对薄膜蒸发器的远程三维设计系统研究

　　本文探讨研究了对薄膜蒸发器的远程三维设计系统。

　　机械搅拌式薄膜蒸发器(以下简称薄膜蒸发器)，作为一种典型的蒸发设备，具有普通蒸发器无法比拟的优点，广泛应用于食品、制药等行业。目前国内薄膜蒸发器的结构设计基本上采用二维系统，工程设计人员需要进行大量烦琐的绘图工作，且图纸不具直观性。三维模型不仅可以更加全面地反映设计意图，还可以方便地生成工程图纸，并在此基础上进行虚拟装配、干涉检查、有限元分析、运动仿真等CAE开发。远程设计可以快速响应市场变化，减小投资风险，提高设计效率，为网络化制造和进一步优化分析奠定基础。本系统以刮板式薄膜蒸发器为研究对象，在自行开发的二维CAD参数化设计系统基础上，以VB的Web Class技术对SolidWorks进行了二次开发，集成使用了ASP技术、参数化技术和Access数据库技术，实现了刮板式薄膜蒸发器(以下薄膜蒸发器均指刮板式)远程三维设计系统，同时为其它类型搅拌设备远程设计系统的开发提供了技术参考。

　　1薄膜蒸发器三维造型参数化设计

　　1.1建模方法

　　在SolidWorks中参数化建模可以通过2种方法实现;一种方法是用户通过编程生成需要的模型，称为程序化参数建模;另一种方法是利用已有的模型，通过修改模型参数的方法得到需要的模型，称为参数修改法建模。

　　从程序编制和用户角度，结合薄膜蒸发器设备的结构特点，采用参数修改法实现参数化建模。该方法较程序化参数建模具有程序编制简单快捷、执行效率高、易于软件维护、便于升级等优点。

　　1.2零件库的建立

　　(1)绘制零件模型绘制零件草图，通过拉伸、旋转、切除等特征，创建零件模型，标注所有尺寸。

　　(2)定义驱动尺寸驱动尺寸是指实体特征的定义尺寸，通过更改驱动尺寸的大小，可以对特征重新生成。

　　(3)定义约束与驱动尺寸关系定义约束及驱动尺寸关系的目的是为了在零件重新生成之后仍能保持某些相对的位置关系。采用SolidWorks的方程式工具器定义驱动尺寸关系后，只需更改关键驱动尺寸即可重新生成整个零件。

　　(4)零件人库将零件模型以一定的名称命名，并保存于相应的路径下;同时把零件的数据文件、关键驱动尺寸的名称存人数据库中。

　　1.3数据库的建立

　　创建零件库需要尺寸参数数据库的支持，针对薄膜蒸发器零件多，尺寸参数复杂、工作量大等特点，建立了不同规格的薄膜蒸发器零部件尺寸参数数据库。只要输人薄膜蒸发器的规格，就可以查找其相应零部件的尺寸参数，针对某些需要修改的零件，进行尺寸调整，并保存相应尺寸至数据库中。选用Microsoft Access作为数据库管理系统。关键内容有2方面。

　　1.3.1分类建库

　　(1)将薄膜蒸发器中标准件跟普通零件分开建库。管法兰、设备法兰、支座等分别根据国家标准，建立相应的尺寸数据库。

　　(2)确定薄膜蒸发器的各个部件，并以每个部件名字命名建立相应的数据库，将各个部件下的零件的尺寸参数，建成数据库下的各个表。

　　1.3.2确定各个零件间的关联尺寸参数数据薄膜蒸发器

　　由几十个零件组装而成，其中不可避免出现相连接零件间的零件尺寸关联。如果仅仅将各个零件的尺寸参数输人数据库，不仅数据增多，而且容易造成零件装配出错，见图1。平板与短管装配时，平板卜孔直径与短管外径相等，那么只要确定其中一个d值，就可以同时确定两个尺寸。取平板上的d值，那么对短管，只要确定短管壁厚占和长度1，就可以绘制出短管的三维图形。

　　2薄膜蒸发器虚拟装配设计

　　2.1设计方法

　　针对薄膜蒸发器零件多，装配复杂的特点，采用自顶向上为主、自底向上为辅的装配建模方法薄膜蒸发器装配体的装配进行设计，见图2。

　　首先对薄膜蒸发器装配草图设计，接着将整个装配体逐级划分出部件、子部件，一直到最底层的零件;然后进行详细的零件设计、子部件设计和部件设计;最后，进行装配体设计，完成产品最终装配模型。在此基础上通过修改装配尺寸和零件尺寸对装配图进行参数化设计，对设计结果进行分析，判断是否符合要求，井反馈到装配设计和零部件设计。如此循环，直到装配体达到设计要求为止。

　　2.2装配模型的建立

　　装配模型是表达组成装配体的零件及零件间关系的数据结构。主要有关系模型、层次模型和面向对象模型3种。

　　关系模型不易表达装配体中零件、子装配体的体系结构，采用面向对象装配模型建立描述薄膜蒸发器的体系结构较为困难。因此，采用层次模型建立薄膜蒸发器装配模型，既弥补了关系模型的不足，又减轻了运用面向对象装配模型建立薄膜蒸发器的体系结构带来的困难。

　　依据薄膜蒸发器的结构特点和工作原理，建立薄膜蒸发器装配模型，见图3。

　　2.3装配顺序规划

　　产品装配顺序是根据产品装配模型所提供的零件之间的关系信息、零件的几何信息以及装配技术要求等，经过推理生成可行的装配顺序。综合拆卸法和优先约束法的特点，采用了一种基于优先关系约束的半角矩阵法确立装配顺序生成算法。

　　(1)根据广度优先进行搜索，确定形成各级装配结点的装配单元。如薄膜蒸发器的总装配图山分离筒、筒体、转子、封头、下盖等子装配体(零件)构成，转子由主轴、刮板装置、捕沫器、物料分布器等子装配休(零件)构成。

　　(2)确定形成装配结点的装配单元的装配顺序。如确定形成薄膜蒸发器总装配体的装配单元分离筒、筒体、转子、封头、下盖等的装配顺序。

　　(3)从由装配层次模型的底层开始，逐层向根结点逼近，递归形成装配体的装配顺序。

　　2.4装配路径规划

　　装配路径规划是虚拟装配技术研究的重点之一。装配顺序规划确定了零件装配的顺序，但没有确定零件按照什么方向或路径装配。在机械装配过程巾，每个零部件都是沿着初始的装配轨迹运动到目标位置，若移动过程中不和其他零部件发生碰撞，则称这样的运动轨迹为该零部件的(可行)装配路径。装配路径规划就是按照装配顺序给出每一个零部件单独的装配方式，也就是在一定的装配顺序下给出每一个零部件的装配路径。

　　采用基于VMap的装配路径规划。装配路径规划的算法流程，见图4。

　　2.5装配关系及装配约束类型

　　根据模型结构及其功能要求，确定薄膜蒸发器中零件与零件、零件与子装配体、子装配体与子装配体间的装配约束关系。

　　装配关系是产品装配模型的核心，产品中零部件的装配设计往往是通过相互之间的装配关系表现出来。较常见的装配关系有3类:定位关系、连接关系和运动关系，见图5。

　　在SolidWorks中，提供了7种标准配合约束关系和7种高级配合约束关系、对薄膜蒸发器用到的几种装配配合类型是标准配合约束，主要有:重合(COINCIDENT)、同轴心(CONCENTRIC)、平行相距(DISTANCE)、角度(ANGLE)等。

　　薄膜蒸发器的装配过程中用到的连接，主要有:螺纹连接、销连接、焊接等。

　　2. 6虚拟装配的实现

　　根据层次模型，由最底层开始，先确定薄膜蒸发器子装配体中各零件问的约束关系，然后根据前文确定的装配顺序和装配路径进行装配。图6为薄膜蒸发器转子装配体的刮板装置，根据前文提出的基于优先关系约束的半角矩阵法的装配顺序规划，确定刮板装置的装配顺序，以筋板作为基准件，其顺序为:筋板→平板→短管→导槽→刮板→螺栓→螺母。同时由基于VMap的装配路径规划方法，确定装配轨迹)然后根据零件间的配合约束关系，调用SolidWorks API函数，实现刮板装置的自动装配。

　　2.7装配干涉检验

　　在Youn和Wohn提出的一种用层级模型表达加速碰撞干涉检查的方法和Cohen等提出的一种在交互环境下的精确干涉检查方法的基础上，采用一种基于包容盒的逐级分解的干涉检验算法。

　　当两部件进行干涉检验时，通过调用SolidWorks API中干涉检验函数，自动对所选择的零部件进行干涉检验。

　　在转子的装配过程中，采用基于包容盒的逐级分解的干涉检验算法能快速检查出零部件装配中的干涉情况，并通知系统及时调整参数，消除干涉。

　　3薄膜蒸发器远程设计系统的实现

　　3.1系统总体结构

　　薄膜蒸发器远程三维设计系统的目标是:实现基于B/S模式的跨平台的薄膜蒸发器远程三维设计。包括零部件和装配图的三维造型设计，虚拟装配设计以及设计结果的预览、修改和下载。为此确立了如图7所示的系统总体结构。

　　(1)主界面用户打开网址后首先看到的界面，主要是对薄膜蒸发器远程三维设计系统的介绍，以及提供登陆人口。

　　(2)设计界面用户在主界面中凭用户名和密码登陆后进人的界面，可以在该界面中输入和修改设计参数，对设计模块进行造型设计并提交，同时从临时文件库中将设计好的造型图提供给用户预览。

　　(3)临时文件库用户登陆后获得的临时文件夹，用于存储设计时的造型图及数据文件。

　　(4)设计数据库设计数据库在设计过程中提供参考数据、维持状态和为三维设计系统提供基础数据。

　　(5)各设计模块从用户界面中获取相关尺寸，调用相应设计模块进行零部件和装配体的设计，并将设计结果保存在临时文件库中供用户预览和下载。

　　3. 2系统主要模块的实现

　　3.2.1设计界面设计界面是联系后台与用户的重要纽带，它具有参数输人和修改、检查参数合法性、为后台计算和设计传递参数3个功能。在Web Class中，有2种方式创建设计界面:创建HTML模板和直接输出网页代码;使用两者结合的方式创建设计界面。HTML模板是标准的HTML页面，其中包含一些Web Class能够在运行时用自定义信息替换的定界字段。根据薄膜蒸发器零部件关系及特点创建了如图8所示的网页模板，右面空白处设置类似 tageontents < /tagprefix tagname>的替换标记，在输出模板时执行替换，给出用户设计界面。

　　3.2.2数据库系统数据库系统在远程设计过程中起着非常重要的作用，除了前文中的设计数据库系统，数据库还具有以下作用:

　　(1)提供参考设计数据为了方便用户设计，系统根据工程实例提供了一套设计参数，它们存储于相应数据库中，输出用户界面时供系统检索调用。

　　(2)维持状态设计过程中有大量参数需要传递，如果仅用Session变量保存整个记录集甚至记录集数组，将很快消耗大量内存，势必影响应用程序的响应性和扩展性。因此，系统使用数据库维持状态、用户在界面中输人参数后，系统将其存入数据库，待用户返回时输出到界面供修改。

　　(3)为三维设计系统提供基础数据系统设计过程，特别是零部件设计和装配过程中，需要查找相关尺寸及其装配关系，这些数据都分类存储于数据库中。

　　3.2.3参数化设计及装配模块参数化设计及装配模块是本系统中的核心部分，从零部件设计到装配图设计，各个部分都有相应的Webitem与之对应，Webitem负责响应用户请求，输出设计界面，每个webitem对应的form1事件负责接收设计界面传来的数据，并调用各个设计模块进行二维参数化设计。

　　3.2.4用户信息及文件管理模块用户登陆后即为其设置临时日录，当用户提交设计参数后将得到后缀名为SLDPRT的SolidWorks造型图，以供预览或下载，查看设计是否满足要求。系统在服务器上设置3个文件库，用户登陆后将图库中的基础数据和造型图调到临时文件库中，系统将所有造型图及数据存于临时文件库，供用户预览和下载，当用户设计结束或离开系统时将临时文件库中所有资料转至备份文件库，供管理员查看，最后清空临时文件库。

　　在WebClass中存在造型图更新滞后问题，即每次用户修改完数据重新生成造型图后却只能得到修改前的造型图。为了解决这个问题，在临时图库巾设置了缓存文件夹，对每次生成的造型图名添加随机数，即每次生成不同名称造型图，强制系统寻找当前文件名以提供预览，当用户进行下部件设计时即认为用户对该图满意，系统以特定名称将造型图存人临时文件库，以备后面调用和下载。

　　3. 3薄膜蒸发器远程三维设计系统应用实例

　　以10 平方米薄膜蒸发器物料分布器的远程设计为例来说明系统的实现过程。登陆系统后选择物料分布器设计，进人如图10所示的物料分布器设计界面，输人设计参数后提交，设计完成后用户可以下载或修改设计造型图，图11为在浏览器中预览物料分布器设计结果。图12、图13为在浏览器中预览转子和总体装配造型图(为显示内部结构，下筒体设置了隐藏)。

　　4结论

　　研究并开发了刮板式薄膜蒸发器远程三维设计系统。系统的开发顺应了CAD发展的趋势，提高了薄膜蒸发器设计水平，缩短了开发周期并降低了设计成本，从而增强了市场竞争力，为CAE开发、工程图的实现及其网络化制造奠定了基础。提出的应用WebClass技术对SolidWorks进行远程设计系统的开发具有简捷、快速、高效等特点，其开发过程同样适用于其它远程三维设计系统。