SolidWorks虚拟装配实例

　　本文给出了SolidWorks虚拟装配的一个实例。

　　1、引言

　　通常认为最后产品成本的70%是在设计期间确定的，这是在设计初期就应该悉心考虑虚拟装配的一个重要理由。而由于产品装配在整个产品生命周期中的重要性，因此对产品的虚拟装配进行研究和应用，对于增强制造企业的产品竞争力具有重要意义。同时虚拟装配又是是虚拟产品开发(VPD, virtual product development)、数字样机(DMU, Digital Mock-Up)、虚拟样机(VP, virtual prototyping)和面向装配的设计(DFA, design for assembly)的核心技术之一，因此虚拟装配的研究和应用具有很现实的意义。

　　虚拟装配又是很好的沟通工具，它能够获得完全视觉化的产品，可以用于产品的设计、制造、销售等阶段，本文所做的虚拟装配主要用于新员工的培训，使新员工，特别是现场组装新手了解产品结构及其装配关系，能够尽快地进入工作状态。

　　2、零件的三维设计

　　大部分零件都是由2D草图绘制开始，再由2D草图生成3D实体。首先选中一个基准面，使用草图绘制命令，即可在此基准面上开始草图绘制。草图完成后通过对其进行拉伸、旋转等操作得到一个基本特征，几个特征组合起来时就形成各种零件。根据所设计的零件形状在其他基准面建立草图，随后进行拉伸、旋转、扫描、放样等特征操作，完成一个普通零件的三维设计。

　　选用的建模工具为SolidWorks软件，通过拉伸、旋转、薄壁特征、高级抽壳、扫描、放样、钣金等操作来实现产品的设计。台式灭菌器的零件千变万化、类型有很多，但是几乎所有的零件都是由以上几种特征组成，每一种特征都有基体生成和切除两个内容，这些特征成为我们制作零件模型的基础和有力工具。

　　1) 拉伸特征 拉伸分为基体拉伸和切除拉伸。前者用于生成基体，后者用于切除基体。拉伸适用于截面不变的零件或者是零件的某一部分截面不变，比如垫圈，它平行于端面的截面就是一个圆环，过轴线的截面则是一个矩形。这样就有了两种做法，你可以先画两个同心圆，然后拉伸即可。当然，方向是可以设定的。拉伸的路径必须是直线，拉伸时可以设定拔模斜度以形成锥形特征。

　　2) 旋转特征 截面绕一中心轴转动，截面所经过的空间既是旋转特征。垫圈同样可以用扫描特征生成，旋转的路径是一个圆弧，这是和拉伸的区别。旋转可以设定角度。从某种意义上讲，拉伸和旋转都是扫描的一种特殊情况。

　　3) 薄壁特征 如果把草图的截面换成线，就会生成没有厚度的特征，因为线是没有厚度的，这就是薄壁特征，这时可以设定厚度。一些桶类零件经常这样生成。

　　4) 高级抽壳 使用抽壳特征可以方便地制作密封、厚度均匀的壳体，尤其是在无法使用拉伸-切除的时候。灭菌器中的水箱部件的建模使用了抽壳特征

　　5) 扫描特征 截面沿着一路径运动，经过的空间就是扫描特征。路径可以是任何曲线，它的功能比拉伸和旋转都要强大。从路径的角度讲，拉伸和旋转都是扫描的一种特殊形式。最典型的应用例子就是螺纹的生成，螺纹的路径为螺旋线，截面因螺纹牙型的不同而有所变化，管螺纹的形状还有锥度。

　　6) 放样 放样特征适用于截面不规则变化的零件，由于截面的不规则变化无法使用拉伸、旋转、扫描等特征。放样是选取几个典型的截面(比如最大面，最小面)，把它们圆滑地连接起来，一些花瓶、手柄经常用这种方法制作，灭菌器中的零件都是较为规则的形状，无需使用放样特征。

　　7) 钣金 钣金主要适用于薄壁零件的制作。它不同于抽壳特征，抽壳的零件是密封的，钣金生成的零件不是密封的。钣金的主要形式是折弯，台式灭菌器的壳体除前面板外都是使用钣金特征完成。

　　3、台式灭菌器的虚拟装配

　　面向培训的虚拟装配应以实际生产装配为基础，虚拟装配的装配序列、装配过程应与生产装配相一致，为员工进入生产线实际操作打下基础。

　　虚拟装配还能够在设计阶段发现和消除设计失误。产品设计阶段决定了产品如何加工、如何装配，设计成本虽然只占产品开发总成本的5%，却决定了产品总成本的70%～80%，而上游设计失误对成本的影响将以不断放大的形式向下游逐级传播，据统计，这一逐级放大的比例甚至达到1:10。因此，应尽量避免由于设计不合理而给后续相关活动如加工、装配、测试等带来不良影响。由于装配环节是制约生产自动化的主要因素，故在产品设计的同时，尽可能兼顾下游的装配环节及其相关因素，即在产品设计阶段应尽早排除下游的隐患，避免大的返工。

　　生产装配按照生产实际的要求有一定的规则。零部件的一般装配次序往往是先下后上，先内后外，先难后易。通常，还要先重大后轻小，但当有些重大件会影响其他零件的装入时，为了减少不必要的运输量，应该较后装上。还要先精密后一般，但灵敏性零件或作业应尽可能放在粗重作业的后面进行，以免损坏。

　　处于同一方位的工件应集中安装以免过程中翻身移位，使用同一工艺设备或特殊环境条件的作业，也应集中起来以免运输迂回或设备重复。

　　台式灭菌器的结构比较复杂，它的虚拟装配是按照生产装配的次序进行的，不能一个零件一个零件地插入到一张装配图中。因为这样越到最后，零件越多，装配越麻烦，机器的运行速度也会随之减慢。再就是一旦发生错误，在整个装配中修改非常麻烦。系统允许一个零件或组件多次使用，还允许把一个小的子装配体插入到另一子装配体或者总装配体中。为此，根据生产实际和装配原理画出了装配系统图，虚拟装配依据装配系统图进行。装配系统图如图1所示。

图1 台式灭菌器装配系统图

　　整个灭菌器的装配过程如下：

　　加热圈的装配 加热圈包含许多螺栓、螺母、垫圈等，并且装配中同时使用了3个加热圈，因此非常适合预先装配成组件。

　　水箱的装配 包括水箱、水箱支架、水箱密封圈水箱盖等。

　　面罩组件的装配 包括面罩和左、右铰链座。

　　底盘部件的装配 其中包括底盘组件、面罩组件、垫脚及联接用的螺栓组件，底盘组件又是由垫脚和水箱组件构成的。底盘部件是整个机器的基础定位部件，几乎所有的重要部件都要固定在底盘上。

　　筒体部件的装配 包括加热圈组件、筒体、固定用螺栓组件、隔架，这是一个相当复杂的部件。有些零件如筒体的装配需要用三个基准面来定位，还有一些距离需要仔细计算。灭菌器工作的时候，加热圈将主体圆筒里面的水加热成高温蒸汽，对消毒盘上的医疗设备进行消毒。

　　门部件的装配 包括面罩、门组件等子装配。这部分将在虚拟装配时进行开门、关门的演示，因此要在总装配时单独插入，并且保留绕销轴旋转的自由度，以便录制操作演示动画时进行灭菌器门的开关动作。

　　消毒盘的装配 消毒盘要保留沿支架滑动的自由度，以便随后进行操作动画演示。

　　手柄组件的装配 包括滑块和门插销，手柄组件装配完成后将直接用于最后的总装配，并要保留上下移动的自由度，在虚拟装配时能够自由活动，以便录制操作演示动画时门的锁闭和开启动作。

　　各组件、部件装配完成后，即可以底盘部件为基础进行总装。按照生产实际的装配序列，逐步装入筒体部件、门部件、手柄和消毒盘。

　　总装完成以后，如果想再看一下内部的装配情况，可以将顶罩隐藏，这样里面的零部件就能显示出来。在装配零件的时候，如果某些要选择零件被其他零件挡住，也可以使用隐藏功能，以方便装配。如图2为隐藏了顶罩的台式灭菌器总装图。

图2 台式灭菌器总装图

　　4、虚拟装配的演示

　　在产品设计过程中，为了更明确地表达产品的结构，可能通过分离装配体的零部件或者反过来，通过把分离的零部件装配成一个整体，来形象地显示它们之间的装配关系，这就是装配体的爆炸视图和虚拟装配。它们是展示装配体结构的重要手段，由此可以了解和分析装配体的零件构成和位置关系，可以很方便地设计制作产品的装配流程图、产品维修手册和安装手册等所有的图片。

　　在制作演示动画的过程中，我们应该注意一点：爆炸直线草图的作用在于，在工程图或说明书图片中更清楚地示意零件的爆炸方向或装配关系，而不是为了规定装配体爆炸视图中零件的实际运动路径。较新版本的SolidWorks animator使用了时间轴和关键点来操作，就像多数专业动画设计软件和视频编辑软件一样，这是很好的改进，能够使我们不必去学习复杂的专业动画设计软件，即可制作出简洁实用的结构展示或操作演示动画。

　　对于有较多零部件的复杂装配体，要手动把每个零件拖放到合适的位置，来制作其爆炸视图，是很烦琐的，也没有必要。在此可以使用animator的动画向导来完成总体的爆炸视图，随后对不合理的步骤或零部件位置进行调整。在爆炸视图起始位置，增加了壳体的渐变隐藏，显露出灭菌器内部结构。在装配体解体过程中，对于门把手等细部零件不易观察到，通过视角的变换、视距的拉近能够观察细部零件的解体过程。对键码的压缩和替换操作，给动画的编辑提供了灵活的手段。animator的动画向导还方便地提供了爆炸和解除爆炸的两种方式。根据实际生产装配的顺序，对解除爆炸的动画做细致地修改，更改不符合实际的装配顺序，制作出符合生产实际的装配动画，可以用作虚拟装配，录制成avi格式以后用于员工培训。如图3为台式灭菌器的爆炸视图。

图3 台式灭菌器的爆炸视图

　　5、结语

　　使用SolidWorks创建了台式灭菌器的零件，并按照工厂生产装配的序列，对其进行虚拟装配，形成台式灭菌器的三维样机。之后，使用SolidWorks的动画功能，参考工厂生产装配的序列，制作台式灭菌器三维样机的虚拟拆卸和虚拟装配演示动画，根据需要录制成avi格式的文件，用于员工培训。

　　对于装配图还可以继续开发利用。例如可以制作灭菌器的操作动画，门的开和关，托盘抽出，放置消毒物品等等，这些都是可以直接使用animator插件实现的。如果要实现蒸汽或者紫外线消毒效果的动画演示，就要使用专业的动画制作软件了。