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1引言 M500A氣瓶的三維造型設(shè)計(jì) 1.1 三維設(shè)計(jì)的背景和意義 隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，微型計(jì)算機(jī)上的三維設(shè)計(jì)終于進(jìn)入了設(shè)計(jì)領(lǐng)域。從前，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)對(duì)象時(shí)，總要把三維的設(shè)計(jì)對(duì)象轉(zhuǎn)化到用二維設(shè)計(jì)的語言在圖紙上表述；這種轉(zhuǎn)化過程的本身就難免會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤和歧義，而且設(shè)計(jì)師有相當(dāng)一部分的精力用在這種轉(zhuǎn)換上，影響了設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)水平的完全發(fā)揮。如今，微型計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)突破了設(shè)計(jì)領(lǐng)域傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式，讓設(shè)計(jì)師完全回歸到自然的、正常的從設(shè)計(jì)到表達(dá)的直接的設(shè)計(jì)思路中去[1]。這雖然看似一次簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方式的改革，但帶來的將會(huì)是重大的設(shè)計(jì)思想改變，必定帶來設(shè)計(jì)質(zhì)量的提升。如果說十多年前的“甩圖板運(yùn)動(dòng)”只是計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的引進(jìn)階段的話，那么三維設(shè)計(jì)將是設(shè)計(jì)領(lǐng)域中一次革命的變革。正確地、清楚地認(rèn)識(shí)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)及其相關(guān)的各方面知識(shí)，才能使我們更好地去引進(jìn)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并且更快地掌握和運(yùn)用它。 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）技術(shù)在近幾年來發(fā)展迅速,在設(shè)計(jì)單位與制造企業(yè)的應(yīng)用日趨廣泛。三維CAD/CAM 技術(shù)作為企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新、市場(chǎng)開拓的重要技術(shù)手段正逐步成為企業(yè)科技進(jìn)步的主流技術(shù),同時(shí)，它也是全面提升企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造水平必須采用的核心技術(shù)。所以,企業(yè)對(duì)三維CAD/CAM 方面的人才需求更加迫切,需求量也不斷增加[2]。這對(duì)機(jī)械類專業(yè)學(xué)生的能力培養(yǎng)提出了新的要求。 目前市場(chǎng)上CAD /CAM 軟件比較豐富, 從AutoCAD 到Solidworks、Solidedge、UG、Pro/E，還有國(guó)產(chǎn)軟件CAXA 開目CAD 等。仔細(xì)分析這些軟件,各有優(yōu)缺點(diǎn),但軟件本身的結(jié)構(gòu)形式與功用基本大同小異。讓學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握每一種軟件,顯然是不現(xiàn)實(shí)的。只有通過剖析CAD /CAM 軟件的共性,并在此基礎(chǔ)上了解軟件開發(fā)的基礎(chǔ)知識(shí)，才能真正掌握軟件本身的內(nèi)涵,達(dá)到融會(huì)貫通的目的。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)是高等教育中培養(yǎng)應(yīng)用型人才的十分重要的實(shí)踐性教學(xué)系統(tǒng)工程，是持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)、接觸工程實(shí)際問題最多和最有利于培養(yǎng)和增強(qiáng)學(xué)生三維CAD/CA M 應(yīng)用能力的關(guān)鍵性教學(xué)環(huán)節(jié)，是辦出應(yīng)用型高等教育特色的突破口。在畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中盡快引入新型課題、新技術(shù)和新方法以適應(yīng)人才需求的發(fā)展趨勢(shì)是當(dāng)務(wù)之急。所以將三維CAD/CAM 技術(shù)引入應(yīng)用型本科機(jī)械類專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)，并由淺入深在課題的深度和廣度上不斷拓展勢(shì)在必行[3]。 1.2 國(guó)內(nèi)外氣瓶的發(fā)展概況 在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì)中，氣瓶制造業(yè)被認(rèn)為屬于朝陽工業(yè)范疇[4]。建國(guó)五十多年來，我國(guó)氣瓶行業(yè)走過了從無到有，從小到大的道路。隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)需求的增長(zhǎng)，更主要是氣體工業(yè)的發(fā)展，帶動(dòng)了氣瓶制造業(yè)的興起和發(fā)展。從1957年設(shè)計(jì)制造了第一批40升15Mpa級(jí)鋼質(zhì)無縫氣瓶開始，到以后相應(yīng)的鋁合金無縫氣瓶，液化石油氣鋼瓶,各種焊接氣瓶以及近幾年開發(fā)的高強(qiáng)鋼無縫氣鋼瓶，汽車用液化石油氣鋼瓶等等。中國(guó)是大量生產(chǎn)和使用氣瓶的國(guó)家，已經(jīng)是國(guó)際上不容忽視的氣瓶大國(guó)。但是應(yīng)該承認(rèn)我國(guó)的氣瓶產(chǎn)品還存在著普通產(chǎn)品低檔化，高、精、尖、特產(chǎn)品制造能力存在著空白或尚屬起步階段。 正如其它行業(yè)，氣瓶行業(yè)具有著自身獨(dú)特的規(guī)律和周期。在國(guó)外氣瓶行業(yè)不斷的經(jīng)歷著成長(zhǎng)和發(fā)展。90年代的復(fù)合氣瓶市場(chǎng)，日本政府批準(zhǔn)了復(fù)合氣瓶，從美國(guó)到日本及其它亞洲國(guó)家的出口量劇增。1991年商用碳纖維的價(jià)格驟跌，意味著以碳纖維為增強(qiáng)材料的商用復(fù)合氣瓶成本會(huì)降低。美國(guó)市場(chǎng)在70年代末，80年代初投入使用的第一批復(fù)合氣瓶開始陸續(xù)達(dá)到5O年使用壽命的極限，更新復(fù)合氣瓶的市場(chǎng)商機(jī)開始顯現(xiàn)出來。英國(guó)、德國(guó)和其它歐洲國(guó)家于1993年允許碳纖維復(fù)合氣瓶的銷售，到1996年出口到歐洲的碳纖維復(fù)合氣瓶數(shù)量急劇增。1996年年底，危品辦批準(zhǔn)了碳纖維復(fù)合氣瓶在美國(guó)市場(chǎng)的銷售。1997年，碳纖維復(fù)合材料氣瓶進(jìn)入美國(guó)市場(chǎng)，比玻纖維復(fù)合氣瓶減輕重量約40％[5]。這些變化極大的刺激著復(fù)合氣瓶的市場(chǎng)需求、產(chǎn)量和技術(shù)創(chuàng)新。 我國(guó)的復(fù)合材料氣瓶產(chǎn)業(yè)雖然才剛剛起步，但我國(guó)的纖維纏繞技術(shù)根基深厚，氣瓶制造只要堅(jiān)持下去，必有成績(jī)和回報(bào)。而計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)的引入給設(shè)計(jì)領(lǐng)域的傳統(tǒng)方法帶來了一場(chǎng)變革，準(zhǔn)確掌握和應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)軟件行業(yè)及機(jī)械行業(yè)都有著重大對(duì)意義。 1.3 本課題的具體工作 本課題研究的是M500A鉬源氣瓶，由于鉬源是一種劇毒性的氣體，因此對(duì)它的各項(xiàng)要求非常嚴(yán)格。具體工作如下： (1) 對(duì)氣瓶的結(jié)構(gòu)、原理進(jìn)行詳細(xì)分析選擇適用的材料； (2) 設(shè)計(jì)氣瓶的整體結(jié)構(gòu)，運(yùn)用SolidWorks三維建模軟件繪制氣瓶的實(shí)體模型； (3) 完成氣瓶各零件的三維造型、工程圖的生成以及最終的裝配； (4) 根據(jù)需要生成爆炸圖并制定相應(yīng)的工藝文件。 M500A氣瓶的總體設(shè)計(jì) 工業(yè)產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到加工的過程中,單憑經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)的采用實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證的傳統(tǒng)制造方法,已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)降低制造成本、減少設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期、快速適應(yīng)市場(chǎng)變化和增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的需要了。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,虛擬制造、虛擬實(shí)驗(yàn)使得在實(shí)際的產(chǎn)品制造之前就能發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在使用和制造中可能存在的問題,提高了產(chǎn)品質(zhì)量,降低了工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與試制的成本[6]。 氣瓶是具有潛在危險(xiǎn)性的特種容器[7]。瓶?jī)?nèi)充裝的氣體具有壓力、可燃性、氧化性、窒息性、毒性、腐蝕性、化學(xué)不穩(wěn)定性等特點(diǎn), 使用環(huán)境的特殊性表現(xiàn)在沒有固定的使用地點(diǎn), 沒有專責(zé)的操作人員, 使用環(huán)境經(jīng)常變遷, 流動(dòng)性大?？芍貜?fù)充裝和搬運(yùn), 管理比較復(fù)雜。一旦發(fā)生爆炸或泄漏, 就可能引起建筑物和設(shè)備的破壞, 繼而引起原材料和產(chǎn)品的燒毀。不僅使生產(chǎn)活動(dòng)中斷, 還會(huì)給該地區(qū)的居民帶來災(zāi)難[8,9]。所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)氣瓶之前要詳細(xì)了解它潛在的危險(xiǎn)，相對(duì)的做出合理的設(shè)計(jì)，只有這樣我們所設(shè)計(jì)出來的氣瓶才有真正的價(jià)值。 1.4 M500A氣瓶材料的選擇 本課題研究的是鉬源氣瓶，由于鉬源是一種劇毒性的氣體，所以對(duì)輸送、貯存這類氣體氣瓶的安裝、焊接、嚴(yán)密性、潔凈度、耐腐蝕都有嚴(yán)格的要求。所以根據(jù)鉬源的特性我們采用1Cr18Ni9Ti作為M500A氣瓶的制作材料，1Cr18Ni9Ti有較高的抗拉強(qiáng)度，較低的屈服點(diǎn)，極好的塑性和韌性，焊接性能和冷彎成型性能好，1Cr18Ni9Ti含有抗晶界腐蝕的鈦，可以通過熱處理提高它的抗晶界腐蝕能力[10]。所以很適合裝鉬源這種劇毒性的氣體。 1.5 M500A氣瓶的總體結(jié)構(gòu)及其工作原理 本章通過對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有氣瓶的設(shè)計(jì)加工方案、原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析比較，并且針對(duì)鉬源這種有劇毒性的氣體作出必要的研究。鉬作為一種金屬元素，通常用作合金及不銹鋼的添加劑，它可增強(qiáng)合金的強(qiáng)度、硬度、可焊性及韌性，還可增強(qiáng)其耐高溫強(qiáng)度及耐腐蝕性能。所以為了防止毒氣泄漏，維護(hù)廣大消費(fèi)者的人身安全，我們對(duì)設(shè)計(jì)的氣瓶采取焊接的方案，對(duì)氣瓶的其它附件均符合國(guó)家氣瓶技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。 經(jīng)過對(duì)國(guó)內(nèi)外各式各樣氣瓶設(shè)計(jì)方案的考究，我設(shè)計(jì)的M500A氣瓶的參數(shù)總圖如下圖2.1。 如圖2.1所示，M500A氣瓶主要由瓶蓋、瓶底、瓶身、VCR接頭、清洗閥、進(jìn)氣閥、出氣閥、進(jìn)氣管、內(nèi)管、排氣管等零件組成。 圖2.1 M500A氣瓶的參數(shù)總圖 工作原理如下：M500A氣瓶在工作之前先要打開清洗閥對(duì)瓶子的內(nèi)部進(jìn)行清洗，清洗后再烘干這樣是保證瓶?jī)?nèi)的干凈無雜質(zhì)。因?yàn)镸500A氣瓶是用來裝鉬源這種劇毒性的氣體，如果要保證鉬源的純度，在烘干氣瓶后還要進(jìn)行抽真空以保證瓶?jī)?nèi)合理的氣體壓力。等一切準(zhǔn)備就緒關(guān)閉清洗閥，通過有關(guān)的設(shè)備鉬源氣體就會(huì)從進(jìn)氣閥通過VCR接口、進(jìn)氣管、內(nèi)管進(jìn)入氣瓶?jī)?nèi)。相同的道理當(dāng)使用鉬源氣體時(shí)，也會(huì)借助相應(yīng)的設(shè)備使氣體被使用。從圖2.1可以看出來為了保證氣瓶的密封性我們有七處采取了焊接的方案是氣體不容易泄漏，這七處分別是：排氣閥、排氣管與VCR接口的連接口各有一處；進(jìn)氣管、清洗閥、排氣管與瓶蓋的連接各一處；瓶蓋與瓶身的連接處；瓶身與瓶底的連接處都有焊接。 1.6 M500A氣瓶主要零件的設(shè)計(jì)要點(diǎn) 設(shè)計(jì)是一種尋找和確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的技術(shù)。所謂“最優(yōu)設(shè)計(jì)”,指的是一種方案可以滿足所有的設(shè)計(jì)要求,而且所需的支出(如重量,面積,體積,應(yīng)力,費(fèi)用等) 最小。設(shè)計(jì)方案的任何方面都是可以優(yōu)化的,如尺寸、形狀、支撐位置、制造費(fèi)用、自然頻率、材料特性等。M500A氣瓶一種比較精密的儀器，它的各個(gè)部件的選擇不是憑空想象的，每個(gè)部件的確定都有其一定的科學(xué)規(guī)律。本課題設(shè)計(jì)的氣瓶所裝的鉬源氣體主要運(yùn)用于集成電路板，所以要求所設(shè)計(jì)的氣瓶以盡可能輕的重量，盡可能小的體積，儲(chǔ)存盡可能多的氣體。并且由于鉬源是有毒的，對(duì)氣瓶的密封性要求很高，在實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)氣瓶的焊縫質(zhì)量、焊接接頭的力學(xué)性能等都提出了很高的要求。下面就詳細(xì)的介紹各個(gè)部件的結(jié)構(gòu)特征。 1.6.1 瓶蓋的設(shè)計(jì) M500A氣瓶瓶蓋設(shè)計(jì)的主要特征是瓶蓋上有三個(gè)孔，他們主要確定進(jìn)氣管、清洗閥、排氣管的位置，因?yàn)檫@三個(gè)孔直接影響整個(gè)氣瓶應(yīng)力的分布，重量的分布，也就是整個(gè)氣瓶裝配好以后的重心必須落在瓶身的中心線上，這樣才能使氣瓶站穩(wěn)?？椎拇笮∫惨渌慵鄬?duì)應(yīng)，否則就會(huì)給裝配帶來麻煩。 1.6.2 瓶身的設(shè)計(jì) 對(duì)于瓶身也沒什么特別的要求，它的厚度必須符合國(guó)家氣瓶委員會(huì)統(tǒng)一設(shè)定的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，在一個(gè)就是瓶身兩個(gè)端口處的倒角要跟瓶蓋和瓶底相對(duì)應(yīng)，這也是防止毒氣泄漏的關(guān)鍵，這樣以來也會(huì)給裝配帶來方便。 1.6.3 瓶底的設(shè)計(jì) 瓶底主要是起支撐作用的，所以它的厚度有一定的要求，不能太薄。為了是能源充分利用，我將給瓶底的中心處設(shè)計(jì)一個(gè)凹槽，這樣就不會(huì)浪費(fèi)了。 1.6.4 進(jìn)氣管和排氣管的設(shè)計(jì) 傳統(tǒng)氣瓶的這兩根管都是直的，但是根據(jù)M500A氣瓶的尺寸，形狀來看，如果設(shè)計(jì)成直的會(huì)影響這個(gè)氣瓶的穩(wěn)定性，所以我將這兩根管設(shè)計(jì)成彎的以便這個(gè)瓶子左右相對(duì)稱。管口的大小應(yīng)根瓶蓋其中兩個(gè)孔相匹配。其中這兩個(gè)管與瓶蓋配合的地方也要跟瓶蓋的厚度相匹配這樣使整個(gè)氣瓶看起來對(duì)稱。管的長(zhǎng)度也要符合力學(xué)性能這也是跟氣瓶的穩(wěn)定性有關(guān)，排氣管的長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)比進(jìn)氣管長(zhǎng)一些。 1.6.5 內(nèi)管的設(shè)計(jì) 內(nèi)管的長(zhǎng)度是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，因?yàn)檫@個(gè)內(nèi)管必須有一個(gè)折度以便內(nèi)管的底部剛好在瓶底的凹槽中央，內(nèi)管的管口大小要匹配進(jìn)氣管管口的大小以方便裝配。 1.6.6 三個(gè)閥的設(shè)計(jì) 進(jìn)氣閥、排氣閥、清洗閥這三個(gè)閥的結(jié)構(gòu)原理都是一樣的，只不過清洗閥稍微比其他兩個(gè)閥大一些。清洗閥是M500A氣瓶中的關(guān)鍵部件，它既用于清洗，還可以檢測(cè)所剩氣體的多少。所以在設(shè)計(jì)清洗閥的時(shí)候應(yīng)該充分考慮其光潔度、耐腐蝕性等綜合要求，以及為實(shí)現(xiàn)這些要求而采用的熱處理方式，同時(shí)考慮制造工藝問題加以選用，力求經(jīng)濟(jì)合理。 1.6.7 VCR接口的設(shè)計(jì) 氣瓶接口處采用VCR接頭，由于是球面接觸，即使管線受到外力扭轉(zhuǎn)或彎曲后，也不至于使接口處松動(dòng)，從重量觀點(diǎn)看，球形氣瓶受力形式最好，與其它形狀相比結(jié)構(gòu)重量最輕且因結(jié)合面為球面連接而十分嚴(yán)密。較好的保證氣瓶的密封性。 2 500A氣瓶的三維造型 氣瓶是一種儲(chǔ)存各種氣體能源的容器，其中含有典型的機(jī)械零部件，如清洗閥、進(jìn)氣閥、排氣閥、VCR接頭等。本文以M500A氣瓶為例，對(duì)其瓶身、瓶蓋、清洗閥、進(jìn)出氣管、VCR接頭等為主要對(duì)象說明其應(yīng)用SolidWorks進(jìn)行三維造型的要點(diǎn)。在造型中需要注意以下問題： (1)新建零件時(shí)，最好給零件適當(dāng)命名，不要采用系統(tǒng)默認(rèn)的名稱，以便查詢檢索； (2)在采用SolidWorks進(jìn)行三維設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)適時(shí)進(jìn)行保存，以避免前面的工作前功盡棄。例如在繪制較為復(fù)雜的零件并進(jìn)行了復(fù)雜的操作之后，因?yàn)槟撤N原因須立即停止工作而忘記保存文件退出系統(tǒng)、或因突然停電，造成從頭開始工作； (3)SolidWorks提供了強(qiáng)大的圓角建模功能，圓角特征在零件設(shè)計(jì)中起著重要作用。大多數(shù)情況下， 如果能在零件特征上加入圓角，則有助于造型上的變化，或是產(chǎn)生平滑的效果。在繪圖過程中，一定注意特征間的父子關(guān)系。因此，圓角的建立最好是在實(shí)體繪制的末期。盡量不要以圓角的邊作為參考邊，以免產(chǎn)生父子關(guān)系不利于往后的設(shè)計(jì)[11]。 2.1 SolidWorks軟件介紹 SolidWorks是一套基于Windows的CAD /CAE /CAM /PDM桌面集成系統(tǒng),是美國(guó)Solid Works公司在總結(jié)和繼承了大型機(jī)械CAD 軟件的基礎(chǔ)上,在Windows環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的第一個(gè)機(jī)械三維CAD軟件[12]。它全面采用非全約束的特征建模技術(shù),其設(shè)計(jì)過程全相關(guān)性,可以在設(shè)計(jì)過程的任何階段修改設(shè)計(jì)。該軟件具有產(chǎn)品配置功能,可以為用戶設(shè)計(jì)不同構(gòu)性的產(chǎn)品。它集成了設(shè)計(jì)、分析、加工和數(shù)據(jù)管理過程,所獲得的分析和加工模擬結(jié)果成為產(chǎn)品模型的屬性,它將2D造型繪圖與3D造型技術(shù)融為一體,能自動(dòng)生成零件尺寸、材料明細(xì)表(BOM) 、具有指引線的零部件編號(hào)等技術(shù)資料,從而簡(jiǎn)化了工程圖樣的生成過程。同時(shí)有中英文兩種界面可以選擇,其先進(jìn)的特征樹結(jié)構(gòu)使操作更加簡(jiǎn)便和直觀,具有交好的開發(fā)性接口和功能擴(kuò)充性。能輕松實(shí)現(xiàn)各種CAD軟件之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳送[13]。 SolidWorks軟件在計(jì)算機(jī)上從2D到3D的轉(zhuǎn)換功能揭示了由二維圖形生成三維模型以及三維模型生成二維圖形的形成過程, 完全同機(jī)械制圖與畫圖的思維過程一致,可使抽象的問題具體化,增加感性認(rèn)識(shí),促進(jìn)所學(xué)知識(shí)的理解和掌握, 達(dá)到機(jī)械制圖綜合實(shí)踐的目的,而且方便快捷、形象直觀、易學(xué)易用[14]。讓學(xué)生了解三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件, 密切聯(lián)系工程實(shí)踐, 將三維建模與二維工程圖樣及設(shè)計(jì)加工過程緊密結(jié)合到一起, 增強(qiáng)學(xué)生使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的能力, 為學(xué)生今后的工作發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 SolidWorks軟件的主要特點(diǎn)[15，16]: (1) SolidWorks提供了直接繪制三維草圖的功能,在友好的用戶界面下, 像繪制線架圖一樣不再局限在平面上, 而是在空間直接畫草圖。此外3D草圖還可作為裝配環(huán)境下的布局草圖進(jìn)行關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)。 (2) SolidWorks提供了一個(gè)動(dòng)畫功能, 可以生成實(shí)體的裝配過程、爆炸過程、運(yùn)動(dòng)過程的動(dòng)畫文件, 同時(shí)也生成各個(gè)過程的組合動(dòng)畫文件。 (3) SolidWorks友好的界面。圖形菜單設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單明快、形象化, 一看即知。系統(tǒng)的所有參數(shù)設(shè)置全部集中在一個(gè)選項(xiàng)中, 容易查找和設(shè)置。實(shí)體的建模和裝配完全符合于自然的三維世界。特別是裝配約束的概念非常簡(jiǎn)單且容易理解。對(duì)實(shí)體的放大, 縮小和旋轉(zhuǎn)等操作可以在任何命令過程中使用, 實(shí)體的選取非常容易和方便。 (4) SolidWorks建模迅速, 操作靈活, 是一種尺寸驅(qū)動(dòng)且基于特征的三維設(shè)計(jì)軟件, 具有構(gòu)造歷史以供事后修改, 更加適合學(xué)生在機(jī)械制圖綜合實(shí)踐中使用。 2.2 瓶蓋的三維造型 SolidWorks是一款功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)輔助繪圖和設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，可以以拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、放樣等特征形式形成實(shí)體[17]。整個(gè)氣瓶的建模其實(shí)都很簡(jiǎn)單沒有過多復(fù)雜的構(gòu)造。瓶蓋的建模很簡(jiǎn)單無非就是繪制截面圖、拉伸、倒角。設(shè)計(jì)過程如下： (1) 在SolidWorks軟件中點(diǎn)擊“草圖繪制”繪制瓶蓋的截面圖，再輸入相應(yīng)的尺寸數(shù)值如圖3.1所示。 圖3.1 瓶蓋截面圖 (2) 拉伸凸臺(tái)以形成瓶蓋的實(shí)體模型，輸入拉伸尺寸如圖3.2所示 圖3.2 拉伸 (3) 拉伸后以上端面為基準(zhǔn)繪制草圖，方法跟(1)一樣，然后在拉伸這的拉伸的方向應(yīng)該向里拉伸，輸入拉伸深度并且要點(diǎn)擊去除材料，然后在凹槽處倒角輸入相應(yīng)的數(shù)值，具體圖形如3.3所示 圖3.3 倒角 (4) 確定三個(gè)孔的位置，繪制草圖輸入尺寸，然后還是拉伸，這次拉伸要通孔去除材料，最后生成瓶蓋的三維造型，如圖3.4所示。 3.4瓶蓋 2.3 瓶身的三維造型 瓶蓋的造型通過SolidWorks軟件設(shè)計(jì)出來了，給我們接下來其它零件的建模打下了基礎(chǔ)，相對(duì)瓶蓋的造型瓶身更加簡(jiǎn)單。首先繪制草圖拉伸形成實(shí)體，再以實(shí)體的一個(gè)端面為基準(zhǔn)確定瓶身的厚度繪制草圖，然后拉伸去除材料，最后為了方便裝配給瓶身上下端面倒角，倒角的尺寸應(yīng)該與瓶蓋的一樣。生成的瓶身三維造型如圖3.5。 圖3.5 瓶身 2.4 瓶底的三維造型 瓶底的三維造型跟瓶蓋的如出一轍，它們的不同點(diǎn)是在瓶蓋的基礎(chǔ)上去除三個(gè)通孔，在確定瓶底的厚度后再在瓶底開個(gè)小槽，這個(gè)前面已經(jīng)講過是為了充分利用能源這個(gè)小槽的繪制如下。 (1) 瓶底的基本形狀繪制以后，以瓶底的內(nèi)底部為基準(zhǔn)面繪制草圖，如圖3.6。 圖3.6 繪制槽 (2) 槽的半邊草圖繪制完成后點(diǎn)擊切除旋轉(zhuǎn)，預(yù)覽如圖3.7所示。 圖3.7 切除旋轉(zhuǎn) (3) 凹槽的深度不能太深，否則時(shí)間長(zhǎng)了就會(huì)漏底，最后生成的瓶底造型如圖3.8所示。 圖3.8 瓶底 2.5 內(nèi)管的三維造型 繪制內(nèi)管比以上幾種要復(fù)雜一點(diǎn)，因?yàn)閮?nèi)管的設(shè)計(jì)中間有個(gè)折度，要進(jìn)行建立基面、掃描、切除拉伸等過程。具體過程如下。 (1) 首先建立一個(gè)基面，繪制內(nèi)管的截面圖如圖3.9所示。 圖3.9 內(nèi)管截面圖 (2) 接下來就要掃描內(nèi)管的整體，但是在掃描之前還要繪制內(nèi)管的管頭然后再掃描。如圖3.10所示。 圖3.10 掃描 (3) 以建的基準(zhǔn)面為基準(zhǔn)繪制草圖4然后拉伸生成內(nèi)管頭如圖3.11所示。 圖3.11 拉伸管頭 (4) 繪制管底跟管頭一樣，這里就不啰嗦了接著進(jìn)行切除掃描，如圖3.12，最終生成內(nèi)管的造型圖3.13。 圖3.12 切除掃描 圖3.13 內(nèi)管 2.6 進(jìn)氣管、排氣管的三維造型 進(jìn)氣管和排氣管的繪制完全相同，這里就以進(jìn)氣管為例來說明它們的造型，具體操作如下。 (1) 建立基準(zhǔn)面，繪制進(jìn)氣管的截面，如圖3.14所示。 圖3.14 進(jìn)氣管截面圖 (2) 掃描截面如圖3.15所示。 圖3.15 掃描 (3) 繪制草圖3，然后切除掃描如圖3.16。 圖3.16 切除掃描 (4) 最后生成的進(jìn)氣管造型如圖3.17所示。 圖3.17 進(jìn)氣管 排氣管的三維造型圖跟進(jìn)氣管相同，它們的不同之處在于是整個(gè)氣瓶的穩(wěn)定性達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)排氣管的上端長(zhǎng)度比進(jìn)氣管的稍長(zhǎng)一些，所以排氣管的造型圖如3.18所示。 圖3.18 排氣管 2.7 VCR接頭的三維造型 VCR接頭是氣瓶整個(gè)密封性能的保證，所以它的設(shè)計(jì)非常重要。從M500A參數(shù)總圖上可以看出這個(gè)接頭很復(fù)雜，但是如果用SolidWorks軟件來設(shè)計(jì)繪制也無非是草繪、拉伸、鏡像重復(fù)著運(yùn)用。具體繪制如下。 (1) 繪制草圖拉伸如圖3.19所示。 圖3.19 草圖拉伸 (2) 以剛才生成的圓柱的中心為基準(zhǔn)建立一個(gè)基準(zhǔn)面，然后給圓柱倒角，在繪制草圖9如圖3.20所示。 圖3.20 倒角繪制草圖9 (3) 拉伸草圖9去除材料，然后陣列如圖3.21所示. 圖3.21 陣列 (4) 中間幾部分都是拉伸模型如圖3.22所示。 圖3.22 拉伸 (5) 建立基準(zhǔn)面2，繪制六棱柱如圖3.23所示。 圖3.23 六棱柱 (6) 接著重復(fù)草圖拉伸倒角，繪制四方塊如圖3.24。 圖3.24 四方柱 (7) 在繪制的四方柱側(cè)面繪制空心的柱體如圖3.25所示。 圖3.25 空心柱體 (8)鏡像柱體如圖3.26所示。 圖3.26 鏡像 (9) 在VCR接頭處通孔如圖3.27所示。 圖3.27 通孔 (10) 在VCR接頭處還有幾處標(biāo)有字母的注釋，這個(gè)也是用草繪拉伸來完成的如圖3.28所示。 圖3.28 注釋 (11) 還有幾處注釋跟上面一樣，這里就不啰嗦了，最后生成的VCR接頭的三維造型如圖3.29所示。 圖3.29 VCR接頭 2.8 清洗閥的三維造型 清洗閥是M500A氣瓶中的關(guān)鍵部件，它既用于清洗，還可以檢測(cè)所剩氣體的多少。它的三維造型不是直接畫出來的，它是由兩個(gè)帽、螺母、墊片、直管五個(gè)部分組成的。這幾個(gè)零件的構(gòu)造都很簡(jiǎn)單就不一一介紹了。其模型如圖3.30所示。 圖3.30 帽、螺母、墊片 M500A氣瓶的裝配和工藝分析 2.9 虛擬裝配 虛擬裝配就是利用計(jì)算機(jī)工具，在不生產(chǎn)加工產(chǎn)品的實(shí)際零部件的情況下，通過三維造型與可視化表達(dá)等技術(shù)，幫助設(shè)計(jì)者進(jìn)行裝配仿真與裝配關(guān)系的工程決策。對(duì)處于設(shè)計(jì)階段的工業(yè)產(chǎn)品，在計(jì)算機(jī)上仿真產(chǎn)品的實(shí)際裝配關(guān)系與過程，可實(shí)現(xiàn)觀察產(chǎn)品可裝配性與裝配合理性等方面的目的，以便及時(shí)地發(fā)現(xiàn)問題、改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的缺陷[18]。 2.10 裝配方法 2.10.1 裝配技巧 裝配是將各種零件模型插入到裝配體文件中，利用零件的相應(yīng)結(jié)構(gòu)來限制各個(gè)零件的相對(duì)位置，使其構(gòu)成機(jī)構(gòu)的某部分，或者是一個(gè)完整的機(jī)構(gòu)或機(jī)器。SolidWorks允許用戶在裝配體文件中插入數(shù)目眾多的零件進(jìn)行組裝配合。 內(nèi)部零件、子裝配體的布置在總體設(shè)計(jì)的大型組件裝配中占據(jù)特別重要的位置，內(nèi)部零件和子組件的裝配是內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要方面。這里僅針對(duì)在實(shí)際裝配過程中經(jīng)常遇到的問題，提供幾點(diǎn)在裝配約束選用方面的技巧[19，20]。 (1)“坐標(biāo)系”約束的應(yīng)用 使用“坐標(biāo)系”約束，通過將零件的坐標(biāo)系與裝配體的坐標(biāo)系對(duì)齊(既可以使用裝配體坐標(biāo)系又可以使用零件坐標(biāo)系)，也就是通過對(duì)齊所選坐標(biāo)系的相應(yīng)軸線來裝配零件。 (2)“固定”約束的應(yīng)用 用“固定”約束固定零件的當(dāng)前位置，使零件被移動(dòng)或裝配，實(shí)現(xiàn)完全約束，該約束類型在方案設(shè)計(jì)中應(yīng)用最多。 (3)“自由放置”操作 在總體設(shè)計(jì)過程中，零件布置有時(shí)難以一步到位，零件的位置需要多次變換調(diào)整才能最終確定出最佳方案。在裝配操作環(huán)境中調(diào)整約束關(guān)系時(shí)，一些零件往往處于隱藏狀態(tài)，總體布置不直觀。“自由放置”操作的功能特點(diǎn)解決了這些問題。 2.10.2 裝配順序 在SolidWorks裝配體中，裝配方法有自上而下設(shè)計(jì)和自下而上設(shè)計(jì)兩種，也可以將兩種方法結(jié)合起來使用。無論采用哪種方法，其目標(biāo)都是配合這些零部件，以便生成裝配體或子裝配體。 在自下而上的設(shè)計(jì)中，首先生成零件并將其插入裝配體，然后根據(jù)設(shè)計(jì)要求配合零件，當(dāng)使用先前已經(jīng)生成的現(xiàn)成零件時(shí)，自下而上設(shè)計(jì)是首選的設(shè)計(jì)方法。它的優(yōu)點(diǎn)是，由于零部件均為獨(dú)立設(shè)計(jì)，它與自上而下設(shè)計(jì)法相比，相互關(guān)系及重建行為更為簡(jiǎn)單。使用自下而上設(shè)計(jì)法時(shí)，可以專注于單個(gè)零件的設(shè)計(jì)。當(dāng)不需要建立控制零件大小和尺寸的參考關(guān)系時(shí)，此方法比較合適。 自上而下設(shè)計(jì)是從裝配體開始設(shè)計(jì)工作，這是兩種設(shè)計(jì)方法的不同之處，該方法可以使用一個(gè)零件的幾何體來幫助定義其他零件，或生成直至組裝零件后才添加的加工特征。也可以將布局草圖作為設(shè)計(jì)的開端，定義固定零件的位置和基準(zhǔn)面等，然后參考這些定義來設(shè)計(jì)零件[20]。 2.10.3 裝配過程 M500A氣瓶主要由瓶蓋、瓶底、瓶身、VCR接頭、清洗閥、進(jìn)氣閥、出氣閥、進(jìn)氣管、內(nèi)管、排氣管等零件組成。根據(jù)氣瓶的工藝分析裝配過程如下： (1) 選擇菜單欄中的“文件” “新建”命令，在出現(xiàn)的“新建SolidWorks文件”對(duì)話框中，單擊裝配體圖標(biāo)，單擊“確定”按鈕后進(jìn)入裝配體制作界面。單擊“裝配體”工具欄中的插入零部件按鈕，導(dǎo)入瓶蓋作為裝配體中的固定件，如圖4.1所示。 圖4.1 裝配圖1 (2) 在“插入零部件”PropertyManager中單擊“瀏覽”按鈕，導(dǎo)入進(jìn)氣管、清洗閥、出氣管、內(nèi)管等零部件，如圖4.2所示。 圖4.2 裝配圖2 (3) 導(dǎo)入瓶身、瓶底如圖4.3所示。 圖4.3 裝配圖3 (4) 導(dǎo)入VCR接頭、進(jìn)氣閥、出氣閥、進(jìn)氣管、排氣管等零件，最后完成M500A氣瓶的總裝配圖如圖4.4所示。 圖4.4 裝配圖4 2.10.4 干涉檢查 裝配完成后，應(yīng)該進(jìn)行零部件之間的干涉檢查，以檢查裝配有無干涉及干涉的位置[21，22]。步驟如下： (1) 單擊裝配體工具欄上的“干涉檢查”或“工具→干涉檢查”。 (2) 選擇要進(jìn)行干涉檢查的零部件。 (3) 單擊“計(jì)算”，在結(jié)果中即會(huì)顯示出干涉的位置以及大小。 (4) 如果有干涉的存在，使用移動(dòng)零部件中的碰撞檢查即可對(duì)干涉的位置進(jìn)行調(diào)整，選擇“編輯零件”命令，對(duì)此零件中產(chǎn)生干涉的部分進(jìn)行合理的修改后，選擇“編輯裝配體”，再重復(fù)(1)～(4)步驟，直到干涉檢查中的結(jié)果中顯示無干涉即可。 2.11 裝配體爆炸視圖 出于制造的目的，經(jīng)常需要分離裝配體中的零部件以形象地分析它們之間的相互關(guān)系。裝配體的爆炸視圖可以分離其中的零部件以便查看整個(gè)裝配體。裝配體爆炸后，不能給裝配體添加配合，一個(gè)爆炸視圖包括一個(gè)或多個(gè)爆炸步驟，每一個(gè)爆炸視圖都保存在所生成的裝配體配置中，每一個(gè)配置都可以有一個(gè)爆炸視圖。 單擊“裝配體”工具欄上的“爆炸視圖”按鈕，或選擇菜單欄中的“插入” “爆炸視圖”命令，會(huì)出現(xiàn)“爆炸”PropertyManager。 M500A氣瓶的爆炸視圖如圖4.5所示。 圖4.5 氣瓶的爆炸視圖 清洗閥的爆炸視圖如圖4.6所示。 圖4.6 清洗閥爆炸視圖 2.12 M500A氣瓶的工程圖 在工程中，三維零件圖和裝配圖并不是用來指導(dǎo)生產(chǎn)的主要技術(shù)文件，而所使用的圖樣是一組具有規(guī)定表達(dá)方式的二維多面正投影圖，然后標(biāo)注尺寸和表面粗糙度符號(hào)及公差配合，這種圖樣在機(jī)械制造中稱為工作圖，也就是SolidWorks中的工程圖。 SolidWorks最優(yōu)越的功能是由三維的零件圖和裝配體圖建立二維的工程圖。工程圖包含一個(gè)或多個(gè)由零件或裝配體生成的視圖。在生成工程圖之前，必須先保存與它有關(guān)的零件或裝配體。用戶可以從零件或裝配體文件內(nèi)生成工程圖。 M500A氣瓶的工程圖如圖4.7所示。 圖4.7 M500A氣瓶的工程圖 2.13 焊接工藝 M500A氣瓶是某型號(hào)產(chǎn)品的重要?dú)庠春附咏M件,其中有七處要采用焊接工藝。為了減輕重量, 增加有效載荷, 要求氣瓶以盡可能輕的重量, 盡可能小的體積, 儲(chǔ)存盡可能多的氣體。因此M500A氣瓶在工作時(shí)將時(shí)刻處于高壓或超高壓的狀態(tài)中, 這就對(duì)氣瓶的焊縫質(zhì)量、焊接接頭的力學(xué)性能、氣瓶在焊后的尺寸精度和材料的性能等都提出了很高的要求[23]。 所謂焊接結(jié)構(gòu)裝配焊接工藝(以下簡(jiǎn)稱裝焊工藝) ,就是一個(gè)焊接結(jié)構(gòu)的實(shí)際生產(chǎn)過程,主要是指組成結(jié)構(gòu)件的零部件裝配焊接的先后次序及相應(yīng)的裝配焊接內(nèi)容,即具體的加工工藝路線。而焊接結(jié)構(gòu)裝焊工藝的設(shè)計(jì),就是通過對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和功能的分析,對(duì)其整體裝焊工藝進(jìn)行規(guī)劃,從而保證整體裝焊工藝的完整性和有效性的過程。 M500A氣瓶的焊縫基本都是環(huán)焊縫，它屬于超高壓容器, 焊縫按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)I級(jí)檢驗(yàn), 100%的進(jìn)行X- 光探傷, 焊接接頭的強(qiáng)度要求大于基體強(qiáng)度的85%, 焊縫兩側(cè)的錯(cuò)位量要求不大于0.2mm, 瓶身直線度不大于0.3mm, 焊縫外部余高不超過0.5mm。具體操作如下： (1)焊接時(shí)所采取的工藝流程如下: 各零件加工→打磨清洗→裝配→定位焊→檢驗(yàn)→圓周焊→檢漏。 (2)為了避免焊縫熱影響區(qū)的軟化, 焊接時(shí)采用了脈沖鎢極氬弧焊。該方法電弧能量集中, 線能量輸入小, 焊接變形小, 熱影響區(qū)和軟化區(qū)相對(duì)狹窄焊接接頭的強(qiáng)度一般不會(huì)受到太大的影響。所用設(shè)備為國(guó)外進(jìn)口的某型號(hào)圓周氬弧焊機(jī), 焊絲為時(shí)效不銹鋼同質(zhì)焊絲[24]。 結(jié)束語 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造技術(shù)是在科學(xué)技術(shù)與生產(chǎn)力迅速發(fā)展，同時(shí)為適應(yīng)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)需要，對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)與方法進(jìn)行根本性變革的背景下產(chǎn)生和發(fā)展的，其研究與應(yīng)用越來越受到重視。 本文以SolidWorks2008為工具，對(duì)M500A氣瓶進(jìn)行了深入細(xì)致的分析，深刻領(lǐng)會(huì)了它的結(jié)構(gòu)體系，設(shè)計(jì)方法，同時(shí)參考了國(guó)內(nèi)外氣瓶設(shè)計(jì)的先進(jìn)實(shí)例，查閱了一定數(shù)量的相關(guān)資料，總結(jié)出一般氣瓶的設(shè)計(jì)思路。 本文的具體工作如下： (1) 對(duì)M500A氣瓶現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)、原理進(jìn)行了詳細(xì)分析選擇適用的材料； (2) 設(shè)計(jì)M500A氣瓶的整體結(jié)構(gòu)，詳細(xì)分析氣瓶各個(gè)部件設(shè)計(jì)的主要特征，并且跟國(guó)內(nèi)外氣瓶設(shè)計(jì)的先進(jìn)實(shí)例進(jìn)行對(duì)比設(shè)計(jì)出M500A氣瓶的參數(shù)總圖； (3) 細(xì)致研究了其各個(gè)部分的設(shè)計(jì)原理，運(yùn)用SolidWorks三維建模軟件繪制M500A氣瓶各個(gè)部件的三維造型； (4) 運(yùn)用SolidWorks軟件完成氣瓶的裝配圖并進(jìn)行焊接分析，干涉檢查生成M500A氣瓶的爆炸視圖； (5) 完成氣瓶的工程圖。 基于SolidWorks軟件的M500A氣瓶三維模型設(shè)計(jì)，可使工程技術(shù)人員更加直觀地對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)估，縮短了設(shè)計(jì)周期，節(jié)約了設(shè)計(jì)資金，提高了設(shè)計(jì)效率。以SolidWorks軟件為主，并結(jié)合它的各種插件對(duì)M500A氣瓶的設(shè)計(jì)方案，同樣適用于其他的工業(yè)設(shè)備設(shè)計(jì)，具有工程實(shí)用價(jià)值。 致 謝 在這次課題研究過程中，我得到了許多人的幫助，他們的熱心，激情，耐心讓我感動(dòng)不已，我從他們身上學(xué)到了許多高貴的品質(zhì)。 首先我要感謝我的指導(dǎo)老師黃新燕老師，在與我們的閑聊中就可以發(fā)現(xiàn)黃老師為人隨和熱情，治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)心，平易近人。我們這個(gè)小組的同學(xué)都喜歡跟她聊天，因?yàn)楦奶炀拖袷歉呐笥岩话?。在做畢業(yè)設(shè)計(jì)中，有一段時(shí)間，我的思路很混亂，找不到切入點(diǎn)，不知道該怎么繼續(xù)下去了。正當(dāng)我心灰意冷的時(shí)候，黃老師鼓勵(lì)了我，并耐心的給我分析課題，講解研究方法，做出專業(yè)性的指導(dǎo)。終于幫助我順利的完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)。黃老師的兢兢業(yè)業(yè)的工作態(tài)度，一絲不茍的治學(xué)精神，溫文爾雅的教育方法給我留下了難以磨滅的印象，也使我受益匪淺。 其次我要感謝張樂瑩和李小忠老師。張老師在我前期的工作中給予我很多指導(dǎo)，幫助我開拓研究思路，精心點(diǎn)撥、熱忱鼓勵(lì)。李老師在畢業(yè)設(shè)計(jì)中期，他憑借深厚的專業(yè)技術(shù)知識(shí)和高深的計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用水平，幫助我解決了不少難題。因?yàn)樵谶@次畢業(yè)設(shè)計(jì)中學(xué)習(xí)應(yīng)用SolidWorks軟件就是我們學(xué)習(xí)的一個(gè)任務(wù)。每次我有疑問找他幫忙，他都是有求必應(yīng)。并且總是很細(xì)心的給我講解，直到我明白了為止。我使用的SolidWorks軟件就是李老師一點(diǎn)一滴教會(huì)我的。使我從一個(gè)SolidWorks軟件菜鳥迅速成長(zhǎng)為一個(gè)SolidWorks軟件高手。這里我也要對(duì)他表示深深的感謝。 然后我要感謝跟我一起做畢業(yè)設(shè)計(jì)的許巧兵、任蕾蕾、石芳同學(xué)他們?cè)诒敬卧O(shè)計(jì)中課題和我相似，我們一起勤奮工作，克服了許多困難來完成此次畢業(yè)設(shè)計(jì)。 最后感謝評(píng)審老師能夠在百忙中審查我們的論文，對(duì)我們論文提出指導(dǎo)建議。祝你們工作順利，心想事成！ 參 考 文 獻(xiàn) [1] 孫家廣,楊長(zhǎng)貴.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社, 1996.34~35. 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