黃淑芳,楊家鵬
(廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 南寧530023)
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基于MBD技術(shù)機械零件設(shè)計的研究與應(yīng)用
黃淑芳,楊家鵬
(廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 南寧530023)
摘 要:詳細分析了基于MBD技術(shù)的機械零件設(shè)計方法,以不違背機械設(shè)計的基本原則為前提,創(chuàng)建MBD設(shè)計環(huán)境,整個設(shè)計過程面向制造裝配、面向產(chǎn)品的全生命周期、面向協(xié)同仿真與虛擬以及面向綠色檢驗體系,實現(xiàn)了全程綠色設(shè)計。關(guān)鍵詞:MBD技術(shù);機械零件;綠色設(shè)計
在制造業(yè)迅猛發(fā)展的時代,基于數(shù)字模型定義MBD(Model-Based Definition)是一種運用集成化的三維數(shù)字化實體模型表達完整的產(chǎn)品定義信息的手段,已逐漸成為產(chǎn)品制造過程中的重要依據(jù)。
機械零件是機械裝備的構(gòu)成單元,各個零件根據(jù)機械裝備的工作要求,有序的組合,實現(xiàn)各種運動。隨著機械裝備類型的多樣化,零件的專屬性特征愈加突出,進而加大了設(shè)計難度。
盡管機械裝備在功能、原理、類型等諸多方面需滿足不同要求,但是在進行機械零件設(shè)計時,依然存在共性,傳統(tǒng)的設(shè)計過程如下:
(1)設(shè)計前期準備,明確零件的工作要求、工作內(nèi)容和步驟、工況條件等因素,初步擬定設(shè)計計劃。
(2)設(shè)計傳動裝置,包括根據(jù)上述計劃,分析選擇制定傳動裝置總體方案、明確傳動裝置方案。
(3)計算及設(shè)計各零件尺寸,根據(jù)上述方案,結(jié)合常用機械設(shè)計參數(shù)和手冊,設(shè)計各個零件結(jié)構(gòu)和尺寸。
(4)繪制裝配圖和零件圖,根據(jù)前期設(shè)計數(shù)據(jù),繪制機器工作狀態(tài)的裝配圖和各個零件的工作圖,完整表達機器的工作狀態(tài)和結(jié)構(gòu)特征。
(5)編寫機器工作說明書以及注意事項,交付制造部門進行生產(chǎn)。
不難看出,傳統(tǒng)的設(shè)計過程雖然環(huán)環(huán)相扣,緊密聯(lián)系,但是工作內(nèi)容比較繁瑣,在完成每一步工作過程中,都有可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)不符合要求或者數(shù)據(jù)出現(xiàn)矛盾等各種設(shè)計中常出現(xiàn)的問題,處理這些問題往往需要從頭開始進行修改和檢驗,到設(shè)計后期,若出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常的現(xiàn)象,工作量就更巨大了。當(dāng)設(shè)計完成后,將設(shè)計數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)交給生產(chǎn)部門制定工藝規(guī)程,工藝部門會根據(jù)工藝要求,對設(shè)計數(shù)據(jù)提出修改意見,設(shè)計部門繼續(xù)根據(jù)工藝意見調(diào)整設(shè)計數(shù)據(jù);當(dāng)樣機生產(chǎn)出來后,用戶在驗收過程中,亦會對設(shè)計數(shù)據(jù)提出修改意見,設(shè)計工作周而復(fù)始。顯然,傳統(tǒng)的零件設(shè)計工作過程需要繁重的工作量支撐,設(shè)計的效率并不高。
以不違背機械零件設(shè)計基本原則的為前提,從零件的結(jié)構(gòu)、工作特點對零件設(shè)計工作進行重新認識,引入一種基于數(shù)字化模型全三維可視相關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù),對零件設(shè)計過程進行重新整合。
以節(jié)約資源和保護環(huán)境為宗旨的綠色設(shè)計理念已經(jīng)受到越來越多制造企業(yè)和行業(yè)的重視,更多的企業(yè)已開始把綠色設(shè)計技術(shù)應(yīng)用作為其戰(zhàn)略發(fā)展的目標。在倡導(dǎo)制造業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的今天,在零件設(shè)計之初就應(yīng)從根本上杜絕污染、節(jié)約資源和能源,充分考慮零件設(shè)計及其生產(chǎn)工藝對環(huán)境產(chǎn)生的副作用,并將其有效控制,以達到節(jié)約工業(yè)資源和社會資源的目的。同時,還要滿足勞動保護性能要求,零件設(shè)計需要全方位考慮“人-機-環(huán)境”的可持續(xù)和諧發(fā)展,注重設(shè)備終端使用者的操作環(huán)境,體現(xiàn)產(chǎn)品的個性化操作。
基于數(shù)字模型定義MBD(Model-Based Defini-tion)技術(shù),是利用全三維設(shè)計技術(shù),將零件的設(shè)計概念、工藝參數(shù)、性能屬性和功能管理等信息全面附著于零件的三維模型中進行數(shù)字化定義和參數(shù)管理,同時,利用物聯(lián)網(wǎng),逐步實現(xiàn)制造技術(shù)的定制化、個性化和綠色化,如圖1所示。應(yīng)用MBD技術(shù)的設(shè)計方法可以滿足零件的多品種多批量、高質(zhì)量低成本、柔性制造快速響應(yīng)、節(jié)能減排綠色環(huán)保等多項指標的要求。
圖1 基于MBD技術(shù)的綠色設(shè)計
2.1創(chuàng)建MBD設(shè)計環(huán)境
構(gòu)建合理高效的設(shè)計環(huán)境是零件設(shè)計的重要前提,在制造業(yè)數(shù)字化、信息化高速發(fā)展的今天,對零件設(shè)計的數(shù)字環(huán)境提出了較高規(guī)格的要求。合理的設(shè)計環(huán)境可以對各個設(shè)計特征進行有效采集和管理。按照客戶的要求,根據(jù)不同條件使用市場上主流的三維全數(shù)字智能化設(shè)計集成軟件,如CATIA、SIEMENS NX(UG)、Pro/Engineering、I-DEAS、Topsolid等,構(gòu)建零件綠色并行設(shè)計的數(shù)字環(huán)境,可以對零件各個參數(shù)特征進行數(shù)據(jù)的創(chuàng)建、存儲、查詢、指派、關(guān)聯(lián)等各類操作,在數(shù)字設(shè)計環(huán)境中,可以實現(xiàn)MBD數(shù)字化定義產(chǎn)品的所有數(shù)據(jù),并實現(xiàn)設(shè)計、生產(chǎn)、用戶體驗等多部門的共享控制與修改,實現(xiàn)關(guān)聯(lián)化數(shù)據(jù)管理[1-2]?;贛BD的設(shè)計環(huán)境,可以根據(jù)企業(yè)的實際設(shè)計情況對基礎(chǔ)的設(shè)計環(huán)境進行二次開發(fā),將企業(yè)獨有的設(shè)計模式、設(shè)計理念、環(huán)境監(jiān)測與響應(yīng)、管理方式等企業(yè)品牌元素融入設(shè)計環(huán)境。同時,借助云共享的大數(shù)據(jù)平臺,啟用“創(chuàng)客”設(shè)計模式,用戶的參與體驗可以及時對零件性能進行反饋,供設(shè)計、生產(chǎn)等部門進行產(chǎn)品優(yōu)化,實現(xiàn)個性化專屬設(shè)計生產(chǎn)。構(gòu)建一個合理“人-機”智能交互的設(shè)計環(huán)境是基于MBD零件設(shè)計方法的重要前提。
2.2設(shè)計面向制造裝配
基于MBD技術(shù),零件的設(shè)計數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)一次創(chuàng)建多次修改或使用,設(shè)計的模型是制造裝配過程的權(quán)威數(shù)據(jù),在滿足客戶的需求基礎(chǔ)上,必須全力保證設(shè)計數(shù)據(jù)的“根源唯一準確性”,即,設(shè)計數(shù)據(jù)是產(chǎn)品頂層根源且唯一可靠準確的數(shù)據(jù),后續(xù)的制造、裝配和使用指標等的修改都必須尊重設(shè)計時的頂層數(shù)據(jù)。MBD模型可以在生產(chǎn)中直接使用并進行數(shù)控智能編程,作為裝配的精度基準。因此,制造部門需共同參與設(shè)計工作,制作部門可以即時對MBD模型制定加工工藝規(guī)程,將制造需求轉(zhuǎn)化為設(shè)計要求,編入本企業(yè)技術(shù)規(guī)范手冊,在實際的生產(chǎn)階段,設(shè)計部門應(yīng)該保持與制造部門的協(xié)調(diào)溝通,最終順利實現(xiàn)零件的生產(chǎn)。
普通的數(shù)字模型,基于零件的現(xiàn)實使用特征,通過設(shè)計環(huán)境中某種特殊的數(shù)學(xué)描述,經(jīng)過計算,借助計算機語言,將模型躍然屏幕上[3]。而要面向制造裝配的設(shè)計要求,在普通設(shè)計模型的基礎(chǔ)上融入“減材”建模理念,因為作為一個具有可加工意義的MBD模型,除了要表達外觀特性外,還需要滿足加工制造的可靠性。在設(shè)計過程中,設(shè)計理念和工藝要求并駕齊驅(qū),設(shè)計工作需充分添加毛坯尺寸、對刀精度、走刀路線、刀補半徑、加工順序等制造要素。對每一個零件的設(shè)計參數(shù)進行規(guī)范管理,應(yīng)根據(jù)制造過程的順序排列布置設(shè)計參數(shù)。同時,對所有零件進行內(nèi)部標定,應(yīng)該根據(jù)裝配的順序進行各個零件的布置與設(shè)計。各個零件的裝配節(jié)點應(yīng)該在設(shè)計過程中進行標定,以便提高后續(xù)裝配精度的可靠性。在零件設(shè)計階段,通過MBD技術(shù)建立的模型在虛擬環(huán)境下對設(shè)計和工藝方案進行仿真驗證和優(yōu)化,實現(xiàn)在實際裝配之前的虛擬裝配,在零件設(shè)計階段就能消除潛在的裝配缺陷,是零件綠色并行設(shè)計的關(guān)鍵工作?;贛BD技術(shù)的零件設(shè)計應(yīng)該是面向后續(xù)制造與裝配,各個零件設(shè)計參數(shù)都能作為后期工作的重要參數(shù)依據(jù)。詳細的設(shè)計階段必須完成各個零部件的全數(shù)字三維設(shè)計工作,同時生成可以制造的MBD數(shù)據(jù)庫。
2.3設(shè)計面向全生命周期
基于MBD技術(shù)的零件設(shè)計過程除了根據(jù)客戶對產(chǎn)品的要求,在傳統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上并行優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)外,更融入綠色設(shè)計理念,面向零件的全生命周期做出合理設(shè)計。設(shè)計人員在產(chǎn)品規(guī)劃階段,就要把零部件拆卸與維修、零件再回收利用以及保證零件的性能、質(zhì)量、成本、壽命等要求列為設(shè)計的目標,并保證在產(chǎn)品制造、運輸、交付客戶使用過程中能夠順利實施。
基于MBD技術(shù)的設(shè)計參數(shù)可以是復(fù)雜多變,盡管如此,設(shè)計人員在面向全生命周期的設(shè)計過程中應(yīng)當(dāng)對一些條件做出限制和規(guī)定。傳統(tǒng)設(shè)計理念,忽略了對零件失效后的處理,基于MBD技術(shù)的零件設(shè)計,必須重視回收處理失效報廢的零件,對零件的使用進行全程跟蹤,當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時,系統(tǒng)可以做出預(yù)警,防止產(chǎn)品出現(xiàn)安全隱患,對于超出使用壽命的零件,進行回收再生,零件可以循環(huán)利用,廢棄物進行合理有效處理。
2.4設(shè)計面向協(xié)同仿真與虛擬
基于MBD技術(shù)的零件設(shè)計需要面向虛擬樣機制作和各機構(gòu)協(xié)同仿真設(shè)計開發(fā),以零件MBD數(shù)字模型為基礎(chǔ),以運動學(xué)、動力學(xué)和電子控制技術(shù)為支撐,將零件的設(shè)計開發(fā)和機構(gòu)運動分析集成化,使設(shè)計者、制造者和使用者能在產(chǎn)品的設(shè)計構(gòu)思階段,直觀形象的對零件進行參數(shù)設(shè)計、仿真制造、仿真使用、性能測試、故障檢測、失效預(yù)測等,為產(chǎn)品的全面研發(fā)提供全面可靠的數(shù)字化設(shè)計管理。同時,有效進行零件強度分析,確定設(shè)計機構(gòu)和參數(shù)值,力爭獲取零件最佳綜合機械性能;根據(jù)需要,通過熱力學(xué)、流體力學(xué)等分析,仿真虛擬各個機械系統(tǒng)的潤滑、供油、冷卻、進排氣等工作狀態(tài),針對虛擬試驗結(jié)果調(diào)整各個零部件子系統(tǒng)的參數(shù),獲取最佳整體工作狀態(tài);通過零件虛擬仿真運動分析,進行運動干涉排查,間隙動靜態(tài)變化,磨損的變化趨勢,直觀形象對零件的工作作出正確的失效預(yù)測。仿真裝配工作,可以即時動態(tài)監(jiān)測零件的尺寸公差,各零件在裝配過程中是否發(fā)生干涉,原有設(shè)計參數(shù)制造工藝參數(shù)能否滿足既定裝配精度,同時也可以檢驗裝配工藝的準確可靠性。
機械裝備的運轉(zhuǎn)是一項動態(tài)、復(fù)雜、多零件協(xié)調(diào)相互作用的綜合性工作,前期每一個零件中的每一組參數(shù)的獲得都是針對單一零件的極限狀態(tài)或者許用條件獲得,零件之間的關(guān)聯(lián)性尚未得到驗證,通過協(xié)調(diào)仿真與虛擬,從材料屬性、設(shè)計參數(shù)、制造工藝、動力場、溫度場、受力狀態(tài)、性能變化、失效極限等各個條件進行綜合或者單一分析,對設(shè)計進行優(yōu)化處理,獲得良好的集成綜合數(shù)據(jù)。
2.5設(shè)計面向綠色檢驗體系
長久以來,零件設(shè)計注重性能的表現(xiàn),缺乏對檢驗體系的關(guān)注,基于MBD技術(shù),零件設(shè)計不僅關(guān)注各個的設(shè)計參數(shù)、制造、組裝及性能測試,還面向綠色設(shè)計建立綠色檢驗體系。基于MBD技術(shù)的零件設(shè)計綠色檢驗體系應(yīng)該包括環(huán)境指標、能源指標、經(jīng)濟指標、宜人指標等指標。例如,不選擇短缺稀有材料,在產(chǎn)品中減少材料類型,拒絕使用含毒材料,優(yōu)先選擇可再收循環(huán)利用型材料;零件設(shè)計的結(jié)構(gòu)盡量采用模塊化,易拆卸清潔,產(chǎn)品進行系列化,精簡產(chǎn)品的包裝,便于運輸,包裝的材料可以就地降解腐化;在制造過程減少污染物的排放;在使用過程不產(chǎn)生有毒污染物;還要注重考慮機電裝備的人機交互性,各個零件相互位置的合理性、運轉(zhuǎn)的高效性等,同時讓使用者感到安全和穩(wěn)定。
廣西南寧沃源重工機械設(shè)備有限公司研發(fā)部基于MBD技術(shù),成功的研發(fā)了具有國內(nèi)先進水平的WYZ225-8型號的鑿巖機并投入市場,獲得客戶的高度認可。為了實現(xiàn)高效綠色的零件設(shè)計工作,研發(fā)部門創(chuàng)建了具有本企業(yè)品牌元素特征的MBD設(shè)計環(huán)境,實現(xiàn)所有設(shè)計參數(shù)的共享控制和數(shù)據(jù)管理,同時,將生產(chǎn)部門進行在線聯(lián)網(wǎng),生產(chǎn)部門可以即可就工藝對設(shè)計提出意見,即時做出數(shù)據(jù)調(diào)整。所有數(shù)據(jù)最終將被記錄,匯總成為本企業(yè)的設(shè)計手冊和工藝文件,為后續(xù)的產(chǎn)品升級開發(fā)奠定依據(jù)。鑿巖機的工作條件決定了零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)量眾多等特點,倘若按照傳統(tǒng)設(shè)計過程,直接制作樣機的話,將消耗大量的能源,基于MBD技術(shù)的綠色設(shè)計,根據(jù)現(xiàn)有條件設(shè)置比例參數(shù),通過3D打印,制作出可靠參考的模型,為后期制作的虛擬樣機提供有效實物參考。
對于鑿巖機來說,由于其工作空間的限制,需要考慮其各個組成部件的運輸、拆卸和維修的便捷性與可靠性,同時,鑿巖機內(nèi)的關(guān)鍵零件需要具備良好的減震性,以及鑿巖機整體需要擁有較好的除塵效果。設(shè)計師難以去工作現(xiàn)場進行實時數(shù)據(jù)采集,因此,在對零件進行面向產(chǎn)品的全生命周期的設(shè)計,進行關(guān)鍵傳動零件的截面分析和測量空間分析,找出存在問題進行優(yōu)化修正,還要充分考慮人機工程等因素??紤]到零件的工作環(huán)境復(fù)雜多變,難以預(yù)測,設(shè)計時可以適當(dāng)放大設(shè)計參數(shù),擴大使用范圍,可以隨時或者及時根據(jù)工況條件更換主體部件。而這就加大了對產(chǎn)品靈活性的開發(fā),需要進行各個零件的有效協(xié)同仿真與虛擬。鑿巖機型號的系列化,根據(jù)工況需要搭載不同的零件,對同一類型的零件不應(yīng)造成設(shè)計資源的浪費。隨著用戶群的多樣性和復(fù)雜化,對每一臺鑿巖機,尤其關(guān)鍵部件實行跟蹤管理,若有不符合當(dāng)前工況的情況,即時進行回收與更換,實現(xiàn)了資源的優(yōu)化重組。
有別于傳統(tǒng)的設(shè)計方法,沃源公司將零件設(shè)計工作建立在數(shù)字模型定義的基礎(chǔ)上,設(shè)計環(huán)境簡潔統(tǒng)一,把設(shè)計與制造裝配、產(chǎn)品的全生命周期、協(xié)同仿真虛擬、綠色檢驗體系高度結(jié)合,各個工作看似獨立,但卻是基于準確的MBD原始模型數(shù)據(jù),解決了傳統(tǒng)設(shè)計的單一、效率低、各部門品質(zhì)指標不一致、后期產(chǎn)品開發(fā)滯后等不足。沃源公司將基于MBD技術(shù)的零件設(shè)計方法在企業(yè)內(nèi)部進行全面推廣,逐步建立與完善企業(yè)的產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)庫,為產(chǎn)品類型的多樣化奠定有效的技術(shù)基礎(chǔ)。
在數(shù)字智造的時代,基于MBD技術(shù),有效的提高了零件設(shè)計的效率,在不違背零件設(shè)計思路并結(jié)合并行設(shè)計的基礎(chǔ)上,進一步注重“人-機-環(huán)境”友好和諧發(fā)展的綠色設(shè)計理念,該方法同時也是裝備制造業(yè)優(yōu)化創(chuàng)新設(shè)計的重要技術(shù)手段,有效地縮短了機電裝備的研發(fā)周期,保障設(shè)計的準確率和精確度。在每一項設(shè)計決策中都充分考慮各項指標進行全方位多角度設(shè)計,將零件的全生命周期中所有可能產(chǎn)生的都在設(shè)計階段進行盡早有效處理控制與優(yōu)化,為下游的制造、使用提供了可靠數(shù)據(jù)來源,提升機械裝備質(zhì)量和市場競爭力。
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The Research and Application of Mechanical Parts based on MBD Technology Design
HUANG Shu-fang,YANG Jia-peng
(Guangxi Hydraulic and Electric Polytechnic,Nanning 530023,China)
Abstract:This paper analyzes the mechanical component design method based on MBD technology,on the premise of not violate the basic principles of mechanical design,create MBD design environment,the entire process of design for manufacturing assembly,the whole life cycle of product oriented,for green and collaborative simulation and virtual testing system,all the green design is realized.
Key words:MBD technology;mechanical parts;green design
中圖分類號:TH122
文獻標識碼:A
文章編號:1672-545X(2016)03-0063-03
收稿日期:2015-12-20
基金項目:廣西教育廳科研項目,機電產(chǎn)品綠色設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用研究(項目編號:桂教科研[2012]10號)
作者簡介:黃淑芳(1984-),女,碩士研究生,講師,研究方向:機械制造技術(shù)。