M200A氣瓶的三維造型設(shè)計(jì)【說明書+SOLIDWORKS】

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1 引言 1.1 本課題研究背景和意義 在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì)中，氣瓶制造業(yè)被認(rèn)為屬于朝陽工業(yè)范疇。氣體應(yīng)用技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)達(dá)到很高水平，全世界已有130種氣體要用氣瓶充裝，中國(guó)也達(dá)到了80余種。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)民生產(chǎn)總值每增加1%，氣瓶需求量就增加1.5%，而國(guó)際市場(chǎng)每年大約以5%的速度增長(zhǎng)。全世界年需求氣瓶量可達(dá)到500萬支，產(chǎn)值約40億美元。這其中一部分自然也包括了新興的以“輕質(zhì)高強(qiáng)”為特點(diǎn)的復(fù)合材料氣瓶。據(jù)悉，全世界有300萬只復(fù)合材料氣瓶在運(yùn)行[1]。原有的各類氣瓶基本都是金屬氣瓶，而新型復(fù)合材料氣瓶具有良好的承載能力、密封性、抗腐蝕性以及安全性，既可以降低能源消耗和費(fèi)用，也不會(huì)像金屬氣瓶爆炸是產(chǎn)生碎片，所以將成為金屬氣瓶的最佳取代品。 氣瓶的種類有很多，具體分類如表1： 表1 氣瓶的分類 分類 按制造方法分 按充裝介質(zhì)的性質(zhì)分 按公稱工作壓力分 （1） 鋼制無縫氣瓶 永久氣體氣瓶 高壓氣瓶 （2） 鋼制焊接氣瓶 液化氣體氣瓶 低壓氣瓶 （3） 纏繞玻璃纖維氣瓶 溶解氣體氣瓶 本課題研究的是鉬源氣瓶，鉬作為一種金屬元素，通常用作合金及不銹鋼的添加劑，它可增強(qiáng)合金的強(qiáng)度、硬度、可焊性及韌性，還可增強(qiáng)其耐高溫強(qiáng)度及耐腐蝕性能。但鉬是有毒物質(zhì)，所以鉬源氣瓶要求很高的密封性。 1.2 氣瓶的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 自上世紀(jì)后半葉以來，復(fù)合材料氣瓶在西方國(guó)家得到飛速的發(fā)展。以CNG氣瓶的研發(fā)和開發(fā)方面為例，美國(guó)的Lincol公司、SCI公司和Hydospin公司都走在世界前列。改革開放后的中國(guó)自然也有所作為，國(guó)內(nèi)許多公司企業(yè)、科研院以及高度院校也紛紛加入到這個(gè)行列中來。經(jīng)過數(shù)年努力，他們都拿出了自己的產(chǎn)品或研究成果。 國(guó)內(nèi)的研發(fā)項(xiàng)目已經(jīng)解決了CNG氣瓶殼體預(yù)緊壓力設(shè)計(jì)和樹脂配方設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，完成了樹脂配方全部原材料實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化及定型工作、建立了力學(xué)計(jì)算模型，確定了纖維纏繞角度、鋪層結(jié)構(gòu)的工藝參數(shù)，開展了爆破、公益性試驗(yàn)及振動(dòng)和疲勞性能研究、設(shè)計(jì)制造了兩工位計(jì)算機(jī)控制纖維纏繞機(jī)并形成了小規(guī)模生產(chǎn)能力的生產(chǎn)線，該技術(shù)還可在國(guó)防領(lǐng)域得到相關(guān)應(yīng)用。 目前，國(guó)內(nèi)對(duì)氣瓶的研究?jī)?nèi)容有：對(duì)鋼制內(nèi)膽環(huán)向纖維纏繞氣瓶進(jìn)行系統(tǒng)研究[2]；對(duì)氣瓶設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和受力情況進(jìn)行有限元分析[3]；對(duì)氣瓶進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)氣瓶的制造工藝提出全面分析，提出優(yōu)化制造工藝[4]；對(duì)鋼內(nèi)膽和復(fù)合材料層在疲勞試驗(yàn)中的模量匹配問題進(jìn)行深入研究，綜合考慮表面的壓應(yīng)力、疲勞應(yīng)力、鋼和玻璃纖維的彈性模量及在疲勞中應(yīng)變量和變形匹配，提出和完善復(fù)合材料纏繞工藝[5]。 我國(guó)的復(fù)合材料氣瓶產(chǎn)業(yè)雖然才剛剛起步，但我國(guó)的纖維纏繞技術(shù)根基深厚，氣瓶制造只要堅(jiān)持下去，必有成績(jī)和回報(bào)[6]。而計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)的引入給設(shè)計(jì)領(lǐng)域的傳統(tǒng)方法帶來了一場(chǎng)變革，準(zhǔn)確掌握和應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)軟件行業(yè)及機(jī)械行業(yè)都有著重大對(duì)意義。 1.3 本文的具體工作 本文的具體工作如下： (1) 對(duì)M200A氣瓶現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)、原理進(jìn)行詳細(xì)分析； (2) 設(shè)計(jì)M200A氣瓶的整體結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用SolidWorks三維建模軟件建立氣瓶的實(shí)體模型； (3) 完成M200A氣瓶這個(gè)產(chǎn)品中各零件的三維造型、工程圖生成及最終的裝配； (4) 制定相應(yīng)的工藝文件。 2 M200A氣瓶的總體設(shè)計(jì) M200A氣瓶一種比較精密的儀器，它的各個(gè)部件的選擇不是憑空想象的，每個(gè)部件的確定都有其一定的科學(xué)規(guī)律。本課題設(shè)計(jì)的氣瓶所裝的鉬源氣體主要運(yùn)用于集成電路板，所以要求所設(shè)計(jì)的氣瓶以盡可能輕的重量，盡可能小的體積，儲(chǔ)存盡可能多的氣體。并且由于鉬源是有毒的，對(duì)氣瓶的密封性要求很高，在實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)氣瓶的焊縫質(zhì)量、焊接接頭的力學(xué)性能等都提出了很高的要求。 2.1 M200A氣瓶的總體結(jié)構(gòu)及其工作原理 鑒于其它氣瓶已有的結(jié)構(gòu)，可以知道一個(gè)氣瓶大致有以下幾個(gè)部分組成：瓶身、進(jìn)氣管、排氣管、控制閥門等。其工作原理也很簡(jiǎn)單：由進(jìn)氣管充氣，通過控制閥門的開/關(guān)進(jìn)行氣體的排放。考慮到所設(shè)計(jì)的氣瓶用到的場(chǎng)合較特殊，每個(gè)部件需仔細(xì)對(duì)比方案后再進(jìn)行設(shè)計(jì)。 2.2 方案的比較及確定 在正式用軟件對(duì)零件進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)之前，需有一個(gè)方案的確定。所以，一般某個(gè)零件的設(shè)計(jì)都是先制定處二至三個(gè)方案，然后討論篩選出較為滿意的方案進(jìn)行深入，深入過程實(shí)際是進(jìn)一步細(xì)化。討論并最終確定方案，這時(shí)的方案會(huì)比較細(xì)致，包括產(chǎn)品系列化方案、顏色方案等等。下面就對(duì)每一個(gè)具體的零件進(jìn)行方案的比較和最終的確定。 2.2.1 瓶身的方案 普通氣瓶的瓶身是一個(gè)整體，也就是不分瓶蓋、瓶身和瓶底。這樣的瓶身制造起來方便，但精度不高，也不適用于不銹鋼材料的氣瓶，而本文設(shè)計(jì)的氣瓶材料采用316L和1Cr18Ni9Ti，都是不銹鋼材料。所以瓶身采用瓶蓋、瓶身、瓶底的分開設(shè)計(jì)。 瓶身的設(shè)計(jì)有兩種方案可供選擇： (1) 具有不銹鋼襯里的雙層瓶身。這種瓶身的優(yōu)點(diǎn)是耐用、密封性好；相對(duì)的缺點(diǎn)就是造價(jià)比較高。 (2) 單層瓶身。這種瓶身的優(yōu)點(diǎn)就是造價(jià)相對(duì)低；缺點(diǎn)是沒有雙層瓶身耐用。 考慮到使用的方便性，氣瓶要盡可能的輕，盡可能小的體積，儲(chǔ)存盡可能多的氣體，且造價(jià)也不宜太高，本文采用單層瓶身。 瓶底的方案：考慮到鉬源氣體的珍貴，為了能使氣體通過排氣管徹底用完，在瓶底的設(shè)計(jì)處增加了一個(gè)小凹槽，這樣就能保證氣體不浪費(fèi)了。 瓶蓋的方案：瓶蓋上需焊接進(jìn)氣管和排氣管，需挖兩個(gè)孔。但考慮到本文所設(shè)計(jì)的氣瓶所裝的鉬源氣體十分珍貴，為了保證在氣體沖入瓶中后不被污染，該氣瓶還需配有一個(gè)清洗閥，便于瓶身的清洗。所以在瓶蓋上還需開一個(gè)孔，用來焊接清洗閥。 2.2.2 進(jìn)氣管和排氣管的方案 進(jìn)氣管和排氣管都可以設(shè)計(jì)成彎曲的造型和筆直的管，考慮整個(gè)氣瓶的美觀性，本文采用彎管。 2.2.3 瓶?jī)?nèi)管的設(shè)計(jì) 氣體的排放如若經(jīng)過一個(gè)管道則會(huì)排放的更加干凈，所以本文的設(shè)計(jì)增加了一根瓶?jī)?nèi)管，便于鉬源氣體的徹底排放。管的彎曲度則由瓶蓋上的孔和瓶底的小凹槽決定，裝配時(shí)管子的兩端需對(duì)準(zhǔn)孔和凹槽。 2.2.4 通氣閥的設(shè)計(jì) 沖入氣體和排出氣體都需要通過一個(gè)部件，那就是通氣帽。通氣帽由五個(gè)零件構(gòu)成，分別是：通氣蓋、通氣管、螺帽、螺母和墊片。相應(yīng)的零件尺寸大小可以查相關(guān)的手冊(cè)。 2.2.5 其它部件的設(shè)計(jì)或選用 氣體排放的速度和量的多少由一種標(biāo)準(zhǔn)件——VCR接頭控制。所謂標(biāo)準(zhǔn)件，就是可以直接按照相關(guān)參數(shù)（如排氣管的直徑）來選定。 至于清洗閥，它的結(jié)構(gòu)和通氣閥是一樣的，只要確定其各個(gè)零件的尺寸大小就可以了，而它的尺寸也可以按瓶蓋上孔的大小作為參照尺寸。 2.2.6 鋼絲繩的設(shè)計(jì) 在通氣帽上連接著一根鋼絲繩，這是為了方便通氣蓋擰下時(shí)的放置，可以直接吊在繩索上。 至此，M200A氣瓶的總體設(shè)計(jì)就基本上完成了。下面就可以用三維造型軟件進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)了。 3 M200A氣瓶的三維造型 ?隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的飛速發(fā)展與功能的不斷完善，為工程技術(shù)人員提供的高效方法和手段越來越豐富。尤其是三維CAD/CAM軟件的廣泛應(yīng)用與普及，使得現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)逐步進(jìn)入三維設(shè)計(jì)時(shí)代。三維設(shè)計(jì)具有形象、直觀、精確、快速的特點(diǎn)，在產(chǎn)品開發(fā)、結(jié)構(gòu)分析、產(chǎn)品性能的評(píng)估、確定和優(yōu)化物理樣機(jī)參數(shù)過程中起到?jīng)Q定性作用，為新產(chǎn)品研發(fā)一次成功，提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。 3.1 三維造型軟件介紹 目前,市場(chǎng)上流行很多三維設(shè)計(jì)軟件,如Pro /E、UG、CAXA 、SolidWorks等,這些三維設(shè)計(jì)軟件都具有強(qiáng)大的實(shí)體建模、參數(shù)化特征造型、曲面造型和大型裝配處理等功能,它們被廣泛用于機(jī)械、汽車、航空等領(lǐng)域。 美國(guó)PTC公司開發(fā)的Pro/E軟件是基于參數(shù)化的三維實(shí)體設(shè)計(jì)軟件，共有近30個(gè)大模塊，其功能非常強(qiáng)大，幾乎涵蓋了機(jī)械學(xué)科的各個(gè)專業(yè)。其中，實(shí)體造型、曲面造型、模具設(shè)計(jì)、數(shù)控加工、虛擬裝配、運(yùn)動(dòng)仿真、工程管理、工程圖繪制等都是它的基本功能。該軟件還提供了大量是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)模塊和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，其功能之豐富、專業(yè)程度之高、涵蓋面之廣，在眾多CAD軟件系列中都是少有的[7]。 SolidWorks是一套基于W indows的CAD /CAE /CAM /PDM桌面集成系統(tǒng),是美國(guó)Solid Works公司在總結(jié)和繼承了大型機(jī)械CAD 軟件的基礎(chǔ)上,在Windows環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的第一個(gè)機(jī)械三維CAD軟件。它全面采用非全約束的特征建模技術(shù),其設(shè)計(jì)過程全相關(guān)性,可以在設(shè)計(jì)過程的任何階段修改設(shè)計(jì)。該軟件具有產(chǎn)品配置功能,可以為用戶設(shè)計(jì)不同構(gòu)性的產(chǎn)品。它集成了設(shè)計(jì)、分析、加工和數(shù)據(jù)管理過程,所獲得的分析和加工模擬結(jié)果成為產(chǎn)品模型的屬性,它將2D造型繪圖與3D造型技術(shù)融為一體,能自動(dòng)生成零件尺寸、材料明細(xì)表(BOM) 、具有指引線的零部件編號(hào)等技術(shù)資料,從而簡(jiǎn)化了工程圖樣的生成過程。同時(shí)有中英文兩種界面可以選擇,其先進(jìn)的特征樹結(jié)構(gòu)使操作更加簡(jiǎn)便和直觀。具有交好的開發(fā)性接口和功能擴(kuò)充性。能輕松實(shí)現(xiàn)各種CAD軟件之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳送。 SolidWorks軟件的主要特點(diǎn): (1) SolidWorks提供了直接繪制三維草圖的功能,在友好的用戶界面下, 象繪制線架圖一樣不再局限在平面上, 而是在空間直接畫草圖。此外3D草圖還可作為裝配環(huán)境下的布局草圖進(jìn)行關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)。 (2) SolidWorks提供了一個(gè)動(dòng)畫功能, 可以生成實(shí)體的裝配過程、爆炸過程、運(yùn)動(dòng)過程的動(dòng)畫文件, 同時(shí)也生成各個(gè)過程的組合動(dòng)畫文件。 (3) SolidWorks友好的界面。圖形菜單設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單明快、形象化, 一看即知。系統(tǒng)的所有參數(shù)設(shè)置全部集中在一個(gè)選項(xiàng)中, 容易查找和設(shè)置。實(shí)體的建模和裝配完全符合于自然的三維世界。特別是裝配約束的概念非常簡(jiǎn)單且容易理解。對(duì)實(shí)體的放大, 縮小和旋轉(zhuǎn)等操作可以在任何命令過程中使用, 實(shí)體的選取非常容易和方便。 (4) SolidWorks建模迅速, 操作靈活, 是一種尺寸驅(qū)動(dòng)且基于特征的三維設(shè)計(jì)軟件, 具有構(gòu)造歷史以供事后修改, 更加適合學(xué)生在機(jī)械制圖綜合實(shí)踐中使用[8]。 3.2 M200A氣瓶的三維造型 設(shè)計(jì)的M200A氣瓶的裝配圖如圖1。 圖1 M200A氣瓶結(jié)構(gòu)圖 如圖所示，M200A主要由瓶蓋、瓶底、瓶身、VCR接頭、清洗閥、進(jìn)氣管、內(nèi)管、排氣管等零件組成。 3.2.1 清洗閥的設(shè)計(jì) 清洗閥是M200A氣瓶中的關(guān)鍵部件，它既用于清洗，還可以檢測(cè)所剩氣體的多少。所以在設(shè)計(jì)清洗閥的時(shí)候應(yīng)該充分考慮其光潔度、耐腐蝕性等綜合要求，以及為實(shí)現(xiàn)這些要求而采用的熱處理方式，同時(shí)考慮制造工藝問題加以選用，力求經(jīng)濟(jì)合理。清洗閥是標(biāo)準(zhǔn)件，市面上現(xiàn)在可以直接買到。清洗閥由無氧銅墊片、通氣管、通氣蓋、螺帽和螺母裝配而成，結(jié)構(gòu)如圖2： 圖2 清洗閥結(jié)構(gòu)圖 (1) 無氧銅墊片 無氧銅墊片的主要起密封作用，結(jié)構(gòu)如圖3： 圖3 無氧銅墊片 (2) 螺母 螺母用于和螺帽連接，結(jié)構(gòu)如圖4： 圖4 螺母 (3) 螺帽 螺帽的結(jié)構(gòu)如圖5： 圖5 螺帽 (4) 通氣蓋 通氣蓋的結(jié)構(gòu)如圖6： 圖6 通氣蓋 (5) 通氣管 通氣管的結(jié)構(gòu)如圖7： 圖7 通氣管 為了表達(dá)清楚清洗閥的裝配結(jié)構(gòu)，見如下爆炸視圖8： 圖8 清洗閥的爆炸視圖 3.2.2 瓶底的設(shè)計(jì) 瓶底主要是起支撐作用的，所以它的厚度有一定的要求，不能太薄。而為了使瓶?jī)?nèi)的氣體完全排完，特別在瓶底挖了一個(gè)槽，這樣一個(gè)小小的設(shè)計(jì)就能保證氣體不浪費(fèi)了。并且瓶底做了倒圓角處理。瓶底結(jié)構(gòu)如圖9： 圖9 瓶底 3.2.3 瓶蓋的設(shè)計(jì) 瓶蓋上三個(gè)孔的位置是有要求的：需考慮應(yīng)力的分布，重量的分布，也就是整個(gè)氣瓶裝配好以后的重心必須落在瓶身的中心線上，不然氣瓶就不能站穩(wěn)了。瓶蓋結(jié)構(gòu)如圖10： 圖10 瓶蓋 (1) 孔的大小 孔的大小是根據(jù)管的直徑來決定的。 (2) 孔的倒角處理 為了便于排氣管和內(nèi)管的連接，在孔的底部做了倒角處理。 (3) 孔的位置 孔的位置考慮了在上面焊接的管、VCR接頭等的重量分布情況。 3.2.4 瓶身的設(shè)計(jì) 瓶身作為瓶蓋與瓶體的連接體，也是氣體主要儲(chǔ)存的地方，對(duì)其壁厚有一定的要求，倒角處理以后需與瓶蓋與瓶身吻合，以便于焊接。瓶身結(jié)構(gòu)如圖11： 圖11 瓶蓋 3.2.5 進(jìn)氣管與排氣管的設(shè)計(jì) 進(jìn)氣管與排氣管的設(shè)計(jì)思路是一樣的，兩根管子的彎度要一致，這是為了在瓶蓋上的重量分布均勻，但考慮到排氣管還與瓶?jī)?nèi)管連接，所以排氣管應(yīng)比進(jìn)氣管短一些。進(jìn)氣管和排氣管如圖12、圖13所示： 圖12 進(jìn)氣管 圖13 排氣管 3.2.6 通氣閥的設(shè)計(jì) 通氣閥的結(jié)構(gòu)和清洗閥是一模一樣的，只是尺寸不同，在此就不贅述了。 3.2.7 VCR接頭 VCR接頭是標(biāo)準(zhǔn)件，市面上可以直接買到。它的主要作用是用來連接通氣閥與進(jìn)、排氣管，以及準(zhǔn)確控制氣體流動(dòng)的速度與用量它的結(jié)構(gòu)如圖14： 圖14 VCR接頭 3.3 工程圖 工程圖是設(shè)計(jì)者思想的表達(dá)，是加工零部件的依據(jù)，是進(jìn)行技術(shù)交流的重要文本資料。SolidWorks工程圖能將2D造型繪圖與3D造型技術(shù)融為一體，能自動(dòng)生成零件尺寸、材料明細(xì)表（BOM）、具有指引線的零部件編號(hào)等技術(shù)資料，從而簡(jiǎn)化了工程圖樣的生成過程[9]。 SolidWorks工程圖文件中包含兩個(gè)獨(dú)立的部分：圖紙格式和工程圖視圖。圖紙格式包含工程圖圖幅的大小、標(biāo)題欄設(shè)置、零件明細(xì)表及其定位等。由于圖紙格式在工程圖文件中相對(duì)比較穩(wěn)定，所以一般先設(shè)置或者創(chuàng)建需要的工程圖圖紙格式[10]。 3.3.1 圖紙格式的設(shè)置 圖紙格式包括圖紙的大小、方向及圖框的種類。通過設(shè)置圖紙格式，用戶可以設(shè)置需要的圖紙邊框與標(biāo)題欄等內(nèi)容。SolidWorks在創(chuàng)建工程圖時(shí)，必須設(shè)置需要的圖紙格式。SolidWorks提供三種圖紙格式，分別為標(biāo)準(zhǔn)圖紙格式、用戶圖紙格式與無圖紙格式。 (1) 標(biāo)準(zhǔn)圖紙格式 SolidWorks提供了12種標(biāo)準(zhǔn)圖紙格式，每一種圖紙格式都包含了確定的圖框與標(biāo)題欄，用戶可以根據(jù)需要選用。圖紙的設(shè)置方向通常有橫向和縱向兩種。 (2) 用戶圖紙格式 用戶圖紙格式是讀者自行設(shè)置的圖紙格式。 (3) 無圖紙格式 該方式只能定義圖紙的大小，沒有圖框和標(biāo)題欄，是一張空白的圖紙。 實(shí)際應(yīng)用中，各單位的圖紙格式往往不一樣，所以用戶需要設(shè)計(jì)符合自己的圖紙格式并儲(chǔ)存，以后用到的時(shí)候，只要調(diào)用該圖紙格式即可。本文采用用戶圖紙格式，根據(jù)所設(shè)計(jì)氣瓶的總體尺寸和各個(gè)零部件的尺寸，需用到A2和A4圖紙。完成了圖紙的一系列相關(guān)設(shè)定后，就可以建立工程視圖了。 3.3.2 工程圖視圖 工程視圖包括：標(biāo)準(zhǔn)三視圖、命名視圖、投影視圖、剖面視圖、旋轉(zhuǎn)剖視圖、輔助視圖和局部放大圖。 (1) 標(biāo)準(zhǔn)三視圖 標(biāo)準(zhǔn)三視圖能為零件或裝配體同時(shí)生成三個(gè)相關(guān)的默認(rèn)正交視圖，默認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)三視圖為前視、上視及右視3個(gè)視圖。常用創(chuàng)建標(biāo)注三視圖的方法有兩種：直接選取法和文件插入法。 (2) 模型視圖 當(dāng)生成新工程圖，或者將一模型視圖插入到工程圖文件中時(shí)，將彈出【模型視圖】屬性管理器，可從指定的視圖名稱選擇一方向，然后生成工程圖視圖。模型視圖可以創(chuàng)建前視、后視、左視、右視、上視、下視、等軸測(cè)、當(dāng)前模型視圖、上下二等角軸側(cè)及左右二等角軸測(cè)等多種視圖。 (3) 投影視圖 投影視圖是指將工程圖中已存在的視圖，建立以該視圖為前視圖的上、下、左、右4個(gè)正投影視圖中的其中一個(gè)視圖。 (4) 剖面視圖 剖面視圖可以顯示設(shè)計(jì)零件內(nèi)部特征的厚度、斜度等構(gòu)造。適當(dāng)使用剖面圖可以使零件的工程圖更為清晰，便于讀圖。剖面視圖一般分為：全剖視圖、部分剖視圖、階梯剖視圖和旋轉(zhuǎn)剖視圖等。 建立剖視圖必須有一條剖面線。對(duì)于全剖視圖，利用直線或者中心線命令，既可以在執(zhí)行剖視命令前在視圖中剖視位置先畫剖面線，也可以在執(zhí)行剖視命令后在視圖中剖視位置再畫剖面線。 對(duì)于部分剖視圖，既可以在執(zhí)行剖視命令前也可以在執(zhí)行剖視命令后在視圖中的剖視位置先畫剖面線。 階梯剖視圖的剖面線一般為多條連續(xù)的直線。創(chuàng)建階梯剖視圖，必須在執(zhí)行剖視命令前在視圖中剖視位置先畫剖面線。 對(duì)于旋轉(zhuǎn)剖視圖，既可以在執(zhí)行剖視命令前也可以在執(zhí)行剖視命令后在視圖中的剖視位置畫剖面線。 (5) 輔助視圖 輔助視圖類似于投影視圖，但是如果零件中包含斜面特征，只以一般正投影視圖來觀測(cè)的話，則可能無法了解斜面上的實(shí)際形狀。這時(shí)只有通過輔助視圖命令，才能清楚了解斜面的特征。 (6) 局部放大圖 局部視圖用來放大顯示模型上較為復(fù)雜或者微小的部分。局部視圖可以是正交視圖、空間視圖、剖面視圖、裁剪視圖、爆炸裝配體視圖或者另一局部視圖。 二維工程圖與三維圖兩者是相輔相成，密不可分的。雖然三維造型圖在機(jī)械設(shè)計(jì)中更具優(yōu)勢(shì)和直觀性，但工人在制造零件時(shí)依據(jù)的還是工程圖。 3.3.3 M200A氣瓶的工程圖 （1） 剖視圖（如圖15） 圖15 瓶蓋工程圖 以上是瓶蓋的剖視圖，這種表示法就可以清楚地表現(xiàn)瓶蓋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)了。 （2） 爆炸工程圖（如圖16） 圖16 清洗閥工程圖 以上是清洗閥的爆炸工程圖，這樣的表現(xiàn)手法可以清晰的地表現(xiàn)出部件的裝配關(guān)系了。 （3） 標(biāo)準(zhǔn)三視圖（如圖17） 圖17 通氣蓋工程圖 以上是通氣蓋的標(biāo)準(zhǔn)三視圖，分別是主視圖、俯視圖和左視圖。這種視圖表示法適用于三視圖不一樣的零件，而本圖中的左視圖又通過剖視圖來表現(xiàn)，這樣就更清楚地表現(xiàn)出通氣蓋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)了。 4 M200A氣瓶的裝配工藝分析和裝配 4.1 氣瓶裝配工藝 氣瓶在實(shí)際裝配時(shí)采用的是焊接形式，而不是簡(jiǎn)單的機(jī)械連接，這是一種不可拆卸的連接。這是為了保證氣瓶的密封性，防止所裝有毒氣體的泄露。所謂焊接結(jié)構(gòu)裝配焊接工藝(以下簡(jiǎn)稱裝焊工藝) ,就是一個(gè)焊接結(jié)構(gòu)的實(shí)際生產(chǎn)過程,主要是指組成結(jié)構(gòu)件的零部件裝配焊接的先后次序及相應(yīng)的裝配焊接內(nèi)容,即具體的加工工藝路線。而焊接結(jié)構(gòu)裝焊工藝的設(shè)計(jì),就是通過對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和功能的分析,對(duì)其整體裝焊工藝進(jìn)行規(guī)劃,從而保證整體裝焊工藝的完整性和有效性的過程[11]。 本課題所設(shè)計(jì)的M200A氣瓶所用的材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼，這種奧氏體不銹鋼在焊接時(shí)，它的流動(dòng)性能好，致密性強(qiáng)，成型美觀，韌性和強(qiáng)度較高，防腐蝕能力強(qiáng)，是化工容器的良好使用材料。對(duì)于1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼而言，一般情況下能很好地是適應(yīng)于溶化焊接，但是從經(jīng)濟(jì)、實(shí)用和機(jī)械器具及技術(shù)性能方面考慮，還是采用手工電弧焊接較好[12]。裝配時(shí)根據(jù)1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼的特點(diǎn)、性能進(jìn)行裝配加工。 氣瓶裝配時(shí)所采取的工藝流程如下： 各零件加工→打磨清洗→超聲波清洗→定位焊→檢驗(yàn)→圓周焊→檢驗(yàn)→烘干→抽真空→沖入氣體[13]。 4.2 裝配過程 在現(xiàn)代制造業(yè)中, 裝配是產(chǎn)品生命周期的重要環(huán)節(jié),裝配成本占產(chǎn)品制造成本的40%～50%, 裝配工作量占整個(gè)制造工作量的20%～70%, 且手工作業(yè)工作量大, 裝配自動(dòng)化一直是制造自動(dòng)化中的瓶頸問題。因此, 1980 年代初, 出現(xiàn)了對(duì)計(jì)算機(jī)輔助裝配規(guī)劃( Computer AidedAssembly Process Planning, CAAPP) 技術(shù)的研究。目前,計(jì)算機(jī)輔助裝配規(guī)劃已經(jīng)成為CAD 技術(shù)推廣應(yīng)用的熱點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一, 其目的是給設(shè)計(jì)人員提供設(shè)計(jì)決策支持, 達(dá)到縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期, 提高產(chǎn)品裝配效率的目的。 SolidWorks為用戶提供了一個(gè)高效、易用的裝配設(shè)計(jì)環(huán)境。在這個(gè)環(huán)境中用戶既可以通過自底向上的方式將單個(gè)的零件裝配為低級(jí)的子裝配，進(jìn)而由低級(jí)的子裝配組裝為更高一級(jí)的子裝配，最后完成整個(gè)裝配；也可以通過頂向下的裝配方式直接在裝配環(huán)境中派生設(shè)計(jì)零件。在創(chuàng)建新零件時(shí)，可直接參考其他零件并保持關(guān)聯(lián)[14]。 4.2.1 裝配規(guī)劃的方法 裝配規(guī)劃實(shí)質(zhì)上就是在各種幾何約束條件及工藝約束條件的制約下, 求解出滿足各種約束條件、效率優(yōu)良的裝配順序, 裝配序列的規(guī)劃方法可分為如下幾種: （1) 基于裝配優(yōu)先約束關(guān)系的裝配序列生成方法獲取優(yōu)先約束關(guān)系是最直觀的裝配順序生成方法,該方法的關(guān)鍵是裝配優(yōu)先約束關(guān)系的獲取, 采用人機(jī)交互的方法, 工作量大, 人員要求高, 易出錯(cuò), 自動(dòng)獲取優(yōu)先約束難度大, 優(yōu)點(diǎn)是獲得零件裝配的優(yōu)先約束后, 容易求得零件的裝配順序。 （2) 基于部件識(shí)別的裝配序列求解方法 根據(jù)零件的部件分類, 分層次生成部件的裝配順序,依據(jù)一定的規(guī)則綜合部件的裝配順序, 即可求得產(chǎn)品的裝配序列?；诓考R(shí)別的求解方法有效地抑制了裝配順序生成的組合爆炸問題, 但需借助知識(shí)去除那些理論上可行但實(shí)際裝配操作工藝性差的裝配序列。 （3) 拆卸法求解裝配順序的方法拆卸法通過求解零件的拆卸順序來獲得零件的裝配順序。但前提是裝配和拆卸必須互為可逆。 （4) 基于知識(shí)的求解方法 基于知識(shí)的方法求解裝配序列, 采用一階謂詞邏輯來表達(dá)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)序列優(yōu)先約束和裝配資源約束等知識(shí)。系統(tǒng)以產(chǎn)品CAD 模型為輸入, 通過人機(jī)交互獲取零部件裝配優(yōu)先約束。通過圖搜索算法求解產(chǎn)品配合特征圖的最小割集來產(chǎn)生裝配序列, 該方法對(duì)于特定產(chǎn)品的裝配序列求解比較有效, 缺點(diǎn)是適用面窄, 且領(lǐng)域知識(shí)的獲取較難。 （5) 基于矩陣運(yùn)算的方法 該方法以矩陣表示裝配體中有配合關(guān)系的零件之間的聯(lián)接關(guān)系, 矩陣中的每個(gè)元素代表零件的裝配關(guān)系。矩陣用線性代數(shù)中的有關(guān)運(yùn)算進(jìn)行變換規(guī)約, 簡(jiǎn)化了聯(lián)結(jié)關(guān)系矩陣對(duì)應(yīng)的裝配序列。 4.2.2 裝配序列的評(píng)價(jià)及優(yōu)化 即使產(chǎn)品的零件數(shù)目較少, 其裝配序列也具有多種組合的可能性。如何提出合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)所規(guī)劃的裝配序列進(jìn)行評(píng)價(jià)意義重大, 目前, 采用的裝配序列評(píng)價(jià)方法主要有定性和定量?jī)煞N。 定性準(zhǔn)則有裝配方向換向的頻繁、子裝配體的穩(wěn)定性和安全性等。定量因素有裝配時(shí)間、裝配成本等。定性準(zhǔn)則主要為裝配順序的選擇提供有益的參考, 但不便實(shí)際應(yīng)用。定量的評(píng)價(jià)因素考慮了裝配工藝的特性, 為完成裝配順序的自動(dòng)評(píng)價(jià)提供了量化的指標(biāo)。體現(xiàn)了裝配操作的方便程度。 4.2.3 裝配關(guān)系表達(dá)及應(yīng)用 零件的裝配關(guān)系一般可分為三種: 凹凸特征間的匹配關(guān)系; 特征為兩個(gè)對(duì)應(yīng)的裝配特征占有相同的體積; 同時(shí)具有相同的參考原點(diǎn); 平面特征間的貼合關(guān)系; 特征為兩個(gè)對(duì)應(yīng)的裝配特征不占有相同的體積, 但是互相接觸;平面特征間的對(duì)齊關(guān)系, 特征為兩個(gè)對(duì)應(yīng)的裝配特征不占有相同的體積, 但是相互對(duì)稱。裝配關(guān)系表達(dá)主要有以下幾種模型: （1) 關(guān)聯(lián)圖模型 采用關(guān)聯(lián)圖表達(dá)產(chǎn)品裝配關(guān)系的優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單, 缺點(diǎn)是零件之間的聯(lián)系并不對(duì)應(yīng)具體的裝配操作, 利用聯(lián)系圖模型難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝配序列規(guī)劃。 （2) 聯(lián)接矩陣法 裝配關(guān)系聯(lián)接矩陣是關(guān)聯(lián)圖模型的矩陣表示形式。用聯(lián)接矩陣表示裝配關(guān)系的優(yōu)點(diǎn)是根據(jù)聯(lián)接矩陣, 能判斷出裝配體中零件的聯(lián)接情況, 并可通過單位值最多的行或列對(duì)應(yīng)的零件, 識(shí)別出裝配體的基礎(chǔ)件。 (3) 產(chǎn)品等級(jí)裝配模型 產(chǎn)品總是由一個(gè)或多個(gè)功能部件和零件裝配而成,這些部件分別實(shí)現(xiàn)自己的功能, 又往往包含下一級(jí)子裝配體, 下一級(jí)子裝配體又包含更下一級(jí)子裝配體, 如此拆分, 直到最終不可拆分的零件。等級(jí)模型用子裝配體表達(dá)一組功能上或物理結(jié)構(gòu)上相關(guān)的零件集，其優(yōu)點(diǎn)是能表達(dá)產(chǎn)品中零部件間的層次關(guān)系[15]。 4.2.4 M200A氣瓶的裝配流程 通過比較和分析，以先從子部件裝配再到整體裝配，以從內(nèi)到外、從定位焊到圓周焊的原則，M200A氣瓶采用如下的裝配（焊接）流程： (1) 首先是進(jìn)行子部件的裝配：M200A氣瓶的子部件包括通氣閥和清洗閥，這兩個(gè)部件的結(jié)構(gòu)是一樣的，都是由通氣蓋、通氣管、螺帽、螺母和墊片組成的。通氣蓋和螺帽先裝配在一起，然后加入墊片，再壓入通氣管，最后由螺母旋到一個(gè)合適的位置壓緊、固定。通氣閥的裝配關(guān)系如圖18： 圖18 通氣閥工程圖 (2) 其次是子部件與子部件之間的焊接裝配：進(jìn)氣管和排氣管分別與瓶蓋焊接，注意裝配時(shí)彎管的角度；同時(shí)清洗閥伸入瓶蓋上Φ16孔內(nèi)與瓶蓋焊接；然后瓶?jī)?nèi)管插入入口管3mm后與排氣管進(jìn)行定位焊，注意使兩根管子在同一平面內(nèi)。 (3) 再次是進(jìn)行圓周焊：先是瓶蓋連同上面已經(jīng)焊接好的進(jìn)氣管、排氣管、通氣閥以及瓶?jī)?nèi)管與瓶身的焊接裝配，然后是瓶身與瓶底的焊接。 (4) 最后，依次在進(jìn)氣管和排氣管上焊接VCR接頭和通氣閥，注意焊接VCR接頭的時(shí)候要與瓶身正面成15°的角度。至此，M200A氣瓶已經(jīng)全部焊接裝配完畢。 M200A氣瓶的裝配關(guān)系見如下爆炸工程圖19： 圖19 M200A氣瓶裝配爆炸工程圖 結(jié)束語 本文以SolidWorks2008為工具，對(duì)M200A氣瓶進(jìn)行了深入細(xì)致的分析，深刻領(lǐng)會(huì)了它的結(jié)構(gòu)體系，設(shè)計(jì)方法，同時(shí)參考了國(guó)內(nèi)外氣瓶設(shè)計(jì)的先進(jìn)實(shí)例，查閱了一定數(shù)量的相關(guān)資料，總結(jié)出一般氣瓶的設(shè)計(jì)思路，本文的具體工作如下： (1) 對(duì)M200A現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)、原理進(jìn)行了詳細(xì)分析； (2) 設(shè)計(jì)了M200A氣瓶的整體結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用SolidWorks三維建模軟件建立了氣瓶的實(shí)體模型； (3) 細(xì)致研究了其各個(gè)部分的設(shè)計(jì)原理，并在借鑒前人理論分析成果的基礎(chǔ)上，總結(jié)自己的設(shè)計(jì)理念及設(shè)計(jì)思路，得出了氣瓶的設(shè)計(jì)流程。 由于作者的水平所限，很多地方考慮的還不是很全面。需要的改進(jìn)的地方還有很多： (1) 論文中的M200A氣瓶的設(shè)計(jì)方法僅適用于集成電路板中所用的小型氣瓶。氣瓶的種類很多，有些用于特殊常場(chǎng)合的氣瓶工作原理和工作方式與一般的氣瓶有很大差別，可能會(huì)不適合于本設(shè)計(jì)的思路。 (2) 氣瓶在實(shí)際的焊接裝配中要考慮很多問題，這個(gè)是理論設(shè)計(jì)考慮不到的，有些變量對(duì)結(jié)果影響很小，可以忽略不計(jì)，有些影響卻很大，這就造成了理論設(shè)計(jì)與實(shí)際生產(chǎn)的出入很大。另外這些誤差有的以現(xiàn)在的科技水平暫時(shí)還分析不出原因，這時(shí)往往用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的結(jié)果更加準(zhǔn)確，就拿經(jīng)驗(yàn)公式代替了理論公式。但是經(jīng)驗(yàn)公式往往有其局限性，不可能適合所有的情況，應(yīng)該具體問題具體分析對(duì)待。 通過總結(jié)，希望能為后續(xù)研究者提供一點(diǎn)思路，早日解決這些難題，給實(shí)際生產(chǎn)提供更有用的幫助。 致 謝 在本文完成之際，首先向我的指導(dǎo)老師黃新燕副教授和張樂瑩老師表示衷心的謝意。在我完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，導(dǎo)師對(duì)我進(jìn)行了全面的訓(xùn)練，并且一直給予贊揚(yáng)和肯定，使我深受鼓舞。導(dǎo)師淵博的知識(shí)、塌實(shí)的工作作風(fēng)、科學(xué)的工作方法、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和敏銳的洞察力，使我深受教育。這些會(huì)給我以后的學(xué)習(xí)生活產(chǎn)生很大的影響，受益終身。 感謝戶廷勇輔導(dǎo)員在畢業(yè)設(shè)計(jì)中對(duì)我的督促。 感謝李小忠老師在畢業(yè)設(shè)計(jì)中對(duì)我的特別指導(dǎo)。 感謝同組的石芳、許巧兵、馬磊等同學(xué)在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中給予的熱情幫助和支持。 感謝評(píng)審老師在百忙中審查我的論文，并對(duì)論文提出寶貴的指導(dǎo)和建議。祝你們工作順利，心想事成！ 最后，衷心感謝我的父母，為了支持我學(xué)業(yè)付出的勞苦艱辛。  參 考 文 獻(xiàn) [1] 張潔. 國(guó)內(nèi)復(fù)合材料氣瓶發(fā)展及氣瓶標(biāo)準(zhǔn)概況[J]. 纖維復(fù)合材料， 2007, (3): 38～42. 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