接将SolidWorks 软件绘制的曲轴箱装配体文件转换为.smg格式文件,导人Composer软件。

三维模型的导入在Composer软件三维动画创建过程中具有非常重要的作用,是使用动画模块进行三维创建的重要步骤 。启动Composer软件,进入工作环境。 在主菜单中选取“打开”选项,系统弹出如图3所示“打开”对话框。在对话框中选取所需的模式,找到需要的文件,即可进入导入模式,进行模型的导入。由于创建三维动画是此次使用 Composer软件进行动画仿真的主要目的,因此动画模块是最基本和最核心的模块。

▲图3 “打开”对话框

4 虚拟装配与仿真动画

曲轴箱机身部件装配工艺流程如图4所示。根据曲轴箱装配工艺设计原则和要求,结合装配曲轴箱及车间的实际条件,分析曲轴箱装配的可行性工艺路线,从而设计出科学、经济、合理的装配工艺路线。根据工序的划分,在三维数字化环境下进行各工序的细节装配过程设计,确定工序零部件的装配顺序,同时支持在三维环境中对装配对象资源等进行三维标注,清晰表达工艺设计目标,准确传递工艺制造意图。

仿真动画是直接面向装配工人的直观演示装配文件,以虚拟装配工艺模型、装配序列和路径规划、工艺脚本为基础,通过对零部件模型赋予运动自由度,对零部件运动路径作约束处理,对零部件模型运动的类型和时间进行约束处理,定义装配资源和操作语义信息等,在计算机仿真装配环境中对产品实际装配过程实现真实模拟。应用仿真动画使工艺人员可以直观定量、定性分析每个工艺设计细节,将以往大量在试制过程中验证、优化的设计结果提前在计算机仿真环境中模拟,不但可以提前发现问题,而且可以通过科学测量、可视化分析,设计出合理的改进方案。仿真动画还使装配工人更容易理解装配工艺,减少了装配过程中反复发生的人为差错。

▲图4 曲轴箱机身部件装配工艺流程

将所有零件的不透明性设置为0,仅保留第一道工序所装配零件的不透明性为255。调整至合适角度后,点击设置关键帧及设置相机关键帧,实现曲轴箱装配动画制作。

将时间轴拖至1 s处,将所装配零件装配到位,点击设置关键帧。制作所有工序装配动画,每个动作的时间间隔设置为2 s。待装配零件出现时,将不透明性由0改为255,并将变化时间设置为2 s。需要转换视角时,在转换前一个动作完成时点击设置相机关键帧,拖动时间轴至下1 s,转换至合适视角后,再次点击设置相机关键帧。Composer软件提供了一些工具,用于为视图添加标记、标注及测量角色 。这些工具包括箭头、图像、标签、编号、尺寸等,统称为协同角色,可以帮助设计人员在动画显示制作中更加准确地表述设计目的及意图。

将文件另存为可执行的.exe格式文件。这一文件占用空间小,占用系统资源少,不能直接修改,客户端不需要安装Composer软件也可执行这一文件。这一文件可实现按工序查看装配内容,将鼠标移至零件上会显示零件号。编制零件明细文件,如图5所示。

▲图5 零件明细文件

可以直接点击.exe格式文件进行装配动画播放,适用于工艺文件的管理及执行。文件修订时,可以从服务器重新下载,保持工艺文件为最新状态。

5 结束语

笔者介绍了曲轴箱三维可视化工艺,利用三维立体装配图,将曲轴箱设计装配工艺的信息以三维可视化图形表现出来,可以使装配工人以更直观的方式了解产品的装配关系,理解产品的装配工艺和工艺流程。与以往装配工艺方式相比,装配工人减少了看二维图纸和理解文字工艺流程的时间,减少了歧义,提高了装配工作的准确率和效率。三维可视化工艺技术不仅将三维装配工艺信息彻底传递至车间装配现场,实现无纸化、数字化传递,而且将工艺设计和过程仿真的结果以数字化工作指令的形式传递至车间装配现场,大大方便了装配工人对所做工作的理解,降低了装配工人出差错的可能性。