圖一 集團公司技術中心大樓

研發(fā)設計的機遇與挑戰(zhàn)

中國二重一直將研發(fā)設計創(chuàng)新作為集團重要的工作，下屬兩個國家級研發(fā)平臺：中國二重國家級企業(yè)技術中心和大型鑄鍛件數(shù)值模擬國家工程實驗室。技術中心下設七個專業(yè)研發(fā)院所：重型機械設計研究院、大型鑄鍛件研究所、工藝研究所、重型壓力容器與核電技術研究所、傳動技術研究所、信息技術所和計量技術所。中國二重具有雄厚的物質(zhì)技術基礎和強大的產(chǎn)品研發(fā)、設計和制造能力。擁有國家級技術中心、工程實驗室和博士后工作站，擁有160MN水壓機等主要生產(chǎn)設備6600臺，具備一次性冶煉900t鋼水、澆注600t鋼錠、產(chǎn)出500t成品鑄件及250t成品鍛件的能力，是中國最大的冶金成套設備、核電、水電、火電成套鑄鍛件、重型壓力容器、大型傳動件、大型成套航空模鍛件等重大技術裝備制造基地。

然而，隨著業(yè)務的開展客戶的需求也在發(fā)生變化：如今的機械制造業(yè)不再是單一的機械設備制造，而是要為用戶提供成臺套裝備，這就要求制造商具有更全面、強大的技術支持。目前各重型機械制造業(yè)都在積極尋求進一步加強設計能力、改進產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短生產(chǎn)制造周期、降低生產(chǎn)制造成本等項問題的解決方案。有了完善可行的解決方案，才能在當前國際國內(nèi)激烈的市場競爭中站穩(wěn)腳跟，長足發(fā)展。中國二重也不例外，在科研開發(fā)、設計制造等領域都面臨著這樣的挑戰(zhàn)。

如何應對挑戰(zhàn)?

在高速發(fā)展的信息化時代，傳統(tǒng)的設計方法已不能滿足目前快節(jié)奏的生產(chǎn)方式了，更好地應用現(xiàn)代設計方法和手段，是最好的選擇。為此，中國二重在市場開拓、產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)制造等方面采取了多項改進措施來應對目前的挑戰(zhàn)。在科研開發(fā)、產(chǎn)品設計方面，提高了CAD/CAE技術的應用深度和范圍，制定了多種考核方式來促進工程技術人員盡快提高應用CAD/CAE技術的技巧和能力。

早在十幾年前，集團公司就在實施甩圖板工作時選用了AutoCAD作為二維CAD工具，如今，無論是推廣應用三維CAD/CAE技術還是選擇整體解決方案，都離不開已有的二維工程圖紙和多年設計經(jīng)驗的積累。因此，選取歐特克解決方案是有效利用已有資源、提升效率的最佳選擇。集團公司設計研究院從1993年開始實施甩圖板工作，針對AutoCAD軟件的應用，先后舉辦了多期CAD技術培訓班，普及推廣后陸續(xù)購買了歐特克產(chǎn)品：AutoCAD和Autodesk Inventor，這也是集團公司設計研究院目前主要使用的CAD軟件。CAE方面，集團公司目前正在試用歐特克的Autodesk Simulation Mechanical & Multiphysics軟件，并不斷總結(jié)經(jīng)驗和需求。不斷的發(fā)展，不斷的創(chuàng)新。中國二重研發(fā)設計的下一步計劃是將重點放在成臺套設備的整體應用分析上，以解決整體設備的數(shù)字樣機制作、整體測試、工況模擬、應力分析等問題。

“實踐證明，三維技術的應用能夠有效地滿足企業(yè)對新產(chǎn)品快速研發(fā)、設計和產(chǎn)品知識積累的需求。不但大大提高設計效率，在優(yōu)化產(chǎn)品設計方面也效果卓著。”中國二重設計研究院教授級高級工程師、傳動技術研究所傳動設計二室室主任譚仁萬表示。

從設計實例看三維設計的應用經(jīng)驗

現(xiàn)在以萬向接軸系列化產(chǎn)品的開發(fā)為例，對中國二重使用歐特克解決方案的應用情況和經(jīng)驗作簡介。

十字軸式萬向接軸是機械行業(yè)廣泛應用的傳動件之一，對于這類具有標準系列的產(chǎn)品，經(jīng)參數(shù)化驅(qū)動后，應用Inventor來完成設計工作，更加能夠顯示出Inventor在產(chǎn)品設計中的優(yōu)越性和高效率。

我們利用Inventor對SWC/SWZ/SWP型萬向接軸進行了三維參數(shù)化設計軟件開發(fā)，該軟件能夠快速、準確地生成各系列聯(lián)軸器的三維零部件實體和完整的裝配體，并用優(yōu)化后的數(shù)據(jù)修正三維模型，使得這類型號的萬向接軸的結(jié)構(gòu)更合理，從而進一步提高產(chǎn)品的承載能力和機械性能特性，有效地提升產(chǎn)品的設計和制造水平。高效率地開發(fā)設計出聯(lián)軸器各種規(guī)格的系列化產(chǎn)品，有效縮短設計和制造周期、提高產(chǎn)品技術性能、節(jié)約制造成本，產(chǎn)生很好的經(jīng)濟效益和社會效益。

在軟件開發(fā)中，我們重點考慮和解決了以下幾個問題：

1、十字萬向接軸參數(shù)驅(qū)動與強度問題：十字萬向接軸不但規(guī)格系列較多，并且各系列產(chǎn)品設計中均涉及很多待定尺寸，各尺寸之間又涉及到裝配關系和強度之間存在互相影響、相互矛盾的問題，需要多次反復計算校核，才能確定結(jié)構(gòu)型式方案，盡管如此也不能優(yōu)化的解決裝配關系與強度之間的問題。并且該產(chǎn)品使用傾角大，相互運動件容易產(chǎn)生干涉，尤其是SWC型的整體鑄造叉頭，空間曲面多，形狀復雜，強度要求高，是造成干涉的主要零件之一，該件是該類萬向接軸的關鍵零件，也是應力最大的零件，因此，在設計階段，要提高萬向接軸的承載能力，延長其壽命，就必須對其關鍵零部件進行優(yōu)化設計和必要的強度分析。該軟件解決了聯(lián)軸器零部件的快速編輯和強度校核問題。

2、工程圖生成中存在的問題：由于萬向接軸零件較多且結(jié)構(gòu)復雜，空間曲面多，輪廓線繪制困難，且圖面尺寸及形位差較多，人為標注尺寸時容易出現(xiàn)錯誤和漏洞。為確保圖紙的正確性，避免人為繪制工程圖出現(xiàn)錯誤的問題，提高設計效率和質(zhì)量，我們采用了工程圖尺寸標注數(shù)據(jù)和三維模型驅(qū)動數(shù)據(jù)共用一個數(shù)據(jù)庫的方式，有效地解決了工程圖標注數(shù)據(jù)與三維模型驅(qū)動數(shù)據(jù)一致性的問題，

3、脹箱導致的干涉問題：由于鑄造時脹箱、重要尺寸偏差與圖紙給出的偏差產(chǎn)生較大誤差等原因的影響，致使整體鑄造叉頭實體可能存與相關件嚴重干涉或者重要部位的強度減弱的問題，這兩種情況都會對產(chǎn)品的生產(chǎn)和質(zhì)量造成非常嚴重的影響。在裝配時若存在嚴重干涉問題，無法達到設計傾角要求。只能在反復的修整后才能確定干涉部位及干涉程度，而干涉部位要在機床上切削加工后再進行檢查，發(fā)現(xiàn)干涉后再上機床加工，如此反復修整才能解決整體鑄造叉頭干涉的問題。這樣既影響到該設備的出產(chǎn)進度，無法保證交貨時間，同時又長時間占用機床，嚴重影響其它產(chǎn)品的進度，造成人力和資源的浪費。利用該軟件，可以在Inventor環(huán)境下很好地解決上述問題，有效地提高設計效率，縮短了生產(chǎn)制造周期。

軟件的開發(fā)為設計者提供了良好的操作界面，即使不熟悉Inventor的設計人員，也能利用該軟件設計快速地完成十字軸式萬向聯(lián)軸器的設計工作。軟件采用了外部執(zhí)行文件與Inventor交互操作的模式運行，可在Inventor 2010~2012環(huán)境下運行。

圖二~圖五是軟件運行的主控界面和完成的相應工作結(jié)果。

圖二 參數(shù)化設計程序主控截面

圖三 完成后的SWC型聯(lián)軸器接軸裝配

圖四 聯(lián)軸器工程圖生成主控界面

圖五 生成后的法蘭叉頭工程圖

應用效益評價

萬向接軸系列化產(chǎn)品的開發(fā)已在Autodesk Inventor(三維部分)/AutoCAD(工程圖部分)平臺上成功運行。目前，設計研究院傳動所設計的該類萬向接軸全部采用該系統(tǒng)進行設計，在通鋼1450E1萬向接軸、重鋼1780 E1萬向接軸、柳鋼1450F1E萬向接軸、東北特鋼小棒萬向接軸系列等設計工作中得到深入應用(應用情況見表2)，應用情況良好。在設計周期上，以前傳統(tǒng)的設計方式設計一套較為復雜的伸縮式SWC型十字萬向接軸需要的時間大概為：方案設計(7天)、強度分析(7天)、詳細設計及工程圖繪制(30天)，共需要約44天完成設計工作，而本項目的研究成功，可以在約7天的時間內(nèi)完成設計工作，僅為原設計時間的16%，大大的提高了設計效率。實踐證明，該技術的應用能夠有效地滿足企業(yè)對新產(chǎn)品快速研發(fā)、設計和產(chǎn)品知識積累的需求。

在設計十字軸式萬向接軸的過程中，使用Inventor二次開發(fā)軟件快速、準確地生成相應的零部件三維模型，對關鍵件進行強度分析，萬向節(jié)傾轉(zhuǎn)干涉分析，然后對其中關鍵尺寸進行優(yōu)化、修正，最終生成工程圖用于生產(chǎn)。在這一設計周期中，我們使用Inventor二次開發(fā)軟件后，極大地提高了工作效率，而且經(jīng)過強度及過盈分析后，零部件的強度及結(jié)構(gòu)都能得到最大的優(yōu)化，并且能夠避免形狀復雜的法蘭叉頭在無法精確控制其傾轉(zhuǎn)時不出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。有效縮短了設計和制造周期、提高產(chǎn)品技術性能、節(jié)約制造成本，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟效益和社會效益。

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hanrui

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