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非标冷轧冶金设备设计中Inventor带来的改进 |
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作者：上海宝钢工程技术有限公司 吴彤 来源：DesignNews |
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作为一名机械设计人员，我曾经参与过几个冷轧处理线的非标设备设计，过去一直采用传统的二维设计件做设计。从2006 年开始我正式学习和使用Autodesk 公司的三维设计软件Inventor，自己便切身感受到了这款软件的强大功能，以及它带给非标冷轧冶金设备设计流程的一些改进。
一个非标冷轧冶金设备（其它领域设备设计应该也大同小异）的设计过程一般要经历几个阶段：1.计划图阶段；2.零件图阶段；3.装配图阶段（包括机上配管配线）。2007年初公司启动了一个宝钢酸洗处理线的项目，我负责其中部分非标设备设计并第一次尝试将Inventor应用到实际的项目中。通过这个项目的演练我对Inventor有了更深的认识，相信合理的使用这款软件不但会改进你的设计流程，并且可以给你以往枯燥的设备设计平添很多乐趣！
设计实战
一.计划图阶段。计划图阶段是设备设计最重要的阶段，在这个阶段设计人根据工艺要求决定设备的形式和组成以及重要零件的尺寸、标准件的参数等等。这个阶段需要作比较多的力学和运动学计算，以往使用二维设计软件时如果设备有执行动作需要手工画出运动轨迹来确定执行部件的工位以及相应标准件的参数，工作量很大，而且修改麻烦；这次我采用Inventor 来设计收到了很好的效果。本次负责设备中有一台开卷装置，该装置动作由液压缸执行，可分解为升降和平移，由于钢卷卷径不同，需要在不同尺寸钢卷上料情况下计算油缸升降和平推行程来最终确定这两对油缸的参数，并且需要根据不同尺寸钢卷所用的行程归纳出数学模型供后面电气控制编程使用；以往无论使用作图法还是几何求解法都非常麻烦，而且每次改变钢卷尺寸都需要重新计算。而在Inventor 草图环境下，只需做出概念草图设置好几何约束使用尺寸约束驱动就可自动计算出结果，而且只要重新输入钢卷尺寸就可自动重新计算，非常方便而且结果精确，如图1。 
图1.开卷装置概念草图
在计划图阶段一些重要的零件的尺寸需要定出（如转动轴的直径），这就需要对零部件进行力学计算，以往这部分需用手工计算，计算量大而且在边界条件复杂的情况下很难求解，Inventor 自带的“应力分析”模块可以把这个问题很好的解决，只要设定好边界条件，剩下的就可以交给电脑来处理了。由于采用了有限元算法，所以计算结果比手工计算的结果更加精确。如图2所示是冷轧处理线。
图2.卷筒轴应力分析
开卷机的卷筒轴，该轴是开卷机的一个关键零件，同时承受扭矩和弯矩，边界条件比较复杂，而且轴端结构不规则，如果人工校核该零件很难得到精确的结果。采用Inventor对该零件进行应力分析就可以精确的得出每个部位的受力情况以及变形程度，这就为我们提供了一个很好的设计依据来对每个细节进行优化，这样不但使设计变得更加合理，而且避免了计算结果不确定导致安全系数过大的问题。
在计划图完成后用户往往要对我们进行基本设计审查，在这个项目的审查会上我向他们展示了Inventor 计划图，因三维模型非常直观，用户很轻松就理解了设备结构并提出了建议，大大节省了交流时间。
二．零件图阶段。计划图把设备的大致结构确定下来后就可以拆零件图了。零件图阶段是设备设计将构思转化为实际制造图的一个过程，这个过程比较烦琐，也是设备设计人员倍感头疼的阶段；这个过程也是一个多校核修改的过程，需要纠正计划图中可能存在的不合理。用二维软件做出的计划图拆零件图比较麻烦，需要不停的与原图对照修改并补充缺少的零件视图，需要多人花去大量的时间去画图和审核。这次我用Inventor作好的模型直接出零件图，因为Inventor做出的计划图就是三维的模型，所以在Inventor 下修改模型非常的直观和方便，并且运动部件可以通过装配约束驱动来模拟执行动作以观察最终效果。在所有的结构检查完成后就可以对整个设备进行静态和动态的自动干涉检查，Inventor的这个功能彻底的把设计人员从枯燥的干涉检查中解放出来；尤其是一些运动过程中非常隐蔽的干涉都能被自动查出。这个功能非常具有实际意义，现在我们公司很多设计人员将容易干涉的部件做成三维以检查干涉，如图3。
图3.纠偏辊干涉检查
完成上述工作后就可以使用Inventor的工程图模块出零件图了，由于工程图是三维模型的投影所以完全是所建模型的反映，不会出现二维软件作图时经常发生的零件图不符合设计人员真实意图的现象。由于工程图与三维模型是关联的所以当模型修改后所有相关的零件图也会随之修改（你也可以选择不关联），这就为我们修改图纸解决了后顾之忧，很多设计人员不愿意修改设计是因为一个小小的修改就可能导致多个零件的变更，这样往往会出现漏改或错改现象，而在Inventor 环境下这种错误完全可以避免。使用Inventor 出工程图还有一个很实用的优点就是它可以自动计算零部件的重量，以往手算零件重量很麻烦，而且结构复杂零件的重量很难精确算出，而Inventor的三维模型的体积和重量是自动计算的。
在这里我还想着提一下Inventor的结构件生成器和设计加速器模块。冶金设备的机架很多是由型材搭建而成的，结构复杂的钢结构手工画起来非常吃力修改起来也很麻烦。Inventor 针对这个问题专门开发了结构件生成器模块，只需要画出二维或者三维草图，就可以根据草图中的线条生成钢结构；Inventor 提供了多个国家的标准型材供选择，如果要修改尺寸只需修改草图线条尺寸钢结构就可以自动关联修改，型材之间常用的连接方式也可以随意选择并自动完成修剪，这个模块无论是应用在机械设备设计还是厂房设计中都是一个很好的工具，如图4。
图4.结构件生成器生成纠偏辊机架
还有一个强大的模块就是设计加速器，这个模块中带有轴、齿轮、弹簧等选项，这些都是设备中比较重要并经常会被用到的零部件，在设计时需要进行大量的计算和反复的斟酌修改才能最终决定，在使用Inventor 进行设计时只要设定好边界条件设计加速器就可以辅助你完成上诉工作并自动生成模型，在使用这个模块时，我感觉就像有一个很好的助手在身边。当完成设计
构思后，其余的工作它会替你完成。
三．装配图阶段。在二维设计环境下零件图和装配图是两个出图阶段，按照工程项目老的发图传统我在这里也这样区分，其实如果使用Inventor 设计这两个阶段是可以合并在一起的。从前之所以这样分开出图是因为零件图发出后装配图有可能还没有整理好，并且发出的零件图需要在装配图中再重新手工“组装”一次以作校核。而Inventor 是用三维模型出图的，所有的问题在出零件图时就已经解决所以不存在零件图和和装配图存在矛盾的问题，所以这次我的零件图和装配图是同时发的，而且可以保证前后两图完全一致。出装配图时需要用到很多的剖视图和不同角度投影视图，以往设计人员只能通过几何投影关系和自己头脑中的“模型”去手工画出来，而在Inventor 的三维模型中可以很方便的在任意截面和角度出图，并且可以保证“绝对正确”。
Inventor 是一款功能非常强大的软件，作为一个刚刚开始接触它的新人还有很多东西要去学习和领悟，希望那些还没有使用或正在使用该软件的朋友能够不断的尝试大胆的将Inventor应用到实际设计中去，相信Inventor 会不断的给我们带来惊喜！(end)
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(4/6/2008) |
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