柴油機數(shù)字化設(shè)計自頂向下建模

1、柴油機數(shù)字化設(shè)計自頂向下建模作者：暫無來源：智能制造2014年第8期論述了應(yīng)用Pro/ENGINEER軟件在Intralink環(huán)境下完成柴油機數(shù)字化設(shè)計的自頂向下建模準(zhǔn)則和方法，以曲軸幾何建模實例介紹了柴油機通用零部件幾何模型的細化過程，體驗了“頂層總體控制、逐級細化完善、并行協(xié)同設(shè)計”數(shù)字化建模方法的高效實施。撰文/中國北方發(fā)動機研究所楊唯峰黃樹和王延榮楊俊恩在市場化、國際化新形勢下，為了滿足客戶需求，企業(yè)越來越重視CAD/CAM領(lǐng)域的“寵兒”數(shù)字樣機技術(shù)。使用數(shù)字樣機技術(shù)，可以使產(chǎn)品的設(shè)計者、使用者和制造者在產(chǎn)品研制的早期，通過虛擬環(huán)境直觀形象地對數(shù)字化的虛擬產(chǎn)品原型進行設(shè)計優(yōu)化、性能測試

2、、制造仿真和使用仿真，可以迎合客戶對產(chǎn)品不斷改進的個性化、多樣化要求，形成企業(yè)的創(chuàng)新機制和能力，強化企業(yè)在劇烈的全球化經(jīng)濟中的快速反應(yīng)能力和競爭力。數(shù)字化建模是數(shù)字樣機的基礎(chǔ)，是應(yīng)用三維機械CAD軟件對零件和部件進行裝配設(shè)計，形成產(chǎn)品整機或零部件三維數(shù)字模型的過程。裝配設(shè)計有兩種典型方法，即自底向上建模(Bottom-up)和自頂向下(Top-down)建模。兩種設(shè)計模式各有特點，應(yīng)根據(jù)不同的研發(fā)性質(zhì)和產(chǎn)品特點，選用合適的流程。柴油機新產(chǎn)品研發(fā)更適宜采用自頂向下的設(shè)計模式，自頂向下建模更能反映真實的設(shè)計過程，減少重復(fù)設(shè)計，提高設(shè)計效率。一、自頂向下建模設(shè)計準(zhǔn)則自頂向下設(shè)計就是設(shè)計時從系統(tǒng)角度入

3、手，針對設(shè)計目的，綜合考慮形成產(chǎn)品的各種因素，確定產(chǎn)品性能、組成、相互關(guān)系和實現(xiàn)方式，形成設(shè)計的總體方案；然后在此基礎(chǔ)上分解設(shè)計目標(biāo)給分系統(tǒng)具體實施，分系統(tǒng)從上級系統(tǒng)獲得必須的相關(guān)參數(shù)等，并在上級系統(tǒng)確定的邊界內(nèi)開展設(shè)計，最終完成總體性能相對最優(yōu)的設(shè)計。其設(shè)計準(zhǔn)則有以下幾點。采用自頂向下的設(shè)計思路和模塊化設(shè)計手段，將柴油機的概念設(shè)計、方案設(shè)計和工程設(shè)計有效地結(jié)合在一起，通過關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)定來控制整機結(jié)構(gòu)，牽引部件設(shè)計，實現(xiàn)設(shè)計過程的數(shù)字化。設(shè)計任務(wù)由總體到系統(tǒng)、部件逐級分解，由部件、系統(tǒng)到整機逐步組合，實現(xiàn)產(chǎn)品的并行設(shè)計?？傮w布置牽引，坐標(biāo)系裝配方式，參數(shù)化模型設(shè)計，確定控制參數(shù)和控制方法，保證

4、裝配模型裝配約束和尺寸約束有效性。設(shè)計參數(shù)通過骨架文件的發(fā)布幾何及復(fù)制幾何進行傳遞及更新，實現(xiàn)設(shè)計條件的實時傳遞、共享、繼承和變更。柴油機整個設(shè)計階段完全在Pro/ENGINEER和Intralink設(shè)計平臺上進行。二、設(shè)計環(huán)境定制創(chuàng)建初始的裝配模型，需要進行建模環(huán)境配置和模型模板配置。軟件設(shè)計平臺環(huán)境定制包括軟件安裝配置、軟件基礎(chǔ)環(huán)境配置、三維設(shè)計環(huán)境、二維設(shè)計環(huán)境及產(chǎn)品管理方法、模式定制等?；赑ro/ENGINEER建模時，應(yīng)該按照系統(tǒng)環(huán)境設(shè)計要求，對軟件的運行環(huán)境進行三維基礎(chǔ)環(huán)境配置，完成軟件環(huán)境設(shè)置。設(shè)計模板定制包括三維骨架標(biāo)準(zhǔn)模板定制、關(guān)鍵零部件三維初始模型模板定制和二維標(biāo)準(zhǔn)圖框模

5、板定制等。新建模型時，零件和組件模板分別使用70_start_part（零件模型）和70_start_asm（組件模型），不使用Pro/ENGINEER軟件缺省模板。在設(shè)定模型模版時，應(yīng)將零件名稱、零件圖號、材料屬性、所屬裝配號、產(chǎn)品代號及零件類型（重要件、關(guān)鍵件）等進行相應(yīng)設(shè)置。三、自頂向下建模設(shè)計方法總體布置確定設(shè)計目標(biāo)后，根據(jù)客戶需求形成產(chǎn)品任務(wù)書，作為設(shè)計輸入，進行產(chǎn)品初步的系統(tǒng)分析，統(tǒng)一考慮影響產(chǎn)品形成的全部要素（工藝、制造和用戶要求），形成結(jié)構(gòu)布置方案、功能實現(xiàn)方案等。產(chǎn)品骨架模型設(shè)計骨架模型也稱布局模型，它是用于控制柴油機裝配模型的姿態(tài)、整體布局、設(shè)計參數(shù)、關(guān)鍵幾何、裝配接口及接

6、口幾何形狀等信息的模型文件。骨架模型主要定義一些基本的設(shè)計信息、各組件、附件及整機的安裝位置和接口關(guān)系，主要包括整機坐標(biāo)系、部件定位信息、部件間的接口關(guān)系、接觸表面的輪廓、關(guān)鍵件的形狀和尺寸等。所有三維數(shù)字模型應(yīng)將柴油機整機坐標(biāo)系作為絕對坐標(biāo)系，設(shè)計位置按照柴油機整機狀態(tài)下實際位置開展三維設(shè)計。后續(xù)幾何主要是由基準(zhǔn)面、軸、點、相對坐標(biāo)系、控制曲線和曲面等構(gòu)成?？梢愿鶕?jù)零部件特點自定義設(shè)計坐標(biāo)系，運動零部件及組件位置定義不應(yīng)該約束其運動姿態(tài)（如活塞的往復(fù)運動、齒輪的旋轉(zhuǎn)等）。自定義設(shè)計坐標(biāo)系在自頂向下設(shè)計中的作用是：在裝配設(shè)計中作為裝配單元設(shè)計的參照基準(zhǔn)；通過發(fā)布幾何控制零件設(shè)計位置；在模塊化設(shè)

7、計及零部件設(shè)計中用于控制參數(shù)，保證在參數(shù)變更時各子模塊及相關(guān)零部件狀態(tài)能夠及時更新，保持參數(shù)及接口的一致性。數(shù)字樣機設(shè)計骨架模型類別分為總骨架、發(fā)布骨架和子骨架。調(diào)用三維骨架模板，進行重命名等操作，設(shè)計該產(chǎn)品的整機總骨架裝配模型、機體總骨架模型、氣缸蓋總骨架模型、運動骨架模型、分系統(tǒng)發(fā)布骨架、分系統(tǒng)子骨架，定義大致的裝配結(jié)構(gòu)。（1）整機總骨架模型設(shè)計。Layout又稱布局，是通過Pro/ENGINEER創(chuàng)建出的一種二維繪圖文件，設(shè)計師可使用布局圖中創(chuàng)建的參數(shù)，通過聲明操作，與骨架等三維模型創(chuàng)建關(guān)系，通過布局控制產(chǎn)品的主要設(shè)計參數(shù)。首先使用布局Layout文件模板，另存為當(dāng)前產(chǎn)品的布局Layou

8、t文件，并進行命名；然后修改布局中“整機性能參數(shù)表”、“機體結(jié)構(gòu)參數(shù)表”和“氣缸蓋結(jié)構(gòu)參數(shù)表”的性能及結(jié)構(gòu)參數(shù)，完成產(chǎn)品布局Layout的設(shè)計。整機裝配骨架模型包括機體總體骨架、氣缸蓋總體骨架和曲軸連桿活塞的運動骨架（用以生成運動包絡(luò)模型）三個部分。使用整機裝配骨架模板，另存為當(dāng)前產(chǎn)品的整機裝配骨架模型，并進行命名，完成整機裝配骨架的設(shè)計。2）分系統(tǒng)發(fā)布骨架設(shè)計。建立分系統(tǒng)發(fā)布“骨架.prt”模型。按分系統(tǒng)發(fā)布骨架設(shè)計要求從總骨架中復(fù)制發(fā)布幾何特征。（3）各系統(tǒng)子骨架設(shè)計。建立子“骨架.prt”模型。按照分系統(tǒng)零部件模型創(chuàng)建要求，從分系統(tǒng)發(fā)布骨架中復(fù)制幾何特征，作為分系統(tǒng)零部件設(shè)計輸入。子系統(tǒng)

9、的發(fā)布骨架模型應(yīng)與總骨架一致。柴油機自頂向下設(shè)計一般流程如圖1所示。望JA血Ib*、I-n.1ilm、ml3*44即si-齊ri-dj-nr-fl.即應(yīng)用Pro/ENGINEER軟件在Intralink環(huán)境下完成柴油機設(shè)計的自頂向下建模，要將各參數(shù)信息表達在柴油機總體骨架設(shè)計中，通過骨架傳遞來指導(dǎo)和約束部件的工程設(shè)計。整機總骨架、分系統(tǒng)發(fā)布骨架及子骨架間采用復(fù)制幾何的方法將頂層設(shè)計信息向下逐層傳遞。在整機骨架中要聲明布局，以便發(fā)布和接收設(shè)定的柴油機關(guān)鍵參數(shù)，建立整機骨架和零部件結(jié)構(gòu)參數(shù)間的關(guān)系，實現(xiàn)模型的數(shù)據(jù)共享和統(tǒng)一，保證設(shè)計信息的實時傳遞和更新。在裝配模型中設(shè)計實體元件時，需要根據(jù)上級裝配

10、模型中傳遞來的設(shè)計信息，分別設(shè)計出滿足要求的實體零件，通過零件裝配形成子裝配模型。子裝配模型設(shè)計可獨立進行，亦可協(xié)同并行完成。各子裝配模型設(shè)計完成后，通過數(shù)據(jù)更新可實現(xiàn)頂層裝配模型的自動更新。四、柴油機零部件建模實例一一曲軸幾何建模根據(jù)柴油機曲軸的結(jié)構(gòu)特點，將曲軸分解成為一些比較簡單的特征單元，通過單元數(shù)據(jù)共享，快捷地開展曲軸的造型和修改工作。曲軸幾何建模的基本流程如圖2所示。卿川”I1.曲軸建模單元體劃分曲軸從結(jié)構(gòu)特征出發(fā)，可劃分為曲拐單元、曲軸前端、曲軸后端3個基本單元體，而從曲軸功能角度出發(fā)，各個曲拐單元需要有固定的空間角度位置，并需要通過油路的設(shè)計，將主軸頸與連桿軸頸的油路貫通，故曲軸

11、建模還需要曲拐布置單元、曲軸潤滑油路2個單元體，通過上述5個單元體的數(shù)據(jù)共享及布爾運算，再輔以局部特征的構(gòu)建，就能夠得到曲軸的幾何模型。2.特征單元模塊構(gòu)建首先，根據(jù)總體發(fā)布的設(shè)計信息（如協(xié)調(diào)卡片、骨架、參數(shù)等）完成曲拐布置單元模塊構(gòu)建。在進行曲軸幾何建模坐標(biāo)基準(zhǔn)定義時，坐標(biāo)點在靠前氣缸中心與曲軸中心的交點上，將X坐標(biāo)軸定義為旋轉(zhuǎn)軸，正方向指向曲軸后端，Z坐標(biāo)軸定義為垂直軸（沿氣缸中心線方向），正方向指向氣缸平面，Y坐標(biāo)軸定義為水平軸（垂直氣缸中心線方向）。通過對軸坐標(biāo)X正方向上按缸心距偏移，旋轉(zhuǎn)軸方向上按曲拐夾角旋轉(zhuǎn)，可逐一確定后續(xù)單元的空間安裝位置參照，形成“*-skel.prt”文件，此

12、文件將作為曲軸其它4個基本單元體裝配及數(shù)據(jù)共享的基準(zhǔn)，如圖3所示。|Hn分別構(gòu)建曲拐單元、曲軸后端、曲軸前端及曲軸潤滑油路等特征單元，分別形成“*.prt”文件。曲拐單元中包含1個連桿軸頸、2個曲柄臂及2個主軸頸，由于不同曲軸的平衡需求不同,曲拐單元體是根據(jù)平衡配置需求而變化的一類單元體，其變化主要體現(xiàn)的平衡重在曲柄的安裝狀態(tài)上。曲拐單元的安裝坐標(biāo)應(yīng)位于曲拐靠前一缸氣缸平面內(nèi)，基準(zhǔn)坐標(biāo)軸方向的定義必須與曲拐布置骨架單元中的定義一致，如圖4所示。模塊中特征建立順序應(yīng)按照先總體后局部、先大后小、先主要后次要的原則。曲軸前、后端一般為簡單的旋轉(zhuǎn)體。曲軸后端單元特征上需要體現(xiàn)與飛輪的接口及曲軸的軸向止

13、推結(jié)構(gòu)，單元中需要包含主軸頸的剩余長度及飛輪接口的連接法蘭；曲軸前端單元特征上需要體現(xiàn)與減振器及附件驅(qū)動機構(gòu)的接口結(jié)構(gòu)，單元中需要包含主軸頸的剩余長度、減振器及附件驅(qū)動機構(gòu)接口的連接法蘭。k|MUj陰個#舅事七./”匚T*叩曲軸單元體裝配新建crankshaft.asm文件，先行裝配“*-skel.prt”模塊，然后以曲拐布置骨架單元中定義的坐標(biāo)基準(zhǔn)點為參照，將曲拐單元、曲軸后端、曲軸前端及曲軸潤滑油路單元的“*.prt”文件組裝在一起，形成曲軸裝配體文件，在該文件中將形成各單元的相對位置信息，如圖5所示。曲軸單元體集成新建“*.prt”文件，通過共享數(shù)據(jù)-復(fù)制幾何的方法，將曲拐單元、曲軸后端、曲軸前端、潤滑油路單元等基本單元體的曲面特征復(fù)制到新建文件中；將曲拐單元與對應(yīng)的潤滑油路單元進行布爾運算，將潤滑油路特征添加在曲拐特征中；將運算形成的曲拐單元曲面、曲軸后端曲面及前端曲軸進行實體化，形成曲軸實體模型。曲軸幾何模型在曲軸實體模型基礎(chǔ)上，通過局部的圓角、倒角及連接法蘭口螺紋的修飾特征補充到模型上，并重新構(gòu)建工程標(biāo)注需要的基準(zhǔn)軸，即完成了曲軸幾何模型的構(gòu)建，如圖6所示。臥由日兒忡盤空五、結(jié)語數(shù)字化建模，把產(chǎn)品的物理模型轉(zhuǎn)化為與真實物理產(chǎn)品之間具有1:1的比例且尺寸精確的產(chǎn)品