虚拟设计技术在产品开发中的应用研究*

余志伟

(江汉大学 智能制造学院,湖北 武汉 430056)

0 引 言

虚拟设计是以计算机辅助设计软件为平台的一种先进设计技术。它可以对产品进行三维建模、虚拟装配,及时发现和解决设计中的问题,实现产品的优化设计,从而缩短开发周期、提高设计质量、降低开发成本。

目前三维CAD主流软件包括Creo(PROE)、UG-NX、CATIA、SolidWorks等产品。其中Creo(PROE)是美国参数技术公司(PTC)旗下的三维软件,主要用于家用电器、汽车、航空等行业。UG-NX由德国西门子公司出品,属于三维设计软件中的高端产品,非常适合做模具设计,尤其是注塑模具设计,超过80%的模具设计人员都在使用该软件。CATIA是法国达索公司在Windows环境下开发的软件,是达索公司的旗舰高端产品。其在复杂曲面设计、逆向设计中的优势很明显,广泛应用在航空、汽车、船舶等行业。SolidWorks是达索公司的另外一款产品。该软件最大优势是性能优异、操作简单、易于使用[1],特别适合产品设计的初学者学习使用。不少高校的设计专业中都开设了该软件的课程学习。它在国内高校、中小微企业设计领域的占有率非常高。

换向阀是具有两种或多种流动形式和油口的方向控制阀。换向阀的作用是利用阀芯与阀体的相对运动来控制液流方向,实现油路沟通换向。目前换向阀的故障主要为换向动作慢或者卡死,原因是设计时阀门和阀体的设计和配合尺寸存在问题。传统的解决办法是对实体零件进行二次修配,这种方式存在耗时长、成本高、效率低的问题。

针对以上问题,笔者基于计算机虚拟设计技术,通过对换向阀三维建模、虚拟装配和干涉检查,在设计阶段及时发现并解决问题。这种方法对产品开发设计人员具有较高的参考意义和实用价值。

1 阀体零件的三维建模

换向阀由阀体、阀门、锁紧螺母、手柄、垫圈、螺母和填料七种零件组成。换向阀装配图如图1所示。

图1 换向阀装配图

工作时,流体从右边进入,因上出口不通,流体从下出口流出。当转动手柄,使阀门旋转180°时,则下出口不通,流体改从上出口流出。根据手柄转动的角度大小,换向阀还可以调节出口处的流量。以下以换向阀为例,详细介绍产品的三维建模和虚拟装配方法。

阀体是换向阀中最复杂的零件,该零件属于箱体类零件[2]。其三维建模方法具有典型性和代表性,阀体零件图如图2所示。

图2 阀体零件图

零件主体结构由圆台、圆柱、连接板组成,零件里面有螺纹孔、台阶孔、退刀槽、圆锥孔、圆柱孔等复杂结构。其中圆锥孔的锥度和连接板的斜度处理比较关键,是决定零件造型精度的关键问题。不同零件的具体结构和组合方式不同,因此三维建模的具体方法也各不一样。常见的建模方法是根据零件的形状结构特征,通过拉伸、旋转或者放样等方式创建基本实体。基本实体创建完成以后,再处理里面的孔、槽和螺纹等结构。一般常用的命令有草图绘制、拉伸凸台、旋转凸台、异型孔向导、拉伸切除、旋转切除、倒圆和倒角等建模命令。对于复杂零件而言,不同的建模方法建模的速度和后续的装配影响不同,以下以阀体为例详细讲解复杂零件的建模方法和技巧。

1.1 基本体三维建模方法

建模步骤为:①新建零件,在草图环境下取“前视基准面”作为草图绘制平面,绘制中间圆台和右端圆柱的外形草图,通过“旋转凸台”命令生成凸台实体;②取“前视基准面”作为草图绘制平面,绘制基本体里面的阶梯孔草图,通过“旋转切除”命令生成阶梯孔;③选择左右孔,利用“螺纹装饰线”命令,生成螺纹面;④取“上视基准面”作为草图绘制平面,绘制中间圆柱草图,通过“拉伸凸台”命令生成凸台实体。阀体基本体如图3所示。

图3 阀体基本体

1.2 锥形孔三维建模方法

锥度是指正圆锥的底圆直径与圆锥高度之比,在图样中常以1:n的形式标注,如图4所示为锥度1:6的画法,其中,h为字体高度[3]。

图4 锥度1∶6的画法 图5 锥形孔建模方法

阀体里面有一个锥度为1:10的锥孔,其建模方式如下:①取“前视基准面”作为草图绘制平面,绘制锥形孔的外形草图;②标注锥形孔的角度尺寸,在弹窗的对话框里面,填写角度大小为atn(1/10),单位选择弧度,确定以后,系统会自动计算出准确的角度大小;③通过“旋转切除”命令生成孔。锥形孔建模方法如图5所示。

1.3 连接板三维建模方法

连接板外形由左边的长方形和右边的三角形组合而成。其中右边三角形的斜边的斜度是1:2.5。连接板外形视图如图6所示。

图6 连接板外形视图

其建模方式如下:①取“右视基准面”作为草图绘制平面,绘制连接板的外形草图;②标注三角形斜边的角度尺寸,在弹窗的对话框里面,填写角度大小为atn(1/2.5),单位选择弧度,确定以后,系统会自动计算出准确的角度大小;③通过“拉伸凸台”命令生成凸台实体[4];④通过“镜像”命令生成下方圆柱实体。

2 换向阀虚拟装配

虚拟装配有助于及时发现和解决机器设计中出现的问题,并及时进行优化设计。阀体实体如图7所示。机器装配完成以后,在所出的工程图中,会根据机器的具体结构进行剖视图表达。在零件设计过程中,设计原点和基准面是根据其形状结构特点决定的。因此,装配体的原点和基准面有可能和零件不一致,如图8所示。

图7 阀体实体 图8 设计和装配原点不一致

作剖视图时,由基准面剖切得到的剖面形状不满足工程图中剖视图的画法要求。因此,选择阀体作为第一个零件插入到装配体中时,一定要确保阀体的原点和装配体原点重合,同时阀体和装配体的基准面也重合一起。具体操作方式有两种:①当插入阀体零件时,不要用鼠标左键指定具体插入位置,而是直接选择确定按钮,这样系统会将设计原点和装配原点重合放置在一起;②插入零件后,如果原点不重合,先选择零件,将其固定状态换成浮动状态,然后分别选择零件的设计原点和装配原点,添加重合约束。当弹出的对话框提示将重新定义装配体时,点击确定即可。系统会自动将设计原点和装配原点重合在一起。如图9所示。

图9 设计和装配原点重合 图10 换向阀虚拟装配

虚拟装配时应该采用自下而上的装配方式,沿着装配干线,将换向阀的零件依次插入到装配体中,插入时注意零件的装配关系和连接方式,添加重合、平行、垂直、同心或同轴等约束关系,完成换向阀的虚拟装配。虚拟装配结果如图10所示。

3 换向阀干涉检查

虚拟装配完成后,对装配体进行干涉检查,以及时发现装配体中零件之间的装配位置以及连接关系是否正确。具体操作方法如下:①选择软件工具中评估菜单里面的“干涉检查”命令,点击检查按钮。系统会对装配体进行检查,如果有干涉情况出现,在装配体发生干涉的地方会出现红色高亮显示,从而让设计者直观地定位装配体中干涉零件的位置。同时系统会提示干涉的原因,比如零件装配面错位, 回转体零件不同轴等干涉问题。②点击装配体中干涉零件,根据零件在装配体中的定位尺寸或者定位条件,调整零件位置和配合方式,以快速达到设计要求。干涉检查结果如图11所示。

图11 干涉检查结果

阀门和阀体干涉的问题一旦出现,会造成换向阀在使用过程中出现装配困难,甚至运行时卡死的情况,严重影响机器运行的稳定性,进而造成安全事故。在虚拟装配和干涉检查中,掌握合适的建模方法和技巧,及时发现和解决该问题,可达到优化设计的目的。

4 结 语

换向阀在使用中存在换向动作慢或者卡死的问题,传统的解决办法耗时长、成本高、效率低。通过对换向阀进行三维建模、虚拟装配和干涉检查,及时发现和解决问题,进而缩短了开发周期、降低了开发成本、提高了设计效率,达到了优化产品设计的目的,对产品设计开发人员具有较高的参考意义和实用价值。