一、項(xiàng)目背景

　　國(guó)內(nèi)某大型鋼鐵集團(tuán)公司新建一條熱連軋生產(chǎn)線，項(xiàng)目總投資80億元，設(shè)計(jì)年產(chǎn)200萬(wàn)t熱軋鋼卷，計(jì)劃2009年4月進(jìn)行熱負(fù)荷試軋，同年8月正式投產(chǎn)。其中，上海重型機(jī)器廠有限公司負(fù)責(zé)全線機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造，該廠擁有本條生產(chǎn)線工藝技術(shù)的完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，全線采用自動(dòng)化控制和計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控，具有結(jié)構(gòu)緊湊、軋制過(guò)程連續(xù)和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

　　二、設(shè)計(jì)流程

　　設(shè)計(jì)流程如圖1所示。首先建立本條生產(chǎn)線的三維模型，繼而進(jìn)行一些設(shè)計(jì)檢查，其中包括干涉檢查和爆炸動(dòng)畫(huà)制作等。隨后使用COSMOSWorks對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行有限元分析，并針對(duì)結(jié)構(gòu)缺陷處進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，然后將三維模型轉(zhuǎn)化二維工程圖。為了更好地展示產(chǎn)品，又使用了一款與SolidWorks兼容、基于真實(shí)物理環(huán)境的渲染軟件MaxWell，對(duì)生產(chǎn)線的典型設(shè)備進(jìn)行渲染，使用COSMOSMotion對(duì)本生產(chǎn)線的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，并開(kāi)發(fā)出一套可重組模塊化軋機(jī)CAD系統(tǒng)。

　　三、三維模型規(guī)劃及實(shí)施

　　1.設(shè)計(jì)思想

　　本文采用“自下而上”結(jié)合“自頂向下”的設(shè)計(jì)思想對(duì)本條生產(chǎn)線進(jìn)行建模和裝配。由于本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，零部件數(shù)量多，難度大，而且是實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目，因此我們?cè)谡_建

　　立零部件的基礎(chǔ)上，更多地考慮了產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)。考慮零件在實(shí)際裝配體中的位置，建立零部件的設(shè)計(jì)意圖，正確使用幾何關(guān)系、方程式和尺寸等合理地規(guī)劃模型，以最簡(jiǎn)單的建

　　模方式和最少的特征建立模型。為了方便轉(zhuǎn)化工程圖，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，嚴(yán)格遵循機(jī)械制圖的一些規(guī)定，合理地規(guī)范標(biāo)注草圖尺寸。

　　2.模型展示

　　從圖2中可以看出，本生產(chǎn)線(如圖3)分為粗軋區(qū)裝配(如圖4)和精軋區(qū)裝配(如圖5)。其中，粗軋區(qū)裝配又由E立輥軋機(jī)、R粗軋機(jī)以及機(jī)前/后輥道組成。精軋區(qū)裝配由飛剪機(jī)、除鱗機(jī)、精軋機(jī)組以及輸出輥道組成。

　　四、設(shè)計(jì)分析及校驗(yàn)

　　為保證設(shè)計(jì)的正確性，運(yùn)用SolidWorks各種不同的裝配關(guān)系把各個(gè)機(jī)械零件裝配起來(lái)后，對(duì)零件的裝配體進(jìn)行靜態(tài)干涉的檢查，可以方便快捷地發(fā)現(xiàn)干涉問(wèn)題。修改零件時(shí)，可以點(diǎn)擊資源查找器中相對(duì)應(yīng)的命令來(lái)完成;也可以在裝配環(huán)境中進(jìn)行零件的修改，即點(diǎn)擊要修改的零件，進(jìn)入零件環(huán)境來(lái)完成修改。后者也顯得很方便。

　　1.干涉檢查

　　對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的裝配體，利用二維平面圖來(lái)檢查零部件的干涉情況是件很困難的事。使用SolidWorks的干涉檢查功能就能很方便地發(fā)現(xiàn)干涉問(wèn)題并進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷摹D6為精軋機(jī)干涉檢查結(jié)果。

　　2.爆炸動(dòng)畫(huà)

　　基于指導(dǎo)裝配的目的，需要分離裝配體中的零部件，以形象地展示它們之間的相互裝配關(guān)系。裝配體的爆炸視圖可分離其中的零部件以便查看這個(gè)裝配體內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及裝配過(guò)程。

　　爆炸動(dòng)畫(huà)的反過(guò)程為裝配動(dòng)畫(huà)，通過(guò)建立爆炸視圖，運(yùn)用與SolidWorks無(wú)縫連接的Animator模擬本條生產(chǎn)線的總裝配和各設(shè)備的獨(dú)立裝配。

　　五、有限元分析

　　COSMOSWorks是一款與SolidWorks完全集成的設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)。COSMOSWorks提供了對(duì)模型進(jìn)行應(yīng)力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優(yōu)化分析等一整套分析解決方案。本

　　文使用COSMOSWorks對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行了有限元強(qiáng)度分析，對(duì)缺陷處進(jìn)行改進(jìn)，直到滿足設(shè)計(jì)要求。

　　1.分析流程

　　COSMOSWorks分析流程如圖7所示。首先建立模型并定義材料性能，劃分網(wǎng)格，然后定義空間幾何約束、施加力、壓強(qiáng)等載荷就可以進(jìn)行分析。輸出分析結(jié)果后，對(duì)缺陷處進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化后重新進(jìn)行分析，直到符合要求。

　　2.實(shí)例分析

　　本文以E立輥軋機(jī)牌坊為例，講解使用COSMOSWorks分析的過(guò)程。

　　(1)定義材質(zhì)

　　該零件的材料性能分別為抗拉強(qiáng)度500MPa，屈服強(qiáng)度270MPa，泊松比0.28，彈性模量196GPa，密度7.8x104kg/m3 。在COSMOSWorks中選中材質(zhì)自定義選項(xiàng)，并輸入相關(guān)的參數(shù)。

　　(2)劃分網(wǎng)格

　　有限元素分析(FEA)提供了一種可靠的數(shù)字方法來(lái)分析工程設(shè)計(jì)。該方法從生成幾何模型開(kāi)始，然后將模型化分為若干簡(jiǎn)單的方塊形狀(單元)，這些單元連接點(diǎn)稱為共同點(diǎn)(節(jié))。有限元分析程序?qū)⒛Ｐ鸵暈橛上嗷ミB接的離散單元組成的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)格化是分析過(guò)程中一個(gè)至關(guān)重要的步驟，E立輥軋機(jī)牌坊實(shí)體網(wǎng)格劃分如圖8所示。

　　(3)定義約束和施加載荷

　　載荷和約束在定義模型的服務(wù)環(huán)境時(shí)是不可或缺的。分析結(jié)果直接取決于指定的載荷和添加的約束。載荷和約束作為特征被應(yīng)用到幾何實(shí)體中，它們與幾何體完全關(guān)聯(lián)，并可自動(dòng)調(diào)整以適應(yīng)幾何體的變化。每個(gè)約束和載荷條件由COSMOS AnalysisManager樹(shù)中的一個(gè)圖標(biāo)表示。COSMOSWorks提供了與上下文相關(guān)選項(xiàng)來(lái)定義約束。

　　由于E立輥軋機(jī)牌坊底部裝在底座上，我們對(duì)牌坊底部的下表面施加固定的約束，即將其所有平移自由度DOF設(shè)定為零;牌坊在鋼板軋制過(guò)程中受到3,000KN的軋制力，并通過(guò)側(cè)壓螺母?jìng)鬟f到牌坊側(cè)壓螺母孔上，我們分別在上、下側(cè)壓螺母孔表面施加1,500KN的載荷力，如圖9所示。

　　(4)靜態(tài)應(yīng)力分析

　　設(shè)置好以上參數(shù)后，就可以進(jìn)行設(shè)計(jì)分析了，繼而輸出分析結(jié)果，圖10a、b和c分別為應(yīng)力分布圖、位移分布圖和安全系數(shù)分布圖。分析結(jié)果為，應(yīng)力最大值53.16MPa，最小值17.78MPa;位移最大值0.69mm，最小值0;安全系數(shù)最大值100，最小值8.43。從分析結(jié)果中，我們可以得出合格的結(jié)論。另外，還可以通過(guò)生成可立即發(fā)布到Internet的報(bào)告，將算例快速、系統(tǒng)地制作成文件。報(bào)告組織為說(shuō)明算例的所有方面。報(bào)告中可以自動(dòng)包括在COSMOS AnalysisManager樹(shù)中生成圖解，也可以在報(bào)告中插入圖像、動(dòng)畫(huà)(AVI視頻)和VRML文件，自動(dòng)生成易于打印的報(bào)告。

　　六、工程圖生成

　　三維設(shè)計(jì)結(jié)束后，將3D實(shí)體零件和裝配體創(chuàng)建成2D工程圖，用于加工制造。零件、裝配體和工程圖是互相鏈接的文件;對(duì)零件或裝配體所作的任何更改都會(huì)導(dǎo)致工程圖的相應(yīng)變更。圖11為本生產(chǎn)線中某一零件工程圖。

　　七、高級(jí)渲染

　　為了高效地展示設(shè)計(jì)思想，減少樣機(jī)和攝影成本，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，快速地將產(chǎn)品投放入市場(chǎng)，渲染技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。它作為表現(xiàn)產(chǎn)品的一種高效手段，近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)硬

　　件和圖形學(xué)的發(fā)展，在業(yè)內(nèi)得到了日趨廣泛的應(yīng)用。在上述使用SolidWorks完成三維造型的基礎(chǔ)上，我們采用渲染，制作出具有真實(shí)質(zhì)感和良好視覺(jué)效果的圖片，高效展示我們的產(chǎn)品和設(shè)計(jì)思想。它是一款基于真實(shí)光線追蹤技術(shù)的渲染引擎，采用光線追蹤算法，完全重現(xiàn)光線的行為，以此產(chǎn)生專業(yè)照片級(jí)的效果圖。

　　在SolidWorks界面下，我們可以直接使用對(duì)應(yīng)插件渲染模型和場(chǎng)景，其主要功能及操作如下。

　　1)打開(kāi)模型，使用Solidworks攝像機(jī)調(diào)整觀察角度，并創(chuàng)建場(chǎng)景;

　　2)在Solidworks中對(duì)各零部件直接應(yīng)用相對(duì)應(yīng)的Maxwell系統(tǒng)材質(zhì);

　　3)設(shè)置照明光源和相關(guān)渲染參數(shù)，并進(jìn)行渲染;

　　4)渲染完成后使用燈光模擬系統(tǒng)調(diào)節(jié)場(chǎng)景照明。

　　由于本生產(chǎn)線零件數(shù)目多，外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，我們采用了分布式渲染(把單幀圖像的渲染分布到多臺(tái)計(jì)算機(jī)上渲染的一種網(wǎng)絡(luò)渲染技術(shù))以保證渲染的順利完成，并提高了渲染質(zhì)量，得到部分渲染效果圖如圖12所示。

　　八、動(dòng)畫(huà)仿真

　　COSMOSMotion是一款與SolidWorks無(wú)縫集成的全功能運(yùn)動(dòng)仿真軟件。COSMOSMotion可用于建立運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)模型，進(jìn)行機(jī)構(gòu)的干涉檢查，跟蹤零件的運(yùn)動(dòng)軌跡，分析機(jī)構(gòu)中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等，并用動(dòng)畫(huà)、圖形和表格等多種形式輸出結(jié)果，其分析結(jié)果可指導(dǎo)修改零件的結(jié)構(gòu)或者調(diào)整零件的材料。

　　設(shè)計(jì)的更改可以反映到裝配模型中，再重新進(jìn)行分析，一旦確定優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)更改就可以直接反映到裝配模型中。

　　軋鋼過(guò)程具有驅(qū)動(dòng)多、動(dòng)作復(fù)雜和控制難度大等特點(diǎn)。我們利用COSMOSMotion實(shí)現(xiàn)了軋鋼過(guò)程的全程模擬，即毛坯板從鑄造爐出來(lái)經(jīng)過(guò)本生產(chǎn)線的寬度控制、粗軋厚度軋制、

　　切頭、切尾及精軋等最終形成成品板材的全過(guò)程。其中難點(diǎn)為鋼板由厚變薄、由短變長(zhǎng)以及鋼板切頭與切尾等過(guò)程。

　　COSMOSMotion動(dòng)畫(huà)仿真流程如圖13所示，建立好零部件后，在COSMOSMotion中，對(duì)靜止零部件和運(yùn)動(dòng)零部件進(jìn)行映射，然后定義約束。由于COSMOSMotion與SolidWorks無(wú)縫集成，普通約束通過(guò)SolidWorks中的裝配關(guān)系都能轉(zhuǎn)化為COSMOSMotion中的運(yùn)動(dòng)副。定義完約束后，需要添加附在運(yùn)動(dòng)副上控制運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，即運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)所有參數(shù)都設(shè)置好就可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬，繼而可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)干涉檢查和輸出各種分析曲線和視頻。

　　圖14為動(dòng)畫(huà)截圖，其中圖14a為軋制前的毛坯板，圖14b為粗軋以后的中間板坯。與毛坯板相比，中間板坯厚度、長(zhǎng)度都有明顯變化。

　　九、可重組模塊化軋機(jī)CAD系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

　　由于軋鋼機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)制造過(guò)程中采用“單件小批”的模式，而這在很大程度上制約了軋機(jī)的設(shè)計(jì)周期。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本文引入可重組模塊化思想，將軋機(jī)劃分為幾個(gè)獨(dú)立的模塊，并建立各個(gè)模塊內(nèi)部以及模塊之間的參數(shù)化約束，最后通過(guò)一個(gè)自動(dòng)建模裝配函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同模塊的裝配。從而設(shè)計(jì)出了一套“基于SolidWorks可重組模塊化軋機(jī)CAD系統(tǒng)”，如圖15所示。利用此系統(tǒng)，用戶只需要輸入軋制線標(biāo)高、開(kāi)口度、工作輥直徑、工作輥長(zhǎng)度、支撐輥直徑及支撐輥長(zhǎng)度等參數(shù)，即可得到所需參數(shù)的模塊化軋機(jī)。

　　1.開(kāi)發(fā)流程

　　本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)目標(biāo)為：只要用戶給出基本的構(gòu)型參數(shù)，系統(tǒng)就能夠自動(dòng)建模裝配

　　產(chǎn)生用戶所需要的一臺(tái)模塊化軋機(jī)。

　　結(jié)合軟件的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)主要由五部分組成。首先將軋機(jī)進(jìn)行模塊化劃分。按照可重組模塊化思想，將軋機(jī)劃分為機(jī)架裝配、工作輥裝配等十幾個(gè)模塊。各個(gè)模塊具有獨(dú)立的功能，同一類(lèi)模塊的外部接口需類(lèi)似。第二，進(jìn)行模塊構(gòu)造，這部分在建模、裝配階段已經(jīng)完成。第三，進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，建立模塊內(nèi)部以及模塊之間的一些參數(shù)聯(lián)系。第四，建立

　　人機(jī)交互界面，獲得用戶所需要的參數(shù)。第五，調(diào)用Solidworks API，編譯一個(gè)裝配函數(shù)。這樣，用戶所需要的參數(shù)傳遞給裝配函數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)建模裝配。

　　2.軟件介紹

　　“基于SolidWorks可重組模塊化軋機(jī)CAD系統(tǒng)”具有如下特點(diǎn)：界面美觀，可以更換不同的皮膚界面;使用簡(jiǎn)單，只需輸入一些基本參數(shù)，系統(tǒng)將自動(dòng)建模裝配一套指定參數(shù)的模塊化軋機(jī);實(shí)用性強(qiáng);軟件界面如圖16所示。

　　3.自動(dòng)裝配技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

　　使用VB調(diào)用SolidWorks API函數(shù)，通過(guò)API函數(shù)在客戶端應(yīng)用程序中創(chuàng)建SolidWorks對(duì)象，并依次創(chuàng)建PartDoc、AssemblyDoc等子對(duì)象，來(lái)完成模塊化軋機(jī)的自動(dòng)建模裝配。裝配

　　函數(shù)如下：Sub Assembly(ByVal WRD As Integer, ByVal WRL As Integer, ByVal BURD As Integer, ByVal BURL As Integer,ByVal KKD As Integer, ByVal ZBG As Integer, ByVal GBG As

　　Integer)SetswApp= CreateObject("Sld-Works.application")

　　' 創(chuàng)建或獲sldworks對(duì)象

　　Set swModel = swap.ActiveDoc

　　'激活文件

　　……

　　swModel.EditRebuild3

　　swModel.ViewZoomtofit2

　　swModel.SaveAs2 App.Path + “temp” + “可重組模塊化ASP系列軋機(jī).sldasm”, 0, False, False '保存文件End Sub

　　4.軟件運(yùn)行實(shí)例

　　打開(kāi)軟件，進(jìn)入設(shè)計(jì)界面，所有參數(shù)如圖16所示，最終得到一個(gè)如圖17所示的模塊化軋機(jī)。

　　十、總結(jié)

　　本項(xiàng)目的主要成果有：

　　1)建立了一條熱連軋生產(chǎn)線的三維零件庫(kù)，為今后的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了再使用的寶貴資源;

　　2)對(duì)本條生產(chǎn)線重要零部件進(jìn)行了強(qiáng)度校核，驗(yàn)證其強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求;

　　3)對(duì)本條生產(chǎn)線的軋鋼過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)畫(huà)仿真，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷并進(jìn)行改進(jìn)，縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，極大地提高了設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量;

　　4)使用渲染軟件進(jìn)行渲染，提高了產(chǎn)品的附加值;

　　5)使用VB調(diào)用SolidWorks API函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了不同參數(shù)的ASP系列軋機(jī)的統(tǒng)一模塊化重組，為軋機(jī)的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)提供了一種快速有效的途徑。

　　本文對(duì)熱連軋生產(chǎn)線做了大量的研究工作，已經(jīng)具備一定的實(shí)用功能，但還有許多不完善的地方，需要以后進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)。比如，沒(méi)有涉及換輥等設(shè)備，CAD系統(tǒng)目前只完成了粗軋機(jī)的可重組開(kāi)發(fā)等。這些工作將在后續(xù)的工作中做進(jìn)一步的研究。

　　在以后的工作中，有以下課題需要深入研究和應(yīng)用。

　　1)軋鋼設(shè)備三維設(shè)計(jì)規(guī)范及有限元分析規(guī)范的制定。規(guī)范的制定，可以幫助企業(yè)三維數(shù)字化平臺(tái)的快速推廣，便于設(shè)計(jì)交流和擴(kuò)充。

　　2)軋鋼設(shè)備研發(fā)知識(shí)庫(kù)的建立。依托SolidWorks Enterprise PDM系統(tǒng)，將企業(yè)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)資源進(jìn)行歸納、總結(jié)、規(guī)范并管理，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)知識(shí)的繼承及重載。

　　3)專用CAD系統(tǒng)的深入開(kāi)發(fā);

　　將現(xiàn)有的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)從VB平臺(tái)遷移到先進(jìn)的net平臺(tái)，便于擴(kuò)充和協(xié)同開(kāi)發(fā);

　　在參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程中加入優(yōu)化功能;

　　實(shí)現(xiàn)符合標(biāo)準(zhǔn)的工程圖自動(dòng)生成;

　　實(shí)現(xiàn)COSMOSWorks自動(dòng)分析系統(tǒng)。

　　因此，以SolidWorks為平臺(tái)的CAD/CAE/PDM解決方案將在軋鋼設(shè)備的設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)生重要的作用。