基于Solid Edge的变量化设计在机械产品设计中的应用 - 文章

基于Solid Edge的变量化设计在机械产品设计中的应用

作者：梁巧萍焦波涛

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摘要：基于三维软件的变量化设计越来越受到机械产品研发的关注。本文通过机械产品设计的工程实例，介绍Solid Edge软件的变量化设计功能。并以某锅炉产品在设计中使用Solid Edge软件的变量化设计功能和二次开发为应用，成功实现提高产品设计效率的目的。
关键字：变量化设计，Solid Edge，产品设计，锅炉。

Abstract： The variational design based on the three-dimensional software becomes more and more popular in machinery development. This paper describe the variational design function of Solid Edge by using the engineering example of machinery design， and succeed to improve the product design efficiency in the boiler development by using the variational design function and the second development of Solid Edge.
Keywords： variational design， Solid Edge， machinery design， boiler

1、引言

变量化设计就是将产品研发过程中的知识和经验通过变量的形式进行关联，驱动整个产品数字化模型，达到快速完成产品研发的目的。变量化的设计针对系列化的产品研发，能够保留和凝结企业已有的产品研发知识和经验、缩短研发周期、降低工作强度、提高设计质量、节约成本，增强管理的可控性。

Solid Edge是Siemens PLM Software推出的基于Windows平台开发的普及型主流二维、三维一体化设计系统，可帮助制造业企业将其创新流程转换到三维环境以降低成本，增加营业收入，获得竞争优势。该软件支持“从底向上”和“自顶而下”的两种产品设计方法，并在变量化设计方面具有强大的功能，满足优质、高效的产品研发工作需求。

2、Solid Edge的变量化设计功能

2.1 Solid Edge实现的变量化设计过程

1)实体建模或者工程图绘制，Solid Edge允许在二维或者三维环境中，实现变量化；
2)变量化操作，明确变量间的关系；
3)在后续的产品设计中，利用已有的变量化模型或者图样，进一步设计。变量化的最终目的是在以后的工作中再次使用。

2.2 Solid Edge软件中变量化设计功能

1)零件模型的变量化设计

螺栓是机械结构中常见的标准零件之一，其特点是外形固定，品种繁多，如表2-1给出了螺栓的部分参数。

通过有效的变量化设计，生成“模板”零件后，可以快速创建各种规格的螺栓零件，建立自己的标准件库。建立公称直径M=10，的螺栓三维模型，如图2-1所示：

图2-1 螺栓零件设计变量表

在零件的模型建立过程中Solid Edge会自动添加相关尺寸的设计变量，使用人员可以根据需要更改变量名为常用的名称，例如表2-1中应用的一些名称，最后完成的螺栓零件设计变量表，如图2-2所示：

图2-2 螺栓零件设计变量表

这样，图2-1所示的文件可以作为螺栓的“模板”文件，在变量表中输入其他变量值，就可以生成其他规格的螺栓零件。

2)装配模型的变量化设计

零件的变量设计主要是通过单独零件内部的变量设置和建立的关系完成系列化零件的设计，在工程实践中更多的需要对产品级或者部件级的变量化设计，这就要求软件能够提供基于装配模型的变量化设计功能，在Solid Edge的装配环境中利用“同级变量”的功能，可以非常简单的完成装配级的变量设计工作。

装配模型的变量化设计特点是：由装配中主要零件的若干个关键变量，驱动其他零件中的变量，达到零件间尺寸的关联变化。图2-3所示为阀门的装配图，图中“顶法兰”安装孔的直径改变时，“侧法兰”安装孔的直径随之改变。

图2-3阀门装配件

在Solid Edge装配环境中使用“同级变量”，首先选择“顶法兰”变量表中的与内径相关的变量，使用“粘贴链接”的方式链接到“侧法兰”变量中与直径相关的变量，如图2-4所示。

图2-4阀门装配件

通过以上的方法，装配级的变量设置即可完成。由于篇幅所限，在此举了一个设计工作中比较简单的例子，实际上工程师可以通过装配的“同级变量”功能设计非常大型的相关装配件甚至整个产品。在工程实际中已经有使用Solid Edge的装配变量化设计功能完成包含100多个零件的压力容器产品的设计，通过17个关键变量，驱动整个产品的装配，快速完成产品研发工作。

3)二维工程图的变量化设计

和其他三维软件相比，Solid Edge的二维工程图功能一直是个亮点，工程师不仅可以将三维模型投影生成符合国标的二维图纸，还可以直接在Solid Edge的二维工程图模块中绘制二维图纸，并且可以通过二维图纸的变量表实现二维的变量化设计功能。

图2-5压力器法兰图

图2-5是在Solid Edge的二维工程图模块中完成的一个压力容器法兰的设计图，其中将“公称直径(DN)”，“厚度(Thick)”，“弯管直径(Tube_D)”，“孔径(Hole_D)”作为关键变量，完成的变量设计表，如图2-6所示。

如2-6所示，在变量表中可以使用数学公式，例如数值为“162”的变量，公式栏中输入“180-Hole_D/2”，回车确认即可。也可以使用Solid Edge内部函数，例如数值为“310”变量，公式栏中输入“fix(Tube_D/5)*10”，fix即为Solid Edge内部的“取整”函数。也可以使用外部函数，数值为 “960、115” 的变量就使用了外部函数“PVF_D、PVF_H”。除此之外 Solid Edge 的变量表还可以链接到外部的 Excel 文件中，这样使用者可以在 Excel 文件中修改变量值，即使不会操作 Solid Edge 软件的人员也可以进行变量化设计工作。

图 2-6 法兰容器变量表图

3、Solid Edge 变量化设计与二次开发在某锅炉产品研发过程中的应用

某锅炉产品因工作原理独特，具有安全、环保、高效、长寿、结构紧凑、便于运输等一系列优点，由于其性能特点非常适合生产工艺需要，正逐步成为传统加热炉的理想替代产品，受到广大用户的欢迎。但该产品设计差异性非常大，即使是同型号、同规格产品，也会因工质的物性、成分及含量，燃料种类、成分，炉子的工艺位置、使用要求、运行地等方面的不同而无法采取同一设计，基本上是一台锅炉一套图纸，结构计算复杂，设计制图工作量很大，研发人员整日陷入大量重复性的图纸绘制工作，但仍然很难满足巨大的市场需求，更无法对产品进行深入拓展和研究，产品研发急切需要专业化的设计工具快速高效完成工作。鉴于这种实际的设计现状，使用 Solid Edge 的变量化功能来解决实际问题。

Solid Edge 除了提供变量化功能之外，还提供了设计建模 OLE Automation 和 Component Object Model(COM) 的功能，从而使用人员可以通过良好的二次开发接口，采用 Microsoft Visual Basic 调用、复制模型和驱动变量，完成零部件的生成与自动装配过程。通过这一过程并结合 EXCEL 使锅炉产品的图形设计变得简单、快捷、高效。设计简图 3-1 所示。

图 3-1 设计简图

通过以上方法，工程师设计完成了锅炉主机、辅机、通用件、管道系统和烟风系统的模型图库，并完成了用于以上五个图库设计的热力计算、阻力计算和强度计算三大理论计算软件、向导设计、结构预布置及三维驱动及自动装配。如图 3-2 和图 3-3 所示。

变量化设计的产品系列中，结构相似性程度越高，越适合于采用模块化和参数化设计；产品有关设计计算模式相同或相似、产品标准件和通用件越多，越便于成组技术和特征建模技术在CAD 系统中的应用。本文中的锅炉产品具有上述特性，非常适合于 Solid Edge 变量化设计功能。因此在 Solid Edge 平台上，进行的相变炉本体三维实体造型设计，比较直观的反映了燃油燃气相变炉本体结构；在变量化设计过程中，参数可以随时修改，模型随之变化，可以将主要参数保存到数据库中，在此基础上进行同类型产品的快速修改设计，输入系列数值，可得到系列的设计结果。通过 Solid Edge 模型，自动生成生产加工可用的工程图。

3-2 双相变锅炉图图3-3 石油加热炉图

自投入正式使用以来，极大地减轻了设计、工艺人员的工作强度，减少了重复劳动，其强大的定制功能将使其他部门引用设计图纸中的数据内容成为现实，丰富的二次开发接口使设计、管理工作更加规范。与以前传统锅炉设计开发相比，可使设计效率提高2~3 倍，设计质量(差错率)由原来的 5% 左右减低到现在的 0.5%左右，在生产实际中发挥了巨大的作用，也增强了企业产品竞争能力和提升了企业形象。

4、总结

Solid Edge 的变量化设计将成熟的产品研发知识充分吸收，使之程序化、规范化，实施使用后可以避免产生许多认为的错误。使许多原来只能由经验丰富的设计专家担当的工作，转为由一般工程师即可胜任，使具有丰富经验的设计专家从重复劳动力中解放出来，投入到新产品研发和丰富完善变量设计知识库的工作中，使产品研发能力上一个崭新的台阶。实践证明，Solid Edge 的变量化设计具有极大的推广价值。

参考文献：
[1] 续丹，黄胜.《 Solid Edge 实践与提高教程》.北京：清华大学出版社，2007.1
[2] 张剑澄，黄胜，王天翔等.《Solid Edge 高级篇》.北京：机械工业出版社，2004.1
[3] 沈健.《Solid Edge 基础与实例精解》.北京：机械工业出版社，2004.1(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (2/16/2008)


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