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1引言 M500A氣瓶的三維造型設計
1.1 三維設計的背景和意義
隨著計算機軟硬件技術的發(fā)展，微型計算機上的三維設計終于進入了設計領域。從前，設計師在設計對象時，總要把三維的設計對象轉化到用二維設計的語言在圖紙上表述；這種轉化過程的本身就難免會產生錯誤和歧義，而且設計師有相當一部分的精力用在這種轉換上，影響了設計質量和設計水平的完全發(fā)揮。如今，微型計算機三維設計突破了設計領域傳統(tǒng)的設計模式，讓設計師完全回歸到自然的、正常的從設計到表達的直接的設計思路中去[1]。這雖然看似一次簡單的設計方式的改革，但帶來的將會是重大的設計思想改變，必定帶來設計質量的提升。如果說十多年前的“甩圖板運動”只是計算機設計的引進階段的話，那么三維設計將是設計領域中一次革命的變革。正確地、清楚地認識三維設計系統(tǒng)及其相關的各方面知識，才能使我們更好地去引進三維設計系統(tǒng)，并且更快地掌握和運用它。
計算機輔助設計（CAD）技術和計算機輔助制造（CAM）技術在近幾年來發(fā)展迅速,在設計單位與制造企業(yè)的應用日趨廣泛。三維CAD/CAM 技術作為企業(yè)技術創(chuàng)新、市場開拓的重要技術手段正逐步成為企業(yè)科技進步的主流技術,同時，它也是全面提升企業(yè)產品設計與制造水平必須采用的核心技術。所以,企業(yè)對三維CAD/CAM 方面的人才需求更加迫切,需求量也不斷增加[2]。這對機械類專業(yè)學生的能力培養(yǎng)提出了新的要求。
目前市場上CAD /CAM 軟件比較豐富, 從AutoCAD 到Solidworks、Solidedge、UG、Pro/E，還有國產軟件CAXA 開目CAD 等。仔細分析這些軟件,各有優(yōu)缺點,但軟件本身的結構形式與功用基本大同小異。讓學生學習和掌握每一種軟件,顯然是不現(xiàn)實的。只有通過剖析CAD /CAM 軟件的共性,并在此基礎上了解軟件開發(fā)的基礎知識，才能真正掌握軟件本身的內涵,達到融會貫通的目的。
本科畢業(yè)設計是高等教育中培養(yǎng)應用型人才的十分重要的實踐性教學系統(tǒng)工程，是持續(xù)時間最長、接觸工程實際問題最多和最有利于培養(yǎng)和增強學生三維CAD/CA M 應用能力的關鍵性教學環(huán)節(jié)，是辦出應用型高等教育特色的突破口。在畢業(yè)設計環(huán)節(jié)中盡快引入新型課題、新技術和新方法以適應人才需求的發(fā)展趨勢是當務之急。所以將三維CAD/CAM 技術引入應用型本科機械類專業(yè)畢業(yè)設計，并由淺入深在課題的深度和廣度上不斷拓展勢在必行[3]。
1.2 國內外氣瓶的發(fā)展概況
在經濟高速發(fā)展的現(xiàn)代社會中，氣瓶制造業(yè)被認為屬于朝陽工業(yè)范疇[4]。建國五十多年來，我國氣瓶行業(yè)走過了從無到有，從小到大的道路。隨著國家經濟建設需求的增長，更主要是氣體工業(yè)的發(fā)展，帶動了氣瓶制造業(yè)的興起和發(fā)展。從1957年設計制造了第一批40升15Mpa級鋼質無縫氣瓶開始，到以后相應的鋁合金無縫氣瓶，液化石油氣鋼瓶,各種焊接氣瓶以及近幾年開發(fā)的高強鋼無縫氣鋼瓶，汽車用液化石油氣鋼瓶等等。中國是大量生產和使用氣瓶的國家，已經是國際上不容忽視的氣瓶大國。但是應該承認我國的氣瓶產品還存在著普通產品低檔化，高、精、尖、特產品制造能力存在著空白或尚屬起步階段。
正如其它行業(yè)，氣瓶行業(yè)具有著自身獨特的規(guī)律和周期。在國外氣瓶行業(yè)不斷的經歷著成長和發(fā)展。90年代的復合氣瓶市場，日本政府批準了復合氣瓶，從美國到日本及其它亞洲國家的出口量劇增。1991年商用碳纖維的價格驟跌，意味著以碳纖維為增強材料的商用復合氣瓶成本會降低。美國市場在70年代末，80年代初投入使用的第一批復合氣瓶開始陸續(xù)達到5O年使用壽命的極限，更新復合氣瓶的市場商機開始顯現(xiàn)出來。英國、德國和其它歐洲國家于1993年允許碳纖維復合氣瓶的銷售，到1996年出口到歐洲的碳纖維復合氣瓶數(shù)量急劇增。1996年年底，危品辦批準了碳纖維復合氣瓶在美國市場的銷售。1997年，碳纖維復合材料氣瓶進入美國市場，比玻纖維復合氣瓶減輕重量約40％[5]。這些變化極大的刺激著復合氣瓶的市場需求、產量和技術創(chuàng)新。
我國的復合材料氣瓶產業(yè)雖然才剛剛起步，但我國的纖維纏繞技術根基深厚，氣瓶制造只要堅持下去，必有成績和回報。而計算機三維設計的引入給設計領域的傳統(tǒng)方法帶來了一場變革，準確掌握和應用計算機輔助設計技術，對軟件行業(yè)及機械行業(yè)都有著重大對意義。
1.3 本課題的具體工作
本課題研究的是M500A鉬源氣瓶，由于鉬源是一種劇毒性的氣體，因此對它的各項要求非常嚴格。具體工作如下：
(1) 對氣瓶的結構、原理進行詳細分析選擇適用的材料；
(2) 設計氣瓶的整體結構，運用SolidWorks三維建模軟件繪制氣瓶的實體模型；
(3) 完成氣瓶各零件的三維造型、工程圖的生成以及最終的裝配；
(4) 根據(jù)需要生成爆炸圖并制定相應的工藝文件。
M500A氣瓶的總體設計
工業(yè)產品從設計到加工的過程中,單憑經驗和反復的采用實物試驗驗證的傳統(tǒng)制造方法,已經遠遠不能適應降低制造成本、減少設計和生產周期、快速適應市場變化和增強市場競爭力的需要了。隨著科學技術的發(fā)展,虛擬制造、虛擬實驗使得在實際的產品制造之前就能發(fā)現(xiàn)產品在使用和制造中可能存在的問題,提高了產品質量,降低了工業(yè)產品的設計與試制的成本[6]。
氣瓶是具有潛在危險性的特種容器[7]。瓶內充裝的氣體具有壓力、可燃性、氧化性、窒息性、毒性、腐蝕性、化學不穩(wěn)定性等特點, 使用環(huán)境的特殊性表現(xiàn)在沒有固定的使用地點, 沒有專責的操作人員, 使用環(huán)境經常變遷, 流動性大?？芍貜统溲b和搬運, 管理比較復雜。一旦發(fā)生爆炸或泄漏, 就可能引起建筑物和設備的破壞, 繼而引起原材料和產品的燒毀。不僅使生產活動中斷, 還會給該地區(qū)的居民帶來災難[8,9]。所以我們在設計氣瓶之前要詳細了解它潛在的危險，相對的做出合理的設計，只有這樣我們所設計出來的氣瓶才有真正的價值。
1.4 M500A氣瓶材料的選擇
本課題研究的是鉬源氣瓶，由于鉬源是一種劇毒性的氣體，所以對輸送、貯存這類氣體氣瓶的安裝、焊接、嚴密性、潔凈度、耐腐蝕都有嚴格的要求。所以根據(jù)鉬源的特性我們采用1Cr18Ni9Ti作為M500A氣瓶的制作材料，1Cr18Ni9Ti有較高的抗拉強度，較低的屈服點，極好的塑性和韌性，焊接性能和冷彎成型性能好，1Cr18Ni9Ti含有抗晶界腐蝕的鈦，可以通過熱處理提高它的抗晶界腐蝕能力[10]。所以很適合裝鉬源這種劇毒性的氣體。
1.5 M500A氣瓶的總體結構及其工作原理
本章通過對國內外現(xiàn)有氣瓶的設計加工方案、原理進行了詳細的分析比較，并且針對鉬源這種有劇毒性的氣體作出必要的研究。鉬作為一種金屬元素，通常用作合金及不銹鋼的添加劑，它可增強合金的強度、硬度、可焊性及韌性，還可增強其耐高溫強度及耐腐蝕性能。所以為了防止毒氣泄漏，維護廣大消費者的人身安全，我們對設計的氣瓶采取焊接的方案，對氣瓶的其它附件均符合國家氣瓶技術標準。
經過對國內外各式各樣氣瓶設計方案的考究，我設計的M500A氣瓶的參數(shù)總圖如下圖2.1。
如圖2.1所示，M500A氣瓶主要由瓶蓋、瓶底、瓶身、VCR接頭、清洗閥、進氣閥、出氣閥、進氣管、內管、排氣管等零件組成。
圖2.1 M500A氣瓶的參數(shù)總圖
工作原理如下：M500A氣瓶在工作之前先要打開清洗閥對瓶子的內部進行清洗，清洗后再烘干這樣是保證瓶內的干凈無雜質。因為M500A氣瓶是用來裝鉬源這種劇毒性的氣體，如果要保證鉬源的純度，在烘干氣瓶后還要進行抽真空以保證瓶內合理的氣體壓力。等一切準備就緒關閉清洗閥，通過有關的設備鉬源氣體就會從進氣閥通過VCR接口、進氣管、內管進入氣瓶內。相同的道理當使用鉬源氣體時，也會借助相應的設備使氣體被使用。從圖2.1可以看出來為了保證氣瓶的密封性我們有七處采取了焊接的方案是氣體不容易泄漏，這七處分別是：排氣閥、排氣管與VCR接口的連接口各有一處；進氣管、清洗閥、排氣管與瓶蓋的連接各一處；瓶蓋與瓶身的連接處；瓶身與瓶底的連接處都有焊接。
1.6 M500A氣瓶主要零件的設計要點
設計是一種尋找和確定最優(yōu)設計方案的技術。所謂“最優(yōu)設計”,指的是一種方案可以滿足所有的設計要求,而且所需的支出(如重量,面積,體積,應力,費用等) 最小。設計方案的任何方面都是可以優(yōu)化的,如尺寸、形狀、支撐位置、制造費用、自然頻率、材料特性等。M500A氣瓶一種比較精密的儀器，它的各個部件的選擇不是憑空想象的，每個部件的確定都有其一定的科學規(guī)律。本課題設計的氣瓶所裝的鉬源氣體主要運用于集成電路板，所以要求所設計的氣瓶以盡可能輕的重量，盡可能小的體積，儲存盡可能多的氣體。并且由于鉬源是有毒的，對氣瓶的密封性要求很高，在實際生產中，對氣瓶的焊縫質量、焊接接頭的力學性能等都提出了很高的要求。下面就詳細的介紹各個部件的結構特征。
1.6.1 瓶蓋的設計
M500A氣瓶瓶蓋設計的主要特征是瓶蓋上有三個孔，他們主要確定進氣管、清洗閥、排氣管的位置，因為這三個孔直接影響整個氣瓶應力的分布，重量的分布，也就是整個氣瓶裝配好以后的重心必須落在瓶身的中心線上，這樣才能使氣瓶站穩(wěn)。孔的大小也要跟其他零件相對應，否則就會給裝配帶來麻煩。
1.6.2 瓶身的設計
對于瓶身也沒什么特別的要求，它的厚度必須符合國家氣瓶委員會統(tǒng)一設定的國家標準，在一個就是瓶身兩個端口處的倒角要跟瓶蓋和瓶底相對應，這也是防止毒氣泄漏的關鍵，這樣以來也會給裝配帶來方便。
1.6.3 瓶底的設計
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。為了是能源充分利用，我將給瓶底的中心處設計一個凹槽，這樣就不會浪費了。
1.6.4 進氣管和排氣管的設計
傳統(tǒng)氣瓶的這兩根管都是直的，但是根據(jù)M500A氣瓶的尺寸，形狀來看，如果設計成直的會影響這個氣瓶的穩(wěn)定性，所以我將這兩根管設計成彎的以便這個瓶子左右相對稱。管口的大小應根瓶蓋其中兩個孔相匹配。其中這兩個管與瓶蓋配合的地方也要跟瓶蓋的厚度相匹配這樣使整個氣瓶看起來對稱。管的長度也要符合力學性能這也是跟氣瓶的穩(wěn)定性有關，排氣管的長度應當比進氣管長一些。
1.6.5 內管的設計
內管的長度是設計的關鍵，因為這個內管必須有一個折度以便內管的底部剛好在瓶底的凹槽中央，內管的管口大小要匹配進氣管管口的大小以方便裝配。
1.6.6 三個閥的設計
進氣閥、排氣閥、清洗閥這三個閥的結構原理都是一樣的，只不過清洗閥稍微比其他兩個閥大一些。清洗閥是M500A氣瓶中的關鍵部件，它既用于清洗，還可以檢測所剩氣體的多少。所以在設計清洗閥的時候應該充分考慮其光潔度、耐腐蝕性等綜合要求，以及為實現(xiàn)這些要求而采用的熱處理方式，同時考慮制造工藝問題加以選用，力求經濟合理。
1.6.7 VCR接口的設計
氣瓶接口處采用VCR接頭，由于是球面接觸，即使管線受到外力扭轉或彎曲后，也不至于使接口處松動，從重量觀點看，球形氣瓶受力形式最好，與其它形狀相比結構重量最輕且因結合面為球面連接而十分嚴密。較好的保證氣瓶的密封性。
2 500A氣瓶的三維造型
氣瓶是一種儲存各種氣體能源的容器，其中含有典型的機械零部件，如清洗閥、進氣閥、排氣閥、VCR接頭等。本文以M500A氣瓶為例，對其瓶身、瓶蓋、清洗閥、進出氣管、VCR接頭等為主要對象說明其應用SolidWorks進行三維造型的要點。在造型中需要注意以下問題：
(1)新建零件時，最好給零件適當命名，不要采用系統(tǒng)默認的名稱，以便查詢檢索；
(2)在采用SolidWorks進行三維設計時，應適時進行保存，以避免前面的工作前功盡棄。例如在繪制較為復雜的零件并進行了復雜的操作之后，因為某種原因須立即停止工作而忘記保存文件退出系統(tǒng)、或因突然停電，造成從頭開始工作；
(3)SolidWorks提供了強大的圓角建模功能，圓角特征在零件設計中起著重要作用。大多數(shù)情況下， 如果能在零件特征上加入圓角，則有助于造型上的變化，或是產生平滑的效果。在繪圖過程中，一定注意特征間的父子關系。因此，圓角的建立最好是在實體繪制的末期。盡量不要以圓角的邊作為參考邊，以免產生父子關系不利于往后的設計[11]。
2.1 SolidWorks軟件介紹
SolidWorks是一套基于Windows的CAD /CAE /CAM /PDM桌面集成系統(tǒng),是美國Solid Works公司在總結和繼承了大型機械CAD 軟件的基礎上,在Windows環(huán)境下實現(xiàn)的第一個機械三維CAD軟件[12]。它全面采用非全約束的特征建模技術,其設計過程全相關性,可以在設計過程的任何階段修改設計。該軟件具有產品配置功能,可以為用戶設計不同構性的產品。它集成了設計、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果成為產品模型的屬性,它將2D造型繪圖與3D造型技術融為一體,能自動生成零件尺寸、材料明細表(BOM) 、具有指引線的零部件編號等技術資料,從而簡化了工程圖樣的生成過程。同時有中英文兩種界面可以選擇,其先進的特征樹結構使操作更加簡便和直觀,具有交好的開發(fā)性接口和功能擴充性。能輕松實現(xiàn)各種CAD軟件之間的數(shù)據(jù)轉換傳送[13]。
SolidWorks軟件在計算機上從2D到3D的轉換功能揭示了由二維圖形生成三維模型以及三維模型生成二維圖形的形成過程, 完全同機械制圖與畫圖的思維過程一致,可使抽象的問題具體化,增加感性認識,促進所學知識的理解和掌握, 達到機械制圖綜合實踐的目的,而且方便快捷、形象直觀、易學易用[14]。讓學生了解三維計算機輔助設計軟件, 密切聯(lián)系工程實踐, 將三維建模與二維工程圖樣及設計加工過程緊密結合到一起, 增強學生使用計算機輔助設計的能力, 為學生今后的工作發(fā)展奠定堅實的基礎。
SolidWorks軟件的主要特點[15，16]:
(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, 像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)境下的布局草圖進行關聯(lián)設計。
(2) SolidWorks提供了一個動畫功能, 可以生成實體的裝配過程、爆炸過程、運動過程的動畫文件, 同時也生成各個過程的組合動畫文件。
(3) SolidWorks友好的界面。圖形菜單設計簡單明快、形象化, 一看即知。系統(tǒng)的所有參數(shù)設置全部集中在一個選項中, 容易查找和設置。實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單且容易理解。對實體的放大, 縮小和旋轉等操作可以在任何命令過程中使用, 實體的選取非常容易和方便。
(4) SolidWorks建模迅速, 操作靈活, 是一種尺寸驅動且基于特征的三維設計軟件, 具有構造歷史以供事后修改, 更加適合學生在機械制圖綜合實踐中使用。
2.2 瓶蓋的三維造型
SolidWorks是一款功能強大的計算機輔助繪圖和設計軟件系統(tǒng)，可以以拉伸、旋轉、掃描、放樣等特征形式形成實體[17]。整個氣瓶的建模其實都很簡單沒有過多復雜的構造。瓶蓋的建模很簡單無非就是繪制截面圖、拉伸、倒角。設計過程如下：
(1) 在SolidWorks軟件中點擊“草圖繪制”繪制瓶蓋的截面圖，再輸入相應的尺寸數(shù)值如圖3.1所示。
圖3.1 瓶蓋截面圖
(2) 拉伸凸臺以形成瓶蓋的實體模型，輸入拉伸尺寸如圖3.2所示
圖3.2 拉伸
(3) 拉伸后以上端面為基準繪制草圖，方法跟(1)一樣，然后在拉伸這的拉伸的方向應該向里拉伸，輸入拉伸深度并且要點擊去除材料，然后在凹槽處倒角輸入相應的數(shù)值，具體圖形如3.3所示
圖3.3 倒角
(4) 確定三個孔的位置，繪制草圖輸入尺寸，然后還是拉伸，這次拉伸要通孔去除材料，最后生成瓶蓋的三維造型，如圖3.4所示。
3.4瓶蓋
2.3 瓶身的三維造型
瓶蓋的造型通過SolidWorks軟件設計出來了，給我們接下來其它零件的建模打下了基礎，相對瓶蓋的造型瓶身更加簡單。首先繪制草圖拉伸形成實體，再以實體的一個端面為基準確定瓶身的厚度繪制草圖，然后拉伸去除材料，最后為了方便裝配給瓶身上下端面倒角，倒角的尺寸應該與瓶蓋的一樣。生成的瓶身三維造型如圖3.5。
圖3.5 瓶身
2.4 瓶底的三維造型
瓶底的三維造型跟瓶蓋的如出一轍，它們的不同點是在瓶蓋的基礎上去除三個通孔，在確定瓶底的厚度后再在瓶底開個小槽，這個前面已經講過是為了充分利用能源這個小槽的繪制如下。
(1) 瓶底的基本形狀繪制以后，以瓶底的內底部為基準面繪制草圖，如圖3.6。
圖3.6 繪制槽
(2) 槽的半邊草圖繪制完成后點擊切除旋轉，預覽如圖3.7所示。
圖3.7 切除旋轉
(3) 凹槽的深度不能太深，否則時間長了就會漏底，最后生成的瓶底造型如圖3.8所示。
圖3.8 瓶底
2.5 內管的三維造型
繪制內管比以上幾種要復雜一點，因為內管的設計中間有個折度，要進行建立基面、掃描、切除拉伸等過程。具體過程如下。
(1) 首先建立一個基面，繪制內管的截面圖如圖3.9所示。
圖3.9 內管截面圖
(2) 接下來就要掃描內管的整體，但是在掃描之前還要繪制內管的管頭然后再掃描。如圖3.10所示。
圖3.10 掃描
(3) 以建的基準面為基準繪制草圖4然后拉伸生成內管頭如圖3.11所示。
圖3.11 拉伸管頭
(4) 繪制管底跟管頭一樣，這里就不啰嗦了接著進行切除掃描，如圖3.12，最終生成內管的造型圖3.13。
圖3.12 切除掃描
圖3.13 內管
2.6 進氣管、排氣管的三維造型
進氣管和排氣管的繪制完全相同，這里就以進氣管為例來說明它們的造型，具體操作如下。
(1) 建立基準面，繪制進氣管的截面，如圖3.14所示。
圖3.14 進氣管截面圖
(2) 掃描截面如圖3.15所示。
圖3.15 掃描
(3) 繪制草圖3，然后切除掃描如圖3.16。
圖3.16 切除掃描
(4) 最后生成的進氣管造型如圖3.17所示。
圖3.17 進氣管
排氣管的三維造型圖跟進氣管相同，它們的不同之處在于是整個氣瓶的穩(wěn)定性達到標準排氣管的上端長度比進氣管的稍長一些，所以排氣管的造型圖如3.18所示。
圖3.18 排氣管
2.7 VCR接頭的三維造型
VCR接頭是氣瓶整個密封性能的保證，所以它的設計非常重要。從M500A參數(shù)總圖上可以看出這個接頭很復雜，但是如果用SolidWorks軟件來設計繪制也無非是草繪、拉伸、鏡像重復著運用。具體繪制如下。
(1) 繪制草圖拉伸如圖3.19所示。
圖3.19 草圖拉伸
(2) 以剛才生成的圓柱的中心為基準建立一個基準面，然后給圓柱倒角，在繪制草圖9如圖3.20所示。
圖3.20 倒角繪制草圖9
(3) 拉伸草圖9去除材料，然后陣列如圖3.21所示.
圖3.21 陣列
(4) 中間幾部分都是拉伸模型如圖3.22所示。
圖3.22 拉伸
(5) 建立基準面2，繪制六棱柱如圖3.23所示。
圖3.23 六棱柱
(6) 接著重復草圖拉伸倒角，繪制四方塊如圖3.24。
圖3.24 四方柱
(7) 在繪制的四方柱側面繪制空心的柱體如圖3.25所示。
圖3.25 空心柱體
(8)鏡像柱體如圖3.26所示。
圖3.26 鏡像
(9) 在VCR接頭處通孔如圖3.27所示。
圖3.27 通孔
(10) 在VCR接頭處還有幾處標有字母的注釋，這個也是用草繪拉伸來完成的如圖3.28所示。
圖3.28 注釋
(11) 還有幾處注釋跟上面一樣，這里就不啰嗦了，最后生成的VCR接頭的三維造型如圖3.29所示。
圖3.29 VCR接頭
2.8 清洗閥的三維造型
清洗閥是M500A氣瓶中的關鍵部件，它既用于清洗，還可以檢測所剩氣體的多少。它的三維造型不是直接畫出來的，它是由兩個帽、螺母、墊片、直管五個部分組成的。這幾個零件的構造都很簡單就不一一介紹了。其模型如圖3.30所示。
圖3.30 帽、螺母、墊片
M500A氣瓶的裝配和工藝分析
2.9 虛擬裝配
虛擬裝配就是利用計算機工具，在不生產加工產品的實際零部件的情況下，通過三維造型與可視化表達等技術，幫助設計者進行裝配仿真與裝配關系的工程決策。對處于設計階段的工業(yè)產品，在計算機上仿真產品的實際裝配關系與過程，可實現(xiàn)觀察產品可裝配性與裝配合理性等方面的目的，以便及時地發(fā)現(xiàn)問題、改進產品設計中的缺陷[18]。
2.10 裝配方法
2.10.1 裝配技巧
裝配是將各種零件模型插入到裝配體文件中，利用零件的相應結構來限制各個零件的相對位置，使其構成機構的某部分，或者是一個完整的機構或機器。SolidWorks允許用戶在裝配體文件中插入數(shù)目眾多的零件進行組裝配合。
內部零件、子裝配體的布置在總體設計的大型組件裝配中占據(jù)特別重要的位置，內部零件和子組件的裝配是內部結構設計的重要方面。這里僅針對在實際裝配過程中經常遇到的問題，提供幾點在裝配約束選用方面的技巧[19，20]。
(1)“坐標系”約束的應用
使用“坐標系”約束，通過將零件的坐標系與裝配體的坐標系對齊(既可以使用裝配體坐標系又可以使用零件坐標系)，也就是通過對齊所選坐標系的相應軸線來裝配零件。
(2)“固定”約束的應用
用“固定”約束固定零件的當前位置，使零件被移動或裝配，實現(xiàn)完全約束，該約束類型在方案設計中應用最多。
(3)“自由放置”操作
在總體設計過程中，零件布置有時難以一步到位，零件的位置需要多次變換調整才能最終確定出最佳方案。在裝配操作環(huán)境中調整約束關系時，一些零件往往處于隱藏狀態(tài)，總體布置不直觀。“自由放置”操作的功能特點解決了這些問題。
2.10.2 裝配順序
在SolidWorks裝配體中，裝配方法有自上而下設計和自下而上設計兩種，也可以將兩種方法結合起來使用。無論采用哪種方法，其目標都是配合這些零部件，以便生成裝配體或子裝配體。
在自下而上的設計中，首先生成零件并將其插入裝配體，然后根據(jù)設計要求配合零件，當使用先前已經生成的現(xiàn)成零件時，自下而上設計是首選的設計方法。它的優(yōu)點是，由于零部件均為獨立設計，它與自上而下設計法相比，相互關系及重建行為更為簡單。使用自下而上設計法時，可以專注于單個零件的設計。當不需要建立控制零件大小和尺寸的參考關系時，此方法比較合適。
自上而下設計是從裝配體開始設計工作，這是兩種設計方法的不同之處，該方法可以使用一個零件的幾何體來幫助定義其他零件，或生成直至組裝零件后才添加的加工特征。也可以將布局草圖作為設計的開端，定義固定零件的位置和基準面等，然后參考這些定義來設計零件[20]。
2.10.3 裝配過程
M500A氣瓶主要由瓶蓋、瓶底、瓶身、VCR接頭、清洗閥、進氣閥、出氣閥、進氣管、內管、排氣管等零件組成。根據(jù)氣瓶的工藝分析裝配過程如下：
(1) 選擇菜單欄中的“文件” “新建”命令，在出現(xiàn)的“新建SolidWorks文件”對話框中，單擊裝配體圖標，單擊“確定”按鈕后進入裝配體制作界面。單擊“裝配體”工具欄中的插入零部件按鈕，導入瓶蓋作為裝配體中的固定件，如圖4.1所示。
圖4.1 裝配圖1
(2) 在“插入零部件”PropertyManager中單擊“瀏覽”按鈕，導入進氣管、清洗閥、出氣管、內管等零部件，如圖4.2所示。
圖4.2 裝配圖2
(3) 導入瓶身、瓶底如圖4.3所示。
圖4.3 裝配圖3
(4) 導入VCR接頭、進氣閥、出氣閥、進氣管、排氣管等零件，最后完成M500A氣瓶的總裝配圖如圖4.4所示。
圖4.4 裝配圖4
2.10.4 干涉檢查
裝配完成后，應該進行零部件之間的干涉檢查，以檢查裝配有無干涉及干涉的位置[21，22]。步驟如下：
(1) 單擊裝配體工具欄上的“干涉檢查”或“工具→干涉檢查”。
(2) 選擇要進行干涉檢查的零部件。
(3) 單擊“計算”，在結果中即會顯示出干涉的位置以及大小。
(4) 如果有干涉的存在，使用移動零部件中的碰撞檢查即可對干涉的位置進行調整，選擇“編輯零件”命令，對此零件中產生干涉的部分進行合理的修改后，選擇“編輯裝配體”，再重復(1)～(4)步驟，直到干涉檢查中的結果中顯示無干涉即可。
2.11 裝配體爆炸視圖
出于制造的目的，經常需要分離裝配體中的零部件以形象地分析它們之間的相互關系。裝配體的爆炸視圖可以分離其中的零部件以便查看整個裝配體。裝配體爆炸后，不能給裝配體添加配合，一個爆炸視圖包括一個或多個爆炸步驟，每一個爆炸視圖都保存在所生成的裝配體配置中，每一個配置都可以有一個爆炸視圖。
單擊“裝配體”工具欄上的“爆炸視圖”按鈕，或選擇菜單欄中的“插入” “爆炸視圖”命令，會出現(xiàn)“爆炸”PropertyManager。
M500A氣瓶的爆炸視圖如圖4.5所示。
圖4.5 氣瓶的爆炸視圖
清洗閥的爆炸視圖如圖4.6所示。
圖4.6 清洗閥爆炸視圖
2.12 M500A氣瓶的工程圖
在工程中，三維零件圖和裝配圖并不是用來指導生產的主要技術文件，而所使用的圖樣是一組具有規(guī)定表達方式的二維多面正投影圖，然后標注尺寸和表面粗糙度符號及公差配合，這種圖樣在機械制造中稱為工作圖，也就是SolidWorks中的工程圖。
SolidWorks最優(yōu)越的功能是由三維的零件圖和裝配體圖建立二維的工程圖。工程圖包含一個或多個由零件或裝配體生成的視圖。在生成工程圖之前，必須先保存與它有關的零件或裝配體。用戶可以從零件或裝配體文件內生成工程圖。
M500A氣瓶的工程圖如圖4.7所示。
圖4.7 M500A氣瓶的工程圖
2.13 焊接工藝
M500A氣瓶是某型號產品的重要氣源焊接組件,其中有七處要采用焊接工藝。為了減輕重量, 增加有效載荷, 要求氣瓶以盡可能輕的重量, 盡可能小的體積, 儲存盡可能多的氣體。因此M500A氣瓶在工作時將時刻處于高壓或超高壓的狀態(tài)中, 這就對氣瓶的焊縫質量、焊接接頭的力學性能、氣瓶在焊后的尺寸精度和材料的性能等都提出了很高的要求[23]。
所謂焊接結構裝配焊接工藝(以下簡稱裝焊工藝) ,就是一個焊接結構的實際生產過程,主要是指組成結構件的零部件裝配焊接的先后次序及相應的裝配焊接內容,即具體的加工工藝路線。而焊接結構裝焊工藝的設計,就是通過對焊接結構的結構和功能的分析,對其整體裝焊工藝進行規(guī)劃,從而保證整體裝焊工藝的完整性和有效性的過程。
M500A氣瓶的焊縫基本都是環(huán)焊縫，它屬于超高壓容器, 焊縫按行業(yè)標準I級檢驗, 100%的進行X- 光探傷, 焊接接頭的強度要求大于基體強度的85%, 焊縫兩側的錯位量要求不大于0.2mm, 瓶身直線度不大于0.3mm, 焊縫外部余高不超過0.5mm。具體操作如下：
(1)焊接時所采取的工藝流程如下:
各零件加工→打磨清洗→裝配→定位焊→檢驗→圓周焊→檢漏。
(2)為了避免焊縫熱影響區(qū)的軟化, 焊接時采用了脈沖鎢極氬弧焊。該方法電弧能量集中, 線能量輸入小, 焊接變形小, 熱影響區(qū)和軟化區(qū)相對狹窄焊接接頭的強度一般不會受到太大的影響。所用設備為國外進口的某型號圓周氬弧焊機, 焊絲為時效不銹鋼同質焊絲[24]。
結束語
計算機輔助設計與制造技術是在科學技術與生產力迅速發(fā)展，同時為適應市場的競爭需要，對傳統(tǒng)技術與方法進行根本性變革的背景下產生和發(fā)展的，其研究與應用越來越受到重視。
本文以SolidWorks2008為工具，對M500A氣瓶進行了深入細致的分析，深刻領會了它的結構體系，設計方法，同時參考了國內外氣瓶設計的先進實例，查閱了一定數(shù)量的相關資料，總結出一般氣瓶的設計思路。
本文的具體工作如下：
(1) 對M500A氣瓶現(xiàn)有的結構、原理進行了詳細分析選擇適用的材料；
(2) 設計M500A氣瓶的整體結構，詳細分析氣瓶各個部件設計的主要特征，并且跟國內外氣瓶設計的先進實例進行對比設計出M500A氣瓶的參數(shù)總圖；
(3) 細致研究了其各個部分的設計原理，運用SolidWorks三維建模軟件繪制M500A氣瓶各個部件的三維造型；
(4) 運用SolidWorks軟件完成氣瓶的裝配圖并進行焊接分析，干涉檢查生成M500A氣瓶的爆炸視圖；
(5) 完成氣瓶的工程圖。
基于SolidWorks軟件的M500A氣瓶三維模型設計，可使工程技術人員更加直觀地對產品進行評估，縮短了設計周期，節(jié)約了設計資金，提高了設計效率。以SolidWorks軟件為主，并結合它的各種插件對M500A氣瓶的設計方案，同樣適用于其他的工業(yè)設備設計，具有工程實用價值。
致 謝
在這次課題研究過程中，我得到了許多人的幫助，他們的熱心，激情，耐心讓我感動不已，我從他們身上學到了許多高貴的品質。
首先我要感謝我的指導老師黃新燕老師，在與我們的閑聊中就可以發(fā)現(xiàn)黃老師為人隨和熱情，治學嚴謹細心，平易近人。我們這個小組的同學都喜歡跟她聊天，因為跟她聊天就像是跟知心朋友一般。在做畢業(yè)設計中，有一段時間，我的思路很混亂，找不到切入點，不知道該怎么繼續(xù)下去了。正當我心灰意冷的時候，黃老師鼓勵了我，并耐心的給我分析課題，講解研究方法，做出專業(yè)性的指導。終于幫助我順利的完成了畢業(yè)設計。黃老師的兢兢業(yè)業(yè)的工作態(tài)度，一絲不茍的治學精神，溫文爾雅的教育方法給我留下了難以磨滅的印象，也使我受益匪淺。
其次我要感謝張樂瑩和李小忠老師。張老師在我前期的工作中給予我很多指導，幫助我開拓研究思路，精心點撥、熱忱鼓勵。李老師在畢業(yè)設計中期，他憑借深厚的專業(yè)技術知識和高深的計算機軟件應用水平，幫助我解決了不少難題。因為在這次畢業(yè)設計中學習應用SolidWorks軟件就是我們學習的一個任務。每次我有疑問找他幫忙，他都是有求必應。并且總是很細心的給我講解，直到我明白了為止。我使用的SolidWorks軟件就是李老師一點一滴教會我的。使我從一個SolidWorks軟件菜鳥迅速成長為一個SolidWorks軟件高手。這里我也要對他表示深深的感謝。
然后我要感謝跟我一起做畢業(yè)設計的許巧兵、任蕾蕾、石芳同學他們在本次設計中課題和我相似，我們一起勤奮工作，克服了許多困難來完成此次畢業(yè)設計。
最后感謝評審老師能夠在百忙中審查我們的論文，對我們論文提出指導建議。祝你們工作順利，心想事成！
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