本文給出了SolidWorks虛擬裝配的一個實例。

　　1、引言

　　通常認為最后產品成本的70%是在設計期間確定的，這是在設計初期就應該悉心考慮虛擬裝配的一個重要理由。而由于產品裝配在整個產品生命周期中的重要性，因此對產品的虛擬裝配進行研究和應用，對于增強制造企業的產品競爭力具有重要意義。同時虛擬裝配又是是虛擬產品開發(VPD, virtual product development)、數字樣機(DMU, Digital Mock-Up)、虛擬樣機(VP, virtual prototyping)和面向裝配的設計(DFA, design for assembly)的核心技術之一，因此虛擬裝配的研究和應用具有很現實的意義。

　　虛擬裝配又是很好的溝通工具，它能夠獲得完全視覺化的產品，可以用于產品的設計、制造、銷售等階段，本文所做的虛擬裝配主要用于新員工的培訓，使新員工，特別是現場組裝新手了解產品結構及其裝配關系，能夠盡快地進入工作狀態。

　　2、零件的三維設計

　　大部分零件都是由2D草圖繪制開始，再由2D草圖生成3D實體。首先選中一個基準面，使用草圖繪制命令，即可在此基準面上開始草圖繪制。草圖完成后通過對其進行拉伸、旋轉等操作得到一個基本特征，幾個特征組合起來時就形成各種零件。根據所設計的零件形狀在其他基準面建立草圖，隨后進行拉伸、旋轉、掃描、放樣等特征操作，完成一個普通零件的三維設計。

　　選用的建模工具為SolidWorks軟件，通過拉伸、旋轉、薄壁特征、高級抽殼、掃描、放樣、鈑金等操作來實現產品的設計。臺式滅菌器的零件千變萬化、類型有很多，但是幾乎所有的零件都是由以上幾種特征組成，每一種特征都有基體生成和切除兩個內容，這些特征成為我們制作零件模型的基礎和有力工具。

　　1) 拉伸特征 拉伸分為基體拉伸和切除拉伸。前者用于生成基體，后者用于切除基體。拉伸適用于截面不變的零件或者是零件的某一部分截面不變，比如墊圈，它平行于端面的截面就是一個圓環，過軸線的截面則是一個矩形。這樣就有了兩種做法，你可以先畫兩個同心圓，然后拉伸即可。當然，方向是可以設定的。拉伸的路徑必須是直線，拉伸時可以設定拔模斜度以形成錐形特征。

　　2) 旋轉特征 截面繞一中心軸轉動，截面所經過的空間既是旋轉特征。墊圈同樣可以用掃描特征生成，旋轉的路徑是一個圓弧，這是和拉伸的區別。旋轉可以設定角度。從某種意義上講，拉伸和旋轉都是掃描的一種特殊情況。

　　3) 薄壁特征 如果把草圖的截面換成線，就會生成沒有厚度的特征，因為線是沒有厚度的，這就是薄壁特征，這時可以設定厚度。一些桶類零件經常這樣生成。

　　4) 高級抽殼 使用抽殼特征可以方便地制作密封、厚度均勻的殼體，尤其是在無法使用拉伸-切除的時候。滅菌器中的水箱部件的建模使用了抽殼特征

　　5) 掃描特征 截面沿著一路徑運動，經過的空間就是掃描特征。路徑可以是任何曲線，它的功能比拉伸和旋轉都要強大。從路徑的角度講，拉伸和旋轉都是掃描的一種特殊形式。最典型的應用例子就是螺紋的生成，螺紋的路徑為螺旋線，截面因螺紋牙型的不同而有所變化，管螺紋的形狀還有錐度。

　　6) 放樣 放樣特征適用于截面不規則變化的零件，由于截面的不規則變化無法使用拉伸、旋轉、掃描等特征。放樣是選取幾個典型的截面(比如最大面，最小面)，把它們圓滑地連接起來，一些花瓶、手柄經常用這種方法制作，滅菌器中的零件都是較為規則的形狀，無需使用放樣特征。

　　7) 鈑金 鈑金主要適用于薄壁零件的制作。它不同于抽殼特征，抽殼的零件是密封的，鈑金生成的零件不是密封的。鈑金的主要形式是折彎，臺式滅菌器的殼體除前面板外都是使用鈑金特征完成。

　　3、臺式滅菌器的虛擬裝配

　　面向培訓的虛擬裝配應以實際生產裝配為基礎，虛擬裝配的裝配序列、裝配過程應與生產裝配相一致，為員工進入生產線實際操作打下基礎。

　　虛擬裝配還能夠在設計階段發現和消除設計失誤。產品設計階段決定了產品如何加工、如何裝配，設計成本雖然只占產品開發總成本的5%，卻決定了產品總成本的70%～80%，而上游設計失誤對成本的影響將以不斷放大的形式向下游逐級傳播，據統計，這一逐級放大的比例甚至達到1:10。因此，應盡量避免由于設計不合理而給后續相關活動如加工、裝配、測試等帶來不良影響。由于裝配環節是制約生產自動化的主要因素，故在產品設計的同時，盡可能兼顧下游的裝配環節及其相關因素，即在產品設計階段應盡早排除下游的隱患，避免大的返工。

　　生產裝配按照生產實際的要求有一定的規則。零部件的一般裝配次序往往是先下后上，先內后外，先難后易。通常，還要先重大后輕小，但當有些重大件會影響其他零件的裝入時，為了減少不必要的運輸量，應該較后裝上。還要先精密后一般，但靈敏性零件或作業應盡可能放在粗重作業的后面進行，以免損壞。

　　處于同一方位的工件應集中安裝以免過程中翻身移位，使用同一工藝設備或特殊環境條件的作業，也應集中起來以免運輸迂回或設備重復。

　　臺式滅菌器的結構比較復雜，它的虛擬裝配是按照生產裝配的次序進行的，不能一個零件一個零件地插入到一張裝配圖中。因為這樣越到最后，零件越多，裝配越麻煩，機器的運行速度也會隨之減慢。再就是一旦發生錯誤，在整個裝配中修改非常麻煩。系統允許一個零件或組件多次使用，還允許把一個小的子裝配體插入到另一子裝配體或者總裝配體中。為此，根據生產實際和裝配原理畫出了裝配系統圖，虛擬裝配依據裝配系統圖進行。裝配系統圖如圖1所示。

圖1 臺式滅菌器裝配系統圖

　　整個滅菌器的裝配過程如下：

　　加熱圈的裝配 加熱圈包含許多螺栓、螺母、墊圈等，并且裝配中同時使用了3個加熱圈，因此非常適合預先裝配成組件。

　　水箱的裝配 包括水箱、水箱支架、水箱密封圈水箱蓋等。

　　面罩組件的裝配 包括面罩和左、右鉸鏈座。

　　底盤部件的裝配 其中包括底盤組件、面罩組件、墊腳及聯接用的螺栓組件，底盤組件又是由墊腳和水箱組件構成的。底盤部件是整個機器的基礎定位部件，幾乎所有的重要部件都要固定在底盤上。

　　筒體部件的裝配 包括加熱圈組件、筒體、固定用螺栓組件、隔架，這是一個相當復雜的部件。有些零件如筒體的裝配需要用三個基準面來定位，還有一些距離需要仔細計算。滅菌器工作的時候，加熱圈將主體圓筒里面的水加熱成高溫蒸汽，對消毒盤上的醫療設備進行消毒。

　　門部件的裝配 包括面罩、門組件等子裝配。這部分將在虛擬裝配時進行開門、關門的演示，因此要在總裝配時單獨插入，并且保留繞銷軸旋轉的自由度，以便錄制操作演示動畫時進行滅菌器門的開關動作。

　　消毒盤的裝配 消毒盤要保留沿支架滑動的自由度，以便隨后進行操作動畫演示。

　　手柄組件的裝配 包括滑塊和門插銷，手柄組件裝配完成后將直接用于最后的總裝配，并要保留上下移動的自由度，在虛擬裝配時能夠自由活動，以便錄制操作演示動畫時門的鎖閉和開啟動作。

　　各組件、部件裝配完成后，即可以底盤部件為基礎進行總裝。按照生產實際的裝配序列，逐步裝入筒體部件、門部件、手柄和消毒盤。

　　總裝完成以后，如果想再看一下內部的裝配情況，可以將頂罩隱藏，這樣里面的零部件就能顯示出來。在裝配零件的時候，如果某些要選擇零件被其他零件擋住，也可以使用隱藏功能，以方便裝配。如圖2為隱藏了頂罩的臺式滅菌器總裝圖。

圖2 臺式滅菌器總裝圖

　　4、虛擬裝配的演示

　　在產品設計過程中，為了更明確地表達產品的結構，可能通過分離裝配體的零部件或者反過來，通過把分離的零部件裝配成一個整體，來形象地顯示它們之間的裝配關系，這就是裝配體的爆炸視圖和虛擬裝配。它們是展示裝配體結構的重要手段，由此可以了解和分析裝配體的零件構成和位置關系，可以很方便地設計制作產品的裝配流程圖、產品維修手冊和安裝手冊等所有的圖片。

　　在制作演示動畫的過程中，我們應該注意一點：爆炸直線草圖的作用在于，在工程圖或說明書圖片中更清楚地示意零件的爆炸方向或裝配關系，而不是為了規定裝配體爆炸視圖中零件的實際運動路徑。較新版本的SolidWorks animator使用了時間軸和關鍵點來操作，就像多數專業動畫設計軟件和視頻編輯軟件一樣，這是很好的改進，能夠使我們不必去學習復雜的專業動畫設計軟件，即可制作出簡潔實用的結構展示或操作演示動畫。

　　對于有較多零部件的復雜裝配體，要手動把每個零件拖放到合適的位置，來制作其爆炸視圖，是很煩瑣的，也沒有必要。在此可以使用animator的動畫向導來完成總體的爆炸視圖，隨后對不合理的步驟或零部件位置進行調整。在爆炸視圖起始位置，增加了殼體的漸變隱藏，顯露出滅菌器內部結構。在裝配體解體過程中，對于門把手等細部零件不易觀察到，通過視角的變換、視距的拉近能夠觀察細部零件的解體過程。對鍵碼的壓縮和替換操作，給動畫的編輯提供了靈活的手段。animator的動畫向導還方便地提供了爆炸和解除爆炸的兩種方式。根據實際生產裝配的順序，對解除爆炸的動畫做細致地修改，更改不符合實際的裝配順序，制作出符合生產實際的裝配動畫，可以用作虛擬裝配，錄制成avi格式以后用于員工培訓。如圖3為臺式滅菌器的爆炸視圖。

圖3 臺式滅菌器的爆炸視圖

　　5、結語

　　使用SolidWorks創建了臺式滅菌器的零件，并按照工廠生產裝配的序列，對其進行虛擬裝配，形成臺式滅菌器的三維樣機。之后，使用SolidWorks的動畫功能，參考工廠生產裝配的序列，制作臺式滅菌器三維樣機的虛擬拆卸和虛擬裝配演示動畫，根據需要錄制成avi格式的文件，用于員工培訓。

　　對于裝配圖還可以繼續開發利用。例如可以制作滅菌器的操作動畫，門的開和關，托盤抽出，放置消毒物品等等，這些都是可以直接使用animator插件實現的。如果要實現蒸汽或者紫外線消毒效果的動畫演示，就要使用專業的動畫制作軟件了。