傳統裝配工藝的優化方向
——SolidWorks Composer 在電機滑環測試平臺的應用

劉宇燃

（廣州匯普機電有限公司研發部，廣州 510640）

關鍵字：SolidWorks Composer；3D 軟件；電機滑環測試平臺；虛擬裝配仿真

在新產品設計時，工程師往往只考慮了設計的功能性，受到設計軟件的限制，產品最終能否被順利制造和裝配等問題，無法在設計環節全面考慮，同時也無法得知裝配工藝、裝配步驟以及公差等的正確性。原先為解決裝配的問題，工程師需要在工程試制到最終量產的周期內，耗費大量的時間與精力，還要不斷與工藝、生產、測試等部門溝通，以確保自己的設計和裝配工藝符合要求，這種制造方式具有耗費時間長、試制樣品多、經濟性較差等缺點。

近年來，隨著制造企業生產過程執行系統（Manufacturing Execution System，MES）與計算機輔助設計等新興技術的發展，能及時模擬三維動態裝配的計算機仿真軟件應用越來越廣泛。SolidWorks Composer 可直接導入設計好的3D 模型，并以此模擬各部件裝配時的步驟、路徑，從而實現不需提前制造實物產品且不需耗費額外人力就能完成實地試裝、檢驗設計裝配是否合理以及判斷工裝夾具是否必要等工作，基本解決了新產品研發時的裝配難點。

本文將以電機滑環測試平臺的開發為背景，舉例說明SolidWorks Composer 在新產品設計與裝配階段能夠解決的技術問題，從而論證SolidWorks Composer在虛擬裝配與設計檢查等方面的應用情況。

1 項目要點

滑環單元是發電機中最重要的部件之一，與碳刷一樣，它在電機使用中會被不斷磨損，是影響發電機使用壽命的重要結構[1]。因此，計劃搭建一個測試平臺來研究不同類型的滑環與碳刷的各項性能，以確定滑環失效的潛在原因。

電機滑環測試平臺作為非標準設備，在國內的設計與制造尚屬首次，其裝配、使用與后期維護等環節的可行性均無可參考先例。作為一個測試實驗平臺，因不同的測試對象，需頻繁更換相關零部件，以滿足不同的實驗參數。因此，如何確保電機滑環測試平臺的可裝配性與調整性，是項目設計師需要解決的首要問題。

2 SolidWorks Composer 簡介

SolidWorks Composer 是一款專業的技術輔助3D軟件，主要功能在于直觀的三維交互體驗，如自定義旋轉、不同的渲染顯示樣式以及可調節的剖面視圖等，能夠幫助技術人員盡快了解設計背景、結構。同時，它也提供了非常便捷的虛擬可視化裝配過程，可以清晰檢測零件的可裝配性以及有無干涉情況等[2]。在此基礎之上，該軟件還可以生成一套完整的電子可視化手冊，用于后期的維護，如重要零件的日常監測、維護與更換等。SolidWorks Composer 的應用場景如圖1所示。

圖1 SolidWorks Composer 應用場景

3 應用案例分析

3.1 虛擬裝配仿真

在整個測試平臺軸上完成組件安裝之后，需要將滑環箱支架安裝到臺架上。因為平臺在工作時需要高速旋轉，所以對滑環箱與軸之間的同軸度要求很高[3]。由于供應商對加工能力與加工成本的把控，支架在實際制造時不得不預留單邊2 mm 的移動余量，這將導致裝配精度達不到初始設計要求。為確保裝配時的同軸度，工程師須額外設計相應的檢具來輔助裝配。在這一過程中，SolidWorks Composer 起到了重要的作用。

最初，工程師考慮使用檢驗同軸度常用的塞尺，其工作原理如圖2 所示。但是在利用SolidWorks Composer 的檢測路徑模擬和自動更新等功能后，工程師發現滑環軸、塞尺的檢測與支架的調整是先后進行的，整個過程需要重復進行。由于滑環軸的質量超過200 kg，原來一直利用吊帶及人力的粗固定方式，在實際操作過程中極容易造成精度較低的問題，可行性不高。

圖2 塞尺檢具的工作原理

受到模擬結果的啟發，工程師構思出了一個能同時進行對中和調整的自動對中方案，即工裝法蘭固定法。利用SolidWorks Composer 的模擬裝配功能，不斷優化對中法蘭的設計后，增加了法蘭外表面的錐度，且能夠使法蘭與支架孔自動配合，通過在法蘭內外表面增設倒角，使滑環軸的安裝更加方便，法蘭端面處設計兩個M8 的螺紋孔，方便拆卸。對中法蘭的剖面示意圖如圖3 所示。使用對中法蘭這一固定方法，能夠使滑環軸順利裝配到支架中，并且保證了需要的同軸度，完美地解決了最初設計與制造間的矛盾。

圖3 對中法蘭的剖面示意圖

3.2 局部細節檢驗

在SolidWorks Composer 中播放虛擬裝配的動畫時，可以在任意時序暫停，同時還能夠通過旋轉模型、縮放視角、更改零件透明度以及Digger 局部放大等功能，對各配合面的設計細節進行多角度多細節地檢查，這些方式能夠使工程師從不同角度直觀地查看整個裝配的過程，從而找出在零件設計環節中有可能被忽略的細節問題。例如：在模擬安裝編碼器感應器時，通過SolidWorks Composer 的剖視功能，工程師發現，短路環軸向定位鍵上螺栓孔與滑環軸的孔位置無法對齊，導致螺栓在模擬裝配時無法裝進螺栓孔，如圖4所示。發現該問題后，工程師通過調用該軟件的詳圖功能，發現螺栓孔與滑環軸孔都為螺紋孔，從而造成固定螺栓無法旋入。其原因為：設計時軸和鍵都考慮了軸固定的需求，從而造成冗余設計。

圖4 短路環的安裝檢查

在設計零部件時，工程師大多是按照先分別單獨設計某零部件，再組裝配合的方式進行的零件設計。因此，在實際應用中很容易造成不匹配或者重復設計的問題[4]。此時，這種問題若沒有被發現，發送給工廠或供應商開始試樣或制造后，直至裝配時才會發現這一細小的錯誤，這不但會延長裝備的制造周期，而且還會造成資源的浪費。

3.3 制作使用說明書

電機滑環測試平臺作為檢測機構，在應用過程中需經常調整零部件，以滿足不同產品的測試要求。這需要電機滑環在設計時，考慮到在產品的全生命周期內，具備良好的可維護性與可替換性。例如：在最初設計小軸承座的調節墊片時，工程師直接沿用了絕緣墊片的設計方式，但在利用SolidWorks Composer 制作更換墊片的使用說明書時，項目團隊發現如果使用這種形式的調節墊片，每次需要調整滑環軸高度時，都要將用于定位的兩個預緊螺栓完全取下，并抬起軸承座，才能將調節墊片塞入，如圖5（a）所示。這樣的一個過程不僅可能引起軸承座的位置變化，而且在整個調整中也不利于工人操作。因此，工程師將原有的整片設計更改為兩塊一組的形式，同時將圓孔改為槽口，如圖5（b）所示。這樣一來，安裝墊片時只需從左右兩側插入即可，不需要再次取下預緊螺栓，從而保證了其他零件的定位精度，也簡化了工人的操作過程。

圖5 調節墊片的設計優化

4 結語

SolidWorks Composer 在電機滑環測試平臺項目中的應用，使得傳統的研發工具與溝通方式得到了極大改善。本文通過軟件背景介紹和實際案例分析，展示出該軟件在實際工程項目中的應用方式。該軟件可以直觀形象地顯示產品的整個生命周期，而且不僅能應用在電機滑環這類創新性極強的項目中，也能在其他技術領域之幫助企業改善內外部的溝通方式，從而提升企業的工作效率，幫助工程師提前發現錯誤，為企業創造更多的價值。