三維設計在產品制造上的應用

劉 芳

我公司設計部門截止目前仍然以二維采用AutoCAD軟件進行產品設計的主要工具手段，對于象地下卷取機配管等復雜三維空間設計任務來說，設計難度仍然很大，在設計過程中既要考慮各個管路系統的連續性，又要考慮管路走向，即便經過反復審圖，在具體施工過程中仍難避免出現管路間相互干涉和管路接口錯位等問題，設計的差錯率始終居高不下。同時由于管路極其復雜，對于直徑較小的管路，設計人員往往只能用實線表示，以基準尺寸標注管路長度，導致在生產環節，配管工人需要反復翻看圖紙確定管路走向及計算長度，不僅延長管路的預制周期，降低配管工作效率，而且差錯率上升，原材料浪費加大，最終增加生產成本。為此我公司在生產環節引進SolidWorks三維設計軟件做為輔助設計及生產手段，以提高配管準確率，減少浪費。

SolidWorks的基本模型由零件、裝配體和工程圖組成，且三者間相互關聯，應用其基本功能可建立草圖，生成三維實體，并對實體進行加工，模擬現實的機械加工方法，使用戶在設計制作產品時更加直觀。而且SolidWorks可直接繪制三維草圖，直接在空間中繪制線架圖，完成布線、管道等系統設計。

1 管路建模

在軋機及卷取機等產品中有大量的管路，其管路繁多、管型復雜、管徑不一，難免在設計過程中出現干涉現象，同時管路預制及裝配工作量大且容易出錯，因此在從設計到生產環節之間應用SolidWorks三維建模手段將設備立體化，將二維圖紙轉化成三維實體，這一增加的中間環節不但可以幫助檢查設計過程中出現的漏洞及失誤，使工人提前了解設備構造，幫助解決生產過程中的困難，而且最重要的是可以將復雜的空間管路的走向具體化，指導管路預制和裝配，減少干涉錯誤。

圖1 卷取機三維建模

以卷取機為例，根據二維圖紙，挑選出主體設備，與管路相連接的零件，以及可能與管路發生干涉的的零部件創建三維模型，然后建立基準平面及各部分的配合關系，將各零部件按圖紙進行裝配，組成簡單的卷取機模型（見圖1）。創建管路三維模型，并按原設計圖紙的裝配關系及基準平面依次將各部位的管路及管路裝配集成裝入，連成完整的閉合回路。裝配完成后檢查管路與零部件間及管路與管路間的配合關系，調整管路長短和走向，檢察管路間的干涉及錯位現象，同時保證不影響使用及產品美觀。尤其對于設備中的液壓閥組，最初是由設計人員提出液壓閥組的技術協議，由采購人員按設計要求進行購買。而閥組的采購周期比較長，往往與設計過程同步進行，為不影響產品進度，實際生產中不可能等到液壓閥組設計完成后再將圖紙投入生產，所以最終進行裝配時，待裝配的液壓閥組與設計示意圖的結構往往不能完全相符，經常出現管路接口錯位現象，導致相應的管路走向也不得不發生變化。如果總是按照原設計圖紙直接進行管路預制，不僅增加了液壓管路的錯誤幾率，也會影響到其它管路的走向問題，造成極大的浪費。而在配管預制前液壓閥組供貨廠家的閥組設計往往已基本完成，此時如果能由我們將最終的閥組建模確定管路接口，配合其它零部件及管路進行調整，就會極大的減少錯誤率，也可提高設計的工作效率。在完成以上所有工作后，還需要將每條管路轉化成工程圖，明確管路走向，標注管徑及長度，指出焊接法蘭、接頭或彎頭的位置、規格等。因為SolidWorks的工程圖與三維模型本身存在關聯，故在對三維管路模型進行各種修改時，工程圖也會隨之進行同步改動，這樣就避免了以往因改圖不徹底造成的錯誤。這種管路工程圖上同時配有管路的立體模型，使管路預制直觀可視，經過三維建模后所配制的管路發生錯誤的幾率已經很低，甚至可以在預制后直接包裝發往用戶現場進行安裝，縮短了交貨周期。

2 三維鈑金展開放樣

鈑金件在化工、冶金、船舶、包裝、機械等行業中被廣泛應用，它是按照成品需求將不同形狀、材質和厚度的材料裁剪下來，再進行卷曲、折彎或焊接制造加工成形。鈑金件在加工制作時，需要根據零件圖紙要求，應用多面正投影原理，將零件的實際輪廓尺寸按照1∶1的比例預先畫在金屬或非金屬板材上，該過程又被稱作展開放樣。展開放樣是鈑金件下料與生產必不可缺的過程，正確的展開放樣可以保證鈑金件制作的準確性，節省工料的使用，降低生產成本，提高生產效率。

鈑金件按照構成形狀表面又可分為可展曲面和不可展曲面。可展曲面理論上可以精確的展開為平面，還原后基本可以與原曲面完全吻合，例如柱面、錐面等。不可展曲面在理論上不能在平面上展開，故只能近似展開，例如球面、圓環面等。

鈑金件的傳統生產方法主要有圖解法和計算法，這些基于投影關系的展開放樣方法在板厚為零的理想狀態下應用良好。但當應用于厚度較大或精度較高的板材時，即需要充分考慮板厚、展開長度及結合處形狀等因素的影響，不斷修正放樣圖，以滿足零件設計要求。面對這種情況即便擁有豐富的放樣經驗的工人也必須經過多次反復試驗才能成功，由此將造成嚴重的浪費，提高產品成本。

而使用SolidWorks三維展開放樣方法可以根據圖紙直接生成鈑金件的三維圖形，并能快速得到三維鈑金件的二維展開圖。SolidWorks的鈑金設計功能很強大，任何復雜的鈑金特征都能通過簡單操作完成，可自動生成展開件。這種虛擬放樣過程可節省下料用模板，提高工作效率及準確性。

以水電站座環為例（見圖2），我公司首次生產此項產品，對其工藝過程缺乏經驗，且由于產品存在復雜曲面及不規則接口，下料、加工、焊接難度都很大。但應用SolidWorks完成三維鈑金建模后，三維圖形中的每一個點和每一條線都有非常明確的坐標數據，工作人員可以根據這些坐標數據在下料模板上準確的繪制出展開圖形，然后按照圖形尺寸進行切割以作為放樣的模板在下料時使用。三維建模不僅可以有效地指導下料，對于零件定位焊接也提供了很大的幫助。

圖2 水電座環三維建模

就該座環產品而言，因所有零件均焊接于上下環板之上，難以在空間曲面上找到基準點進行安裝，故此次將整體座環建模，通過虛擬基準點在座環表面找到某點的坐標值進行安裝。對于零件間的不規則接口，可根據建模圖形直接完成不規則形狀零件的下料，或者根據建模形狀先切割，然后再進行焊接。此項產品中的零件包括1塊舌板、23片導葉、上下共53塊過渡板、上下共96塊導流板以及包括尾部蝸殼在內共36塊蝸殼等，其中舌板與尾部蝸殼、舌板與入口處的蝸殼、蝸殼與導流板、蝸殼與過渡板、過渡板與導流板的接口形狀都不盡相同，且連接處均為曲面，下料及安裝難度都很大，但應用SolidWorks的三維建模及鈑金放樣功能，高效率實現該座環三維鈑金件的二維展開，且上下過渡板分別與上下環板間成角度焊接，應用三維建模實現輔助定位后，簡化了生產過程，提高了生產效率，降低了生產成本。

3 運動模擬仿真動畫

動畫可以形象直觀地傳遞設計思想，是產品交流的最好工具。除應用于產品設計外，還可應用于形象傳遞，市場宣傳。它形式多樣，可用于制作產品說明書，產品操作動畫演示以及圖像色彩渲染等，在信息高速傳遞的今天，動畫在產品開發銷售過程中起到非常重要的作用。在某些場合中，對于結構復雜或新設計的產品，往往無法依靠文字或圖表準確描述其詳細結構，但用可視化的三維動態模型卻可以直觀展現產品的實際情況，使交流變得清晰、簡單。

Animator插件是SolidWorks Office的插件之一，可以完全集成于SolidWorks。Animator能夠把顯示器上的三維模型、操作運動過程記錄下來，生成產品的裝配、爆炸、運動過程的動畫文件，同時也可以生成各部分的組合動畫文件。動畫文件可以清晰表現各部分零件間的配合關系，同時將這些三維模型以及操作過程記錄下來，生成脫離軟件環境，可直接在Windows操作系統下運行觀看的AVI視頻文件。SolidWorks還提供了產品的渲染功能，在PhotoWorks插件中包含有背景庫、材質庫和光源庫，通過產品材質及燈光控制等的設置，增強視覺感染力，產生高質量的動畫效果。這樣可以在產品還未投入生產之前，生成產品動畫模型，并可以輸出JPG，GIF，BMP，TIF等文件格式的宣傳圖片。用于設計審查、產品宣傳、技術交流及技術協調等。

在我公司生產的石化及核電產品中（見圖3），首先完成各零部件的三維建模，并將零部件裝配成需要模擬的裝配體，開啟動畫運動算例來模擬裝配體的運動。將零部件按與正常裝配的相反順序拆解開，保證動畫最終演示的正確順序。在每個零部件的移動軌跡的起始點和終到點之間插入時間幀，設定持續時間的長度，即可實現平移，旋轉等效果，按順序完成所有零部件的軌跡及時間設置后便可以運行動畫，也可為運動算例單元生成設計庫文件夾在其它運動算例中使用。應用三維動態效果體現產品的結構及裝配過程，既能用于市場宣傳也可為首次接觸的產品提供有力的技術支持，使各部門技術人員及生產工人在制造前期就可以直觀了解產品結構，零件組成，裝配順序等生產信息，同時能夠幫助技術人員理清工藝脈絡，更好地為生產服務。

圖3 核電產品三維建模

4 結 語

象SolidWorks這類三維軟件能夠提供美觀的操作界面，靈活的操作方式及人性化的操作窗口。應用其功能可服務于產品生產過程中的諸多環節，完美的三維效果可以幫助企業承攬合同，發現設計缺陷，同時可以輔助生產過程的有序進行。合理利用其功能可以提高企業生產效率，降低成本，節約原材料，增加產品訂單，提高企業形象。因此可以說用三維軟件取代二維軟件進行產品設計與制造是企業提高競爭力的必要保證。