大規(guī)模整機裝配三維設計方法探討

撰文/太原重工股份有限公司技術中心　李曉宏　宋麗陜西美德資訊有限公司　　李鵬

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大規(guī)模整機裝配三維設計方法探討

撰文/太原重工股份有限公司技術中心李曉宏宋麗陜西美德資訊有限公司李鵬

重型機械產品的零件數大多在數萬件以上，其三維設計的裝配，由于計算機系統(tǒng)速度、內存的限制，已不能沿用傳統(tǒng)方法，即所有零件全部裝入的模式，必須采用簡化其部件三維實體模型的方法實現。本文以三維軟件SolidWorks為例，逐一分析軟件的幾種部件模型簡化方法，論述其方法特點和適用范圍。并在典型部件上進行主要功能的對比測試，結合常規(guī)產品擠壓機、操作機及起重機整機裝配的應用，推薦不同場合下的部件模型簡化模式，整機裝配方法并分析可能出現的問題及其解決辦法。

一、引言

當前，三維設計在機械零部件方面得到全面的應用，開始向機、電、液一體的整機設計方向邁進，5000個零件左右規(guī)模的部件以起重機橋架、鍛壓機本體為代表達到成熟應用的階段。但其工程圖生成時系統(tǒng)的速度滯后現象也開始出現，打開文件、剖視圖生成等個別命令響應速度達到4、5分鐘。在整機裝配時，零件個數達到萬件以上，死機、常用命令滯后一分鐘和打開文件半小時以上的現象十分普遍，使得絕大部分產品總裝無法執(zhí)行，只能分部件顯示或開始探索部件的簡化方法。顯然，有必要對軟件功能做全面的研究，探索一種新的整機裝配模式。

二、軟件提供的部件簡化方法和測試

幾種部件基本的簡化方法如下：重新建立簡化模型；輕化方式裝配；另存為包含所有零部件的多實體零件；另存為包含外表面零部件的多實體零件；另存為包含外表面的多曲面實體零件；生成Speed Pak配置。以下逐一論述其方法特點和測試情況。

1.基本簡化方法的特點

（1）重新建立簡化模型。

一般以原有部件為基礎，建立多實體零件，只保證安裝尺寸、外型尺寸和部分剖視圖的簡化建模，以便上一級裝配使用。公司現階段起重機的系列標準件，全部采用了這一模式，具有以下特點：減少了打開文件的時間；模型穩(wěn)定性增強；不支持部件內部的運動仿真；PDM管理時須外掛明細表。由于重建模型工作量較大，只適用于100個零件規(guī)模以下的部件。

（2）輕化方式裝配。

零件只有實體、曲面進入裝配，其草圖、方程式等設計參考壓縮以減少內存的方法。以此為基礎，屏蔽高精度的顯示、自動撲捉和自動更新等附屬功能，形成針對大裝配體的通用模式。這種方法簡單實用，支持干涉檢查、視圖生成等基本功能，是一種廣泛使用的裝配模式。其缺點是由于屏蔽了內部方程式，不支持參數化設計；視圖標注時若未屏蔽草圖，邊界有可能為草圖線，當以大裝配模式打開，標注出現對象丟失的現象。在5000個零件規(guī)模內的部件，有較好的使用效果。

（3）另存為多實體零件。

包括所有零件的多實體零件、外表面零件的多實體零件和外表面的多曲面實體零件三種方式，操作方法簡單易行。它簡化了結構，提高了部件的保存、打開速度。前兩種方法對干涉檢查沒有影響，曲面模型則不能自動檢查，對視圖生成來說第一種方法沒有影響，后兩個剖視不正確或不能出剖視圖。主要缺點是其另存后的零件和原部件沒有相關性，設計變更后不能自動隨之改變。它適用于1000～10000個零件規(guī)模的部件簡化，擠壓機、工程機械等產品管路設計時一般用它處理機械設備模型。

（4）簡化配置Speed Pak。

簡化配置Speed Pak是一種針對發(fā)動機類大型復雜部件開發(fā)的簡化模式，它只提取大部件的配合面和簡化外表面進入上一級裝配，可極大地簡化模型，用它進行一般大型部件的簡化，可快速進行整機裝配，但不能進行直接的干涉檢查，工程圖自動化功能也較弱，只能出部分視圖，具體影響如表1所示。

表1

2．典型部件的測試

以包含鑄、焊和加工件的擠壓機本體，復雜機構件發(fā)動機為典型代表，使用SolidWorks2011版本，在HPZ600工作站上進行測試。由于重建模型和輕化裝配已有較好的應用，這里只作后幾種方法的測試。

（1）擠壓機本體的測試。

圖1所示為本體基本裝配體，共計零件數5123個，圖2為其不同方式的簡化模型，依次為多實體零件、外表面曲面零件、配合面加幻化外表面的Speed Pak、只有配合面的Speed Pak。速度、內存方面的對比測試如表2所示。

圖1　

圖2　

表2

其內存大約減少2～27倍、速度大約提高2～20倍。

（2）發(fā)動機的測試。

圖3所示為發(fā)動機的外表面多實體零件模型，實體個數501個，圖4為配合面加幻化外表面的Speed Pak、只有配合面的Speed Pak。速度、內存方面的對比測試如表3、4所示。其內存減少4～88倍、速度提高8～55倍。

圖3　

圖4　

表3

表4

三、典型產品的測試

對典型產品擠壓機、操作機及起重機的新方法整機裝配測試如下。

1．某型號臥式雙動擠壓機的總裝

一級部件壓機本體、管路系統(tǒng)和供錠器裝置了采用了簡化配置Speed Pak，其二級部件采用了存為多實體零件方式，在此基礎上進行了總裝，并生成了工程圖，如圖5所示。

圖5　

實體方面速度縮短6倍，內存減少6倍，實體操作無明顯滯后。

針對Speed Pak工程圖的弱點，剖視圖采用增加地基剖視實體配置、添加區(qū)域剖面線的方式生成。明細表在零件裝入基礎零件時生成，而不是在零件裝配完成后。序列號采用注釋方式而不是序列號方式生成。

2.180 噸操作機本體的總裝

對一級部件采用配合面加簡化外形（幻化表面）處理，形成Speed Pak配置，然后進行本體裝配，考慮機架為裝配基準，不作簡化處理，如圖6所示。速度、內存方面的對比測試如表5所示。

圖6　

表5

實體方面速度縮短8倍，內存減少5倍，實體操作無明顯滯后。

工程圖方面主要是交替位置視圖無法生成，需用草圖手工繪制。

3．鑄造起重機的部件簡化處理和總裝

應用Speed Pak對某型號鑄造起重機進行了一級部件的簡化，在此基礎上進行了總裝。圖7為主要部件的Speed Pak生成和總裝實體圖、工程圖。鑄造起重機新舊方法速度、內存方面的對比測試如表6所示。

圖7　

實體方面打開時間縮短7倍，內存減少3倍，操作略有滯后。工程圖方面主要是明細表和序列號的自動標注問題，現象同上。

表6

四、總裝及大型部件的簡化推薦方法

SolidWorks的大裝配功能雖然種類繁多，但分析其原理，大致可分為三類：首先是零部件實體不變、組織不變，僅改變零件的內部關系是否進入內存、顯示方式及屏蔽部分自動輔助功能的大型裝配體模式。其次是零件實體或外表面不變、組織結構改變的方式，即大型部件存為零件。最后為零件實體、組織結構完全改變的模式即簡化配置Speed Pak。其次，系統(tǒng)的預設值也有一定程度的影響。以下對系統(tǒng)設置及推薦簡化方法逐一敘述。

1.系統(tǒng)的預設值

這一部分包括操作系統(tǒng)的優(yōu)化、SolidWorks軟件的各種預設值、關閉附屬插件和增加虛擬內存等，對這一部分的對比測試結果，速度提升大致在10%左右。

2.50～5000個零件規(guī)模的部件簡化

對50～5000個零件規(guī)模的部件而言，大型裝配體模式受到廣泛應用，適用于一般機械零部件的設計。其使用方式和功能的影響詳見在軟件幫助文檔中有詳細描述。

3.1000～10000個零件規(guī)模的部件簡化

大型裝配體存為多實體零件，方法簡單，適用于1000～10000個零件規(guī)模的部件，一般在機械設計完成后，液壓、電氣設計時的機械部分作為基礎設備處理時采用，主要缺點是其多實體零件和原部件沒有相關性，不能自動隨之改變。

4.10000件以上零件規(guī)模的產品總裝

簡化配置Speed Pak極其有效，可快速進行整機裝配，但不能進行直接的干涉檢查，可能需要部分手工處理。

五、系統(tǒng)軟硬件的影響

大裝配的速度問題，主要取決于三方面的因素：硬件、軟件和建模方法，以上討論了建模方法，這里介紹一下軟硬件方面的履帶吊測試情況。硬件方面對公司現有工作站（包括服務器）的各種機型在SolidWorks 2011作了某型號履帶吊全地面底盤的測試，效果不大，多CPU、內存利用率很低，推測可能是軟件舊版本的算法并未考慮硬件的最新發(fā)展。軟件方面，以聯(lián)想工作站為平臺，對SolidWorks的2011版和2015版做了測試，內存變化不大，打開速度提升一倍，多個操作速度提升10倍以上，如表7所示，可明顯看到SolidWorks新版本對大裝配處理的改善。

表7

六、結語

從上述三臺典型產品的使用效果看，推薦方法可以順利實現上萬零件規(guī)模的三維模型實體總裝，但工程圖方面自動化功能減弱，需手工處理部分視圖和標注。這對一般大型機械產品的設計具有通用性。