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1 引言
1.1 三維設(shè)計的意義與作用?
現(xiàn)代計算機技術(shù)和CAD應用軟件技術(shù)的發(fā)展，決定了CAD應用應當以顯著提高設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計效率，明顯降低設(shè)計成本，充分縮短設(shè)計、生產(chǎn)準備周期，濃縮和提高優(yōu)秀的設(shè)計經(jīng)驗，提高整個設(shè)計技術(shù)的管理水平為目的[1]。
三維CAD系統(tǒng)中的工程圖設(shè)計與一般二維設(shè)計系統(tǒng)不完全相同，三維CAD系統(tǒng)中的工程圖設(shè)計可以直接由三維模型投影而成，從而保證各個視圖的正確性，使用者只需要對視圖中個別線條進行調(diào)整，并標注工程符號，即可滿足工程圖紙的要求。三維模型設(shè)計中包括了產(chǎn)品完整的幾何結(jié)構(gòu)，?還可以從三維模型中產(chǎn)生其他各種視圖，除基本標準的三視圖外，還可生成軸測圖、向視圖、各種剖視圖、局部視圖等。在三維的CAD產(chǎn)品設(shè)計中，可以調(diào)節(jié)渲染所設(shè)計產(chǎn)品的一些基本屬性，如光源設(shè)置，模型屬性(顏色、透明度、反射系數(shù)等)，還可以設(shè)置模型的顏色、紋理、反射、景深、陰影等效果，?從而達到渲染產(chǎn)品外觀的效果。
從設(shè)計的觀點來看，人們頭腦中所構(gòu)思的設(shè)計對象就是三維物體，因此，直接用三維實體形式來描述設(shè)計對象是最直觀、方便省力的設(shè)計方式。隨著三維CAD圖形技術(shù)的發(fā)展，使用三維設(shè)計的有如下優(yōu)勢：
（1） 三維模型比二維圖形更接近真實的對象。
（2） 三維模型可以轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€視圖，并可在標注帶有尺寸的二維產(chǎn)品圖，從而獲得二者的最佳形式。這種從三維模型轉(zhuǎn)為二維圖形的優(yōu)點是：對于模型和任何修改將自動反映到相應的視圖上。
（3） 三維模型可生成具有真實感的渲染圖。產(chǎn)品圖是非常有價值的，但渲染圖常常可以更清楚地展現(xiàn)一個設(shè)計，并有利于找出設(shè)計缺陷和驗證設(shè)計。
（4） 可直接作為不需要用圖紙的對象成型。通常，采用第三方面的程序?qū)⒛Ｐ娃D(zhuǎn)換為數(shù)控加工的格式[2]。
只有在三維的CAD設(shè)計中，才可能建立進行有限元分析的原始基本數(shù)據(jù)，進而實現(xiàn)產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計。用三維模型在裝配狀態(tài)下進行零件設(shè)計，可避免實際的干涉現(xiàn)象起到事半功倍的作用。凡此種種，二維的繪圖設(shè)計只能在局部勉強達到。因此，采用三維設(shè)計是設(shè)計理念的一種變革，是CAD的真正應用的開始[3,4]。
1.2 CAD在三維設(shè)計中的應用
三維CAD系統(tǒng)作為一種直觀、形象的設(shè)計輔助工具，可以幫助設(shè)計人員建立產(chǎn)品的三維模型。隨著計算機軟件和硬件技術(shù)的發(fā)展以及數(shù)學方法的引入，計算機三維技術(shù)得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應用，包括建筑、機械上的工程應用和特殊效果的設(shè)計等，尤其是在現(xiàn)代加工技術(shù)下，數(shù)控加工設(shè)備對零件的三維模型依賴越來越高，通過使用CAM軟件對零件的三維模型的處理來實現(xiàn)零件的數(shù)控加工設(shè)計[5]，就會及早取得經(jīng)濟和技術(shù)效益，因為它是CAD應用發(fā)展的必然趨勢。
隨著CAD產(chǎn)品的不斷升級更新，它的三維設(shè)計功能會越來越強大。一方面對產(chǎn)品進行造型設(shè)計、外觀設(shè)計，完成后的三維實體模型圖像逼真，可用于制作產(chǎn)品樣本、宣傳樣本等；另一方面，通過進行裝配仿真、機構(gòu)運動仿真來進行尺寸干涉檢查和運動干涉檢查，能及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的錯誤，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計尺寸的“無差錯設(shè)計”。CAD軟件主要用來繪制工程圖，由于其強有力的圖形處理功能吸引了眾多的用戶使用，又由于CAD系統(tǒng)方便的二次開發(fā)環(huán)境吸引了眾多專業(yè)人員支開發(fā)它，因此CAD系統(tǒng)功能將會越來越強，使用會更加方便。
1.3 國內(nèi)外氣瓶的發(fā)展現(xiàn)狀
在經(jīng)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[6] 。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(jīng)濟建設(shè)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(shè)計制造了第一批40升15Mpa級鋼質(zhì)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(chǎn)和使用氣瓶的國家，已經(jīng)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(chǎn)品還存在著普通產(chǎn)品低檔化，高、精、尖、特產(chǎn)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(jīng)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％。這些變化極大的刺激著復合氣瓶的市場需求、產(chǎn)量和技術(shù)創(chuàng)新。
目前復合材料氣瓶在美國的研究發(fā)展動向主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是燃料整體供給系統(tǒng)。該系統(tǒng)是將普通的CNG復合氣瓶裝入一個復合材料制成的保護殼內(nèi)，里面填充有防沖撞的泡沫，氣瓶與匯流管路相連，并有一個總閥門和減壓裝置，這樣可以減少系統(tǒng)部件。保護殼將氣瓶完全包裹起來，并裝有簡易把手和安裝支架，這樣看起來，無論是尺寸還是外觀，都與普通的汽油箱很相似。二是氣瓶的重量趨向更輕，成本趨向更低。三是氫燃料貯氣瓶。四是復合材料儲能器。五是航空用氣瓶。
1.4 本文主要工作
在經(jīng)濟高速發(fā)展的現(xiàn)代化社會中，氣瓶制造業(yè)也不斷朝著高、精、尖、特產(chǎn)品發(fā)展。隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，氣瓶越來越多的被使用在經(jīng)濟建設(shè)和社會生活中。而在現(xiàn)代化的制造企業(yè)中都普遍采用計算機輔助設(shè)計軟件來進行產(chǎn)品的設(shè)計工作，能夠運用計算機輔助設(shè)計軟件設(shè)計一種安全、低成本、使用壽命長的氣瓶以滿足應用需求將會越來越受歡迎。
本文采用SolidWorks，以一個實際的產(chǎn)品M200A氣瓶為研究對象設(shè)計了M1000A氣瓶，制作了該氣瓶所有零部件的三維構(gòu)造模型和非標準零件的工程圖以及產(chǎn)品的裝配圖。在此基礎(chǔ)上，出于制造的目的，形象地分析它們零部件之間的相互關(guān)系，將裝配圖按照零部件的配合條件產(chǎn)生爆炸試圖。
2 M1000A氣瓶的總體設(shè)計
2.1 幾種氣瓶結(jié)構(gòu)性能簡介
2.1.1 鋁合金內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶
該氣瓶內(nèi)膽以優(yōu)質(zhì)6061鋁合金材料，經(jīng)沖壓、拉伸、熱處理、數(shù)控旋壓收口、內(nèi)表面處理等工序加工制作而成。內(nèi)膽壁厚均勻、壁厚差小，肩、底形狀精度高、一致性強，內(nèi)表面采用陽極氧化處理，具有更加良好抗腐蝕性能。氣瓶纏繞層采用進口優(yōu)質(zhì)碳纖維、環(huán)氧樹脂等原材料，經(jīng)數(shù)控纏繞、高溫固化等工序加工而成。較金屬氣瓶具有更優(yōu)良的綜合性能，工作壓力大幅度提高，儲氣量增加，重量減輕約50%，具有更好的耐腐蝕性、絕緣性、減震性和安全性。可以在消防隊員或救護人員進入煙霧、毒氣、粉塵或缺氧等惡劣環(huán)境時提供有效的呼吸系統(tǒng)保護，廣泛應用于消防、礦山、化工、冶金、石油、電力、醫(yī)療、防暴、天然氣汽車等領(lǐng)域。造型如圖2.1所示。
圖2.1 鋁合金內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶
2.1.2 氧氣瓶
醫(yī)用輸氧器是一種小型的供氧裝置，主要用于個人保健、醫(yī)院、高原補氧和井下供氧等。該輸氧器結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、貯氧量大、保壓時間長。其上裝有壓力表、減壓器和流量表。特別是氧氣瓶是由鋁合金制作的，使之具有抗腐蝕、耐高壓，給使用其提供了清潔、清爽、無銹味的氧氣。造型如圖2.2所示。
圖2.2 氧氣瓶
2.1.3 鋼制無縫氣瓶
用優(yōu)質(zhì)碳鋼、錳鋼、鉻鉬鋼或其他合金鋼的鋼坯為原材料，經(jīng)沖壓拉伸法制成或采用優(yōu)質(zhì)無縫鋼管為原材料經(jīng)熱旋壓收口收底制成的氣瓶。無縫氣瓶的底部結(jié)構(gòu)有凹形和凸形兩種。凸形底又分半球形、碟形和H形。鋼質(zhì)無縫氣瓶采用國際一流加工設(shè)備，先進的工藝流程，可生產(chǎn)公稱工作壓力為8-30MPa，公稱容積為0.4-80升的大、中、小型各種規(guī)格高壓無縫氣瓶，主要盛裝永久氣體，高壓液化氣體，如：氧氣、氮氣、氫氣、二氧化碳等，廣泛用于工業(yè)、國防、醫(yī)療、科研等行業(yè)。造型如圖2.3所示。
圖2.3 鋼制無縫氣瓶
2.2 M1000A氣瓶的總體方案
氣瓶是一種專供盛裝和運輸氣體或液化氣體用的移動式容器。從廣義上講應包括不同壓力、不同容積、不同結(jié)構(gòu)形式和不同材料用以貯運永久氣體，液化氣體和溶解氣體的一次性或可重復充氣的移動式的壓力容器[7]。這種專門用途的需要，氣瓶的形狀和結(jié)構(gòu)就必須簡單、緊湊，重量較輕，易于搬運和使用。氣瓶的容積一般都較小，常用的為30～200升；氣瓶的長度適中，約1．5米左右，過長和過短都不便于搬運移動；氣瓶在充裝氣體和庫存儲放期間要直立放置，以免產(chǎn)生滾動或相互撞擊，因此它的底部應具有立放的支座；氣瓶的頂部則有一個接口管，管內(nèi)有內(nèi)螺紋，用以與瓶閥連接。
從結(jié)構(gòu)上分類有無縫氣瓶和焊接氣瓶；從材質(zhì)上分類有鋼質(zhì)氣瓶（含不銹鋼氣瓶），鋁合金氣瓶，復合氣瓶、其他材質(zhì)氣瓶；從充裝介質(zhì)上分類為永久性氣體氣瓶，液化氣體氣瓶，溶解乙炔氣瓶；從公稱工作壓力和水壓試驗壓力上分類有高壓氣瓶、低壓氣瓶。
本課題研究的是鉬源氣瓶，該氣瓶從結(jié)構(gòu)上看屬于焊接氣瓶。但又區(qū)別于一般的焊接氣瓶。在其內(nèi)部所貯存的是鉬源，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。本文設(shè)計的氣瓶不同于以上幾種氣瓶，主要由瓶底、瓶身、瓶蓋、閥、通氣管等部分組成。由于盛裝的是劇毒氣體，氣瓶的容量比較小，瓶體總高165cm。氣瓶材料采用1Cr18Ni9Ti，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。主體部分采用焊接，主體焊縫的焊接采用自動焊接方法，并嚴格遵守合格的焊接工藝，以確保氣瓶外觀質(zhì)量及嚴密性。氣瓶的內(nèi)表面粗糙度，機加工應達到1.6,機械拋光應達到0.1，最后經(jīng)電拋光處理。
2.2.1 瓶底、瓶身、瓶蓋的設(shè)計
瓶底、瓶身、瓶蓋是氣瓶的主體部分，三者通過焊接連接在一起，組成氣瓶的瓶體。對于它們的設(shè)計思路主要是參照國內(nèi)外的參考文獻，以及一些具體的例子以后得出的。瓶體總高設(shè)定為165cm，直徑118cm。具體為：瓶蓋總高17cm，瓶身總長134cm，瓶底為14cm。瓶蓋上面有三個通孔，用于分別連接長管、短管和瓶蓋帽。這樣的設(shè)計用意在于，長短管負責進出氣，瓶蓋帽可以擰下，以便對氣瓶進行清洗。瓶身的設(shè)計比較簡單，端面的厚度與瓶底、瓶蓋一樣，主要考慮焊接的嚴密性。瓶底的設(shè)計與一般焊接氣瓶的瓶蓋類似，只是該瓶蓋在其中心部分有一個圓形的凹槽，這樣設(shè)計的目的在于可以使氣瓶內(nèi)部氣體使用完全，減少剩余量，提高利用率。
2.2.2 彎管的設(shè)計
彎管是氣瓶內(nèi)部用于通氣的管道，在氣瓶中它也扮演著重要的角色，是本設(shè)計氣瓶不可缺少的部分，由于瓶蓋的設(shè)計中進出管道分布在瓶蓋兩側(cè)，考慮到用氣的完全，內(nèi)部管道必須伸入瓶體的中心部分，所以必須設(shè)計成彎管。上面設(shè)計的瓶體總高為165cm，彎管與短管焊接在一起，短管與瓶蓋焊接，因此除去瓶蓋實體厚度12cm，彎管下端口至瓶蓋內(nèi)表面的距離應小于149cm。加上彎管插入彎管的長度，設(shè)計彎管垂直總長為148。插入入口管3cm后，管口至蓋內(nèi)表面的長度應小于156cm。并且自行設(shè)定一定的角度，使的安裝后，下端口正好處于瓶底凹槽內(nèi)。彎管材料采用1Cr18Ni9Ti，該材料焊接性能和冷彎成型性能好，能夠滿足耐腐蝕的要求。
2.2.3 氣瓶閥的設(shè)計
氣瓶閥（Cylinder Valves）是指與壓縮氣體鋼瓶瓶口直接相連，使鋼瓶可以容納氣體，并控制氣體進出鋼瓶的截止閥[8]。
氣瓶閥通常采用針閥或隔膜閥的結(jié)構(gòu)形式。針閥結(jié)構(gòu)的氣瓶閥分為壓力密封型、扳手型、非旋轉(zhuǎn)閥桿型。隔膜閥結(jié)構(gòu)的氣瓶閥分為彈簧返回型（Spring-Loaded Diaphragm Valve）、一體型（The Tied-Diaphragm Valve）。
氣瓶閥作為控制壓力容器的閥門，配有壓力釋放裝置。要注意的是，氣瓶閥的設(shè)計、制造是按照各專業(yè)協(xié)會的標準進行的，例如氣瓶閥進、出口的結(jié)構(gòu)及螺紋形式等都有特定的規(guī)范，選用氣瓶閥時不能簡單地用針閥或隔膜閥來代替。對于劇毒氣體，高純度氣體，稀有氣體和自燃氣體要采用隔膜閥結(jié)構(gòu)的氣瓶閥。本設(shè)計在其接口處采用VCR接頭，由于是球面接觸，即使管線受到外力扭轉(zhuǎn)或彎曲后，也不至于使接口處松動，且因結(jié)合面為球面連接而十分嚴密。較好的保證氣瓶的密封性。
氣瓶閥與長短管的連接采用焊接方式，將氣瓶閥與長短管進行焊接相比于螺紋連接，卡套連接等眾多管道連接方式，有如下優(yōu)點：
（1）泄漏的可能性最小；
（2）抗振動性、抗壓力的沖擊性最佳；
（3）對溫度的高、低及循環(huán)變化適應性最強；
（4）可保證管道系統(tǒng)內(nèi)部的清潔。
2.2.4 氣瓶帽的設(shè)計
本設(shè)計的氣瓶需要用到三個氣瓶帽，閥上有兩個形狀和尺寸完全相同的氣瓶帽，瓶蓋用到一個形狀完全相同，尺寸稍大的氣瓶帽。該帽不是一個單一的整體，而是一個裝配體。它由螺母、墊片、通氣管等五部分組成。其主題部分是一個六方體造型，螺母設(shè)計成四方行。氣瓶帽頭上設(shè)計一個孔，便于與閥連接，旋下時不至于丟。帽體部分有一個通孔，該孔主要用于擰緊螺母時將帽內(nèi)空氣排空，形成真空。氣瓶帽內(nèi)部使用的墊片材料采用無氧銅。
2.3 氣瓶的整體造型
綜合以上所有的設(shè)計，繪制出M1000A氣瓶的總體造型。如圖2.4所示。
圖2.4 M1000A氣瓶的整體造型
3 氣瓶的三維造型
3.1 SolidWorks軟件
SolidWorks是世界上第一個基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)。由于使用了Windows的OLE技術(shù)、直觀式設(shè)計技術(shù)、先進的parasolid內(nèi)核及良好的與第三方軟件的集成技術(shù)，SolidWorks已成為全球裝機量最大、最好用的三維CAD軟件。SolidWorks擁有眾多第三方軟件供應商的支持，可以實現(xiàn)加工、分析、逆向工程等工程應用。用SolidWorks軟件設(shè)計的零件、裝配體、工程圖具有全相關(guān)性，可大大減輕設(shè)計修改的工作量，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期；SolidWorks與加工編程軟件CAMWorks、有限元分析軟件CosMos／Works、流體力學分析軟件FloWorks軟件直接結(jié)合，使SolidWorks更加如虎添翼，功能更加強大，再借助于SolidWorks本身豐富的數(shù)據(jù)接口在機械設(shè)計和制造方面進行產(chǎn)品的虛擬樣機測試、仿真分析和快速制造，可大幅度縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，降低開發(fā)成本。
為比較評價不同的設(shè)計方案，減少設(shè)計錯誤，提高產(chǎn)量，SolidWorks強勁的實體建模能力和易用友好的Windows界面形成了三維產(chǎn)品設(shè)計的標準。機械工程師不論有無CAD的使用經(jīng)驗，都能用SolidWorks提高工作效率，使企業(yè)以較低的成本、更好的質(zhì)量更快將產(chǎn)品投放市場。而最有意義的是，用于SolidWorks的投資是容易承受的，這使得參加工程設(shè)計的所有人員都能在他們桌面上的計算機進行三維設(shè)計[9]。
3.2 M1000A氣瓶零件的三維造型
SolidWorks是一款功能強大的計算機輔助繪圖和設(shè)計軟件系統(tǒng)，其所有的零件都是建立在草圖基礎(chǔ)上的，草圖功能的提高會直接影響到對零件的可編輯能力的提高。然后可以以拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、放樣等特征形式形成實體。本文以M1000A氣瓶為例，對其瓶底、瓶身、瓶蓋、閥等為主要研究對象說明其應用SolidWorks進行三維造型的要點。在造型中需要注意的一些問題有：
（1）每當新建一個零件時，最好給零件適當命名，盡量不要采用系統(tǒng)默認的名稱，以便以后查詢檢索；
（2）在采用SolidWorks進行三維設(shè)計時，應適時進行保存，以避免前面的工作前功盡棄。例如我在繪制較為復雜的零件時，由于計算機內(nèi)存不足的原因，計算機自動退出繪圖界面，沒有適時進行保存而造成從頭開始工作；
（3）SolidWorks提供了強大的圓角建模功能，圓角特征在設(shè)計零件時起著重要的作用。一般情況下，如果能在零件特征上加入圓角，則有助于造型上的美觀。在繪圖過程中，一定注意特征間的父子關(guān)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(chǎn)生父子關(guān)系不利于往后的設(shè)計[10]。
3.2.1 瓶底、瓶身、瓶蓋的三維造型
瓶底、瓶身、瓶蓋是本文研究的氣瓶的基本組成部分，在SolidWorks中，對于本文設(shè)計的氣瓶的瓶底、瓶身和瓶蓋的實體造型比較容易實現(xiàn)，基本都可以通過拉伸和切除來實現(xiàn)，也可以完成它們的截面草圖，然后一次旋轉(zhuǎn)完成。
瓶底的設(shè)計步驟：首先是草繪一個圓，然后拉伸成實體，再切除。其瓶底中心的一部分圓是通過繪制截面圖，然后通過旋轉(zhuǎn)-切除得到。最后再進行倒圓角。如圖3.1所示。
圖3.1 瓶底
瓶身的設(shè)計比較簡單，在設(shè)計好具體的尺寸后，只通過拉伸-切除就可以得到。然后再在內(nèi)輪廓倒圓角。如圖3.2所示。
圖3.2 瓶身
利用拉伸、拉伸-切除完成瓶蓋的造型。如圖3.2所示。
圖3.3 瓶蓋
3.2.2 閥的三維造型
氣瓶閥作為控制壓力容器的閥門，配有壓力釋放裝置。要注意的是，氣瓶閥的設(shè)計、制造是按照各專業(yè)協(xié)會的標準進行的，例如氣瓶閥進、出口的結(jié)構(gòu)及螺紋形式等都有特定的規(guī)范，選用氣瓶閥時不能簡單地用針閥或隔膜閥來代替。本設(shè)計的閥采用VCR接頭，其包括接頭；焊接裝配；墊片；螺母，螺帽和接頭。由于VCR是標準件，在本課題設(shè)計中，未對其進行設(shè)計，而是直接向供應商購買。因此在整個閥的三維造型中未對其進行組合裝配，只是表現(xiàn)出它的外觀造型。
在整個閥的設(shè)計過程中，最主要的是利用拉伸，拉伸-切除特征，然后進行倒圓角。對于閥體上的文字，開閥及氣體流向標志，是通過草繪文字和圖行，再經(jīng)過切除得到。如圖3.4所示。
3.4 閥
3.2.3 彎管的三維造型
彎管的造型是利用掃描特征來實現(xiàn)的。其設(shè)計過程如下：草繪掃描路徑，繪制掃描截面圖，然后點擊特征工具欄上的掃描，選擇草繪路徑和圓截面圖得到彎管實體造型，再利用掃描切除特征將彎管打通。如圖3.5所示。
3.5 彎管
3.2.4 安全帽零件的三維造型
本設(shè)計的安全帽一共有三個，兩個小，一個稍小，形狀相同，尺寸不同。所以設(shè)計造型時不再分開講述。其包括以下幾個部分：帽1、帽2、墊片、螺母和通氣管。利用拉伸，拉伸-切除，旋轉(zhuǎn)，掃描切除等特征設(shè)計各個零件，完成其所有的造型。
設(shè)計過程如下：
（1） 利用拉伸，拉伸-切除，倒圓角特征完成如圖3.6所示造型。
3.6 帽1
（2） 利用旋轉(zhuǎn)，倒圓角等特征完成如圖3.7所示造型。
3.7 帽2
（3） 利用拉伸，特征墊片的造型，然后選擇材質(zhì)，得到如圖3.8所示造型。
3.8 墊片
（4） 利用拉伸，拉伸-切除完成螺母基本實體，對于螺紋，繪制時比較麻煩，需注意的事必須轉(zhuǎn)換實體應用，然后插入草繪，再插入曲線，螺旋線-渦狀線，繪制螺紋形狀，最后利用旋轉(zhuǎn)切除得到。如圖3.9所示。
3.9 螺母
（5） 利用拉伸，拉伸-切除以及倒圓角特征完成通氣管的造型。如圖3.8所示造型。
3.10 通氣管
3.2.5 長、短通氣管的三維造型
長、短通氣管的三維造型的設(shè)計是比較簡單的，利用拉伸，拉伸-切除就可以完成造型。如圖3.11所示。
3.11 長、短通氣管
3.3 M1000A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(chǎn)的主要技術(shù)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)越的特點是，在于它能直接由三維模型生成二維工程圖，不需要設(shè)計人員重新繪制。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(guān)的零件或裝配體。用戶可以從零件或裝配體文件內(nèi)生成工程圖[11][12]。
但Solidworks生成的二維工程圖是一個純粹的幾何關(guān)系表達，而二維工程圖是一種特殊的工程語言，國家標準<<機械制圖>>對二維工程圖的表達由具體的規(guī)定，如對稱幾何的關(guān)系的表達，不同零件剖面線的方向與疏密程度、零件編號、基準符號大小等等。二維工程圖中出現(xiàn)的這些人為的規(guī)定，特殊表達方法，在Solidworks生成的工程圖中是不存在的，因此還需要按照國家<<機械制圖>>標準進行修改，才能形成完整的工程圖。
利用SolidWorks進行三維模型設(shè)計，再從三維模型轉(zhuǎn)換成二維工程圖，是該軟件的核心之一，也是現(xiàn)代計算機輔助設(shè)計的發(fā)展趨勢。雖然SolidWorks二維工程圖的編輯功能不及AutoCAD，但SolidWorks有強大的視圖表達能力，能在二維工程圖中作標準三視圖、投影視圖、輔助視圖、剖面視圖、旋轉(zhuǎn)剖視圖、局部視圖等，這些高效、快捷的功能是AutoCAD無法比擬的[13]。
M1000A氣瓶的工程圖如圖3.12所示。
3.12 M1000A氣瓶的工程圖
4 M1000A氣瓶的裝配
4.1 裝配方法
4.1.1 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(jié)構(gòu)來限制各個零件的相對位置，使其構(gòu)成機構(gòu)的某部分，或者是一個完整的機構(gòu)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(nèi)部零件和子組件的裝配是內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要方面。對在實際裝配過程中經(jīng)常遇到的問題，提供幾點在裝配約束選用方面的技巧。
（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(shè)計中應用最多。
（3）“自由放置”操作
在總體設(shè)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(diào)整才能最終確定出最佳方案。在裝配操作環(huán)境中調(diào)整約束關(guān)系時，一些零件往往處于隱藏狀態(tài)，總體布置不直觀?！白杂煞胖谩辈僮鞯墓δ芴攸c解決了這些問題[14]。
4.1.2 裝配順序
在SolidWorks裝配體中，裝配方法有自上而下設(shè)計和自下而上設(shè)計兩種，也可以將兩種方法結(jié)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(shè)計中，首先生成零件并將其插入裝配體，然后根據(jù)設(shè)計要求配合零件，當使用先前已經(jīng)生成的現(xiàn)成零件時，自下而上設(shè)計是首選的設(shè)計方法。它的優(yōu)點是，由于零部件均為獨立設(shè)計，它與自上而下設(shè)計法相比，相互關(guān)系及重建行為更為簡單。使用自下而上設(shè)計法時，可以專注于單個零件的設(shè)計。當不需要建立控制零件大小和尺寸的參考關(guān)系時，此方法比較合適[15]。
自上而下設(shè)計是從裝配體開始設(shè)計工作，這是兩種設(shè)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(shè)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(shè)計零件。
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。
4.1 裝配圖1
（2） 單擊“插入零部件”按鈕，然后單擊“瀏覽”按鈕，導入短管、長管、和一個裝配體，完成裝配，如圖4.2所示。
4.2 裝配圖2
（3） 導入彎管，完成和瓶蓋中短管的裝配，如圖4.3所示。
4.3 裝配圖3
（4） 導入瓶身、瓶蓋完成瓶體的裝配，如圖4.4所示。
4.4 裝配圖4
（5） 導入兩個閥和兩個裝配體完成整個氣瓶的裝配圖，如圖4.5所示。
4.5 裝配圖5
4.2 裝配體爆炸視圖
在一些特定的場合下，我們會用到裝配體的爆炸。比如，制作產(chǎn)品的裝配工藝，制作產(chǎn)品的維修手冊等。 在Solidowrks中，我們可以為裝配體建立多種類型的爆炸，這些爆炸分別存在裝配的不同配置中。爆炸視圖可以分離裝配體中的零部件以形象地分析它們之間的相互關(guān)系。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[16]。
需要注意的是，在Solidowrks中，一個配置只能添加一個爆炸關(guān)系，因此，當我們需要建立多個爆炸的時候，一定要為裝配添加不同的配置。每個爆炸視圖包括一個或多個爆炸步驟。每一個爆炸視圖是保存于所生成的裝配體配置中。在生成爆炸以后，裝配中的設(shè)計樹的配置一項會發(fā)生變化。關(guān)于爆炸視圖的設(shè)計樹的操作，我們可以點擊每個爆炸，顯示爆炸、刪除、重新定義爆炸。對每一個爆炸步驟，可以分別定義、刪除該步驟。 爆炸和不爆炸狀態(tài)，其爆炸步驟前面的圖標不一樣：注意不同的狀態(tài)。紅色（爆炸）和黃色（不爆炸）。我們也可以在設(shè)計樹中拖動（復制）爆炸：使當前的爆炸的配置處于激活狀態(tài)，拖動爆炸視圖圖標，來將爆炸視圖從一個配置復制到另一個配置中。注意：別的配置不能有爆炸，這里也遵守一個配置只能有一個爆炸的規(guī)則，而且不能刪除不激活的配置中的爆炸視圖。 如果你覺得該爆炸視圖的爆炸順序部正確，或想重新進行爆炸，在圖形窗口的任何地方或已經(jīng)爆炸的視圖的設(shè)計樹的爆炸視圖圖標上，單擊右鍵并選擇解除爆炸。
4.2.1 M1000A氣瓶及安全帽的爆炸視圖
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[17]。炸步驟如下：單擊插入爆炸視圖，裝配體爆炸對話框展開。單擊零部件的邊線或面，其方向是與要爆炸的方向相平行的。此時會出現(xiàn)預視箭號并且在要爆炸的方向:方框內(nèi)會顯示出所作之選擇。如果預視的箭號方向是錯的話，就選擇單擊反向。然后選擇爆炸的步驟。當對此爆炸視圖滿意時，單擊確定。
安全帽的爆炸視圖如圖4.6所示。
圖4.6 安全帽爆炸視圖
M1000A氣瓶的爆炸視圖如圖4.7所示。
圖4.7 M1000A氣瓶的爆炸視圖
4.3 氣瓶工藝
4.3.1 氣瓶的清洗
氣瓶使用一段時間后如果發(fā)現(xiàn)氣瓶內(nèi)部有銹蝕銹皮或其他外界固體，應對氣瓶內(nèi)壁進行機械清洗，之后用清水沖洗、干燥。機械清洗方法有：
（1）金屬絲刷，通過瓶口插入一個設(shè)計合理的金屬絲刷，用電鉆或車床帶動并使其在瓶內(nèi)上下左右移動；
（2）滾動磨光，把一定量硬質(zhì)磨料（例如多角鑄鐵）放在瓶內(nèi)，然后使氣瓶擺動或搖動旋轉(zhuǎn)；
（3）噴丸，將氣瓶倒立，噴丸或噴砂，噴嘴相對于氣瓶表面運動。
4.3.2 氣瓶的烘干
氣瓶水壓試驗或清洗后，內(nèi)表面的水或溶液很難弄干，這些水留在氣瓶內(nèi)表面會引起內(nèi)表面銹蝕。氣瓶烘干裝置用于氣瓶水壓試驗完成后，將氣瓶內(nèi)表面的水去除干凈。它是通過用加熱的空氣不斷吹入氣瓶內(nèi)，將氣瓶內(nèi)表面的水變?yōu)樗缓笤匐S氣流流出氣瓶外，達到烘干氣瓶的目的。
4.3.3 氣瓶的檢查
焊接氣瓶的定期檢驗應包括內(nèi)外表面檢驗、焊縫檢驗、瓶重測定、耐壓試驗、主要附件檢驗及氣瓶氣密性試驗。氣瓶應逐只進行內(nèi)外表面檢驗。檢驗內(nèi)容與要求應遵照下列規(guī)定：
（1）氣瓶瓶壁不允許有裂紋、氣泡、結(jié)疤、折疊和夾雜等缺陷；
（2）瓶壁如果存在凹陷（受撞擊或擠壓而在瓶體上形成的外表面塌陷）時，凹陷的深度應不大于該凹陷長徑（即最大尺寸）的1/10，且其邊緣不允許有突變的棱角，凹陷內(nèi)不允許有深度超過0.5mm的劃痕。凹陷內(nèi)包含有焊縫或其熱影響區(qū)時，其最大深度不得超過6mm；
（3）氣瓶表面有腐蝕缺陷時，應測定腐蝕處的剩余壁厚。點狀腐蝕處的剩余壁厚，不得小于氣瓶計算最小壁厚的2/3。線狀腐蝕和面腐蝕處的剩余壁厚，不得小于計算最小壁厚的80%；???
（4）氣瓶不允許有肉眼可見的塑性變形，各橫斷面的周長伸長率都應小于1%。發(fā)現(xiàn)瓶壁有劃痕時，應測定其剩余壁厚。劃痕處的剩余壁厚不得小于計算最小壁厚的80%。氣瓶的瓶壁金屬不允許有燒傷，也不允許存在因被燒而引起的瓶體變形[18]。
結(jié)束語
在經(jīng)濟高速發(fā)展的現(xiàn)代化社會中，為適應市場的競爭需要，對計算機輔助設(shè)計與制造技術(shù)的研究與應用已越來越受到人們的重視。三維CAD系統(tǒng)成為現(xiàn)代技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品設(shè)計的有效輔助工具，也是產(chǎn)品設(shè)計的最終出路。如果再集成有有限元分析軟件，將更加顯著地提高設(shè)計質(zhì)量和效果。對于大幅度替代或減少試制各個設(shè)計部門的協(xié)調(diào)、配合、設(shè)計數(shù)據(jù)的管理和使用，具有更大的實際意義。
本文以SolidWorks為工具，以一個實際的產(chǎn)品M200A氣瓶為研究對象，查閱了大量相關(guān)資料，參考了各種各樣的氣瓶，總結(jié)出一般氣瓶的設(shè)計思路，設(shè)計了M1000A氣瓶。本文完成的主要工作有：
（1） 完成了對M1000A氣瓶的總體設(shè)計方案。
（2） 運用SolidWorks完成該氣瓶各個零件的三維造型和非標零件的工程圖。
（3） 在SolidWorks環(huán)境下完成該氣瓶的裝配及爆炸視圖。
對于機械工程專業(yè)的學生，在氣瓶的整個設(shè)計過程中，能學到一門新的繪圖軟件，并很好地掌握了該CAD工具，進行相關(guān)的氣瓶設(shè)計工作，不僅達到了培養(yǎng)我運用通用的三維設(shè)計軟件完成產(chǎn)品的整個設(shè)計工作的能力，對我在今后的工作崗位上能夠更快地投入到工作中也起了決定性的作用。
致 謝
本次畢業(yè)設(shè)計，從論文選題到搜集資料，從寫稿到反復修改，期間我經(jīng)歷了喜悅、聒噪、痛苦和彷徨，在寫作論文的過程中心情是如此復雜。如今，伴隨著這篇畢業(yè)論文的最終成稿，復雜的心情煙消云散，自己甚至還有一點成就感。作為一個本科的畢業(yè)設(shè)計，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，但最終在老師的督促指導，以及一起學習的同學的支持下，完成了這個設(shè)計。
在這里首先要感謝我的導師黃新燕老師。她為人隨和熱情，治學嚴謹細心。在閑聊中她總是能像知心朋友一樣鼓勵我們，在論文的寫作和措辭等方面她也總會以“專業(yè)標準”嚴格要求我們。黃老師平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設(shè)計的每個階段，從外文翻譯、開題報告、模型建立到設(shè)計說明書的撰寫和修改等過程中都給予了我悉心的指導和督促。黃老師細心地糾正了我在前期開題報告和外文翻譯中的許多錯誤。
其次要感謝張樂瑩老師，她在我前期的工作中給予我很多幫助，細致地指導我，幫助我開拓研究思路，精心點撥、熱忱鼓勵。同時還要感謝和我一起做畢業(yè)設(shè)計的石芳、任蕾蕾和馬磊同學，他們在本次設(shè)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(shè)計。
然后還要感謝大學四年來所有的老師，為我們打下機械專業(yè)知識的基礎(chǔ)；感謝可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意！最后感謝我的母校—南京理工大學泰州科技學院四年來對我的大力栽培。
參 考 文 獻
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畢業(yè)設(shè)計課程定做 Q*Q=1714879127
南京理工大學泰州科技學院
學生畢業(yè)設(shè)計（論文）中期檢查表
學生姓名
許巧兵
學 號
05010247
指導教師
黃新燕
選題情況
課題名稱
M1000A氣瓶的三維造型設(shè)計
難易程度
偏難
適中
√
偏易
工作量
較大
合理
√
較小
符合規(guī)范化的要求
任務書
有
√
無
開題報告
有
√
無
外文翻譯質(zhì)量
優(yōu)
良
√
中
差
學習態(tài)度、出勤情況
好
√
一般
差
工作進度
快
按計劃進行
√
慢
中期工作匯報及解答問題情況
優(yōu)
√
良
中
差
中期成績評定：良好
所在專業(yè)意見：
該學生學習態(tài)度認真，能積極主動地完成布置的任務，達到所要求的工作進度。
負責人：
年 月 日
南京理工大學泰州科技學院
畢業(yè)設(shè)計（論文）任務書
系 部：
機械工程系
專 業(yè)：
機械工程及自動化
學 生 姓 名：
許巧兵
學 號：
05010247
設(shè)計(論文)題目：
M1000A氣瓶的三維造型設(shè)計
起 迄 日 期:
2009年03月09日 ～ 06月14日
設(shè)計(論文)地點:
南京理工大學泰州科技學院
指 導 教 師:
黃新燕 張樂瑩
專業(yè)負責人:
龔光容
發(fā)任務書日期: 2009年 2月 26日
任務書填寫要求
1．畢業(yè)設(shè)計（論文）任務書由指導教師根據(jù)各課題的具體情況填寫，經(jīng)學生所在專業(yè)的負責人審查、系部領(lǐng)導簽字后生效。此任務書應在第七學期結(jié)束前填好并發(fā)給學生；
2．任務書內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務處統(tǒng)一設(shè)計的電子文檔標準格式（可從教務處網(wǎng)頁上下載）打印，不得隨便涂改或潦草書寫，禁止打印在其它紙上后剪貼；
3．任務書內(nèi)填寫的內(nèi)容，必須和學生畢業(yè)設(shè)計（論文）完成的情況相一致，若有變更，應當經(jīng)過所在專業(yè)及系部主管領(lǐng)導審批后方可重新填寫；
4．任務書內(nèi)有關(guān)“系部”、“專業(yè)”等名稱的填寫，應寫中文全稱，不能寫數(shù)字代碼。學生的“學號”要寫全號；
5．任務書內(nèi)“主要參考文獻”的填寫，應按照國標GB 7714—2005《文后參考文獻著錄規(guī)則》的要求書寫，不能有隨意性；
6．有關(guān)年月日等日期的填寫，應當按照國標GB/T 7408—2005《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯數(shù)字書寫。如“2009年3月15日”或“2009-03-15”。
畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）任 務 書
1．本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題應達到的目的：
通過本次畢業(yè)設(shè)計，將進一步鞏固所學的機械設(shè)計、計算機輔助設(shè)計及輔助制造等機械制造領(lǐng)域的相關(guān)專業(yè)知識，并鍛煉其運用所學的知識來分析和解決問題的能力。在畢業(yè)設(shè)計中，通過對通用CAD設(shè)計軟件工具的運用，也可進一步提高學生對新知識的學習、運用能力。本次畢業(yè)設(shè)計也可培養(yǎng)學生外文文獻的閱讀和翻譯以及相關(guān)資料的查閱能力，從而從整體上提高學生的綜合素質(zhì)。
2．本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題任務的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）：
本次畢業(yè)設(shè)計的課題是氣瓶的三維造型設(shè)計。該同學在這個課題中主要負責完成氣瓶這個產(chǎn)品中各零件的三維造型、工程圖生成及最終的裝配并制定相應的工藝文件。
具體要求包括：
（1）外文資料翻譯，至少3000字；
（2）閱讀相關(guān)文獻資料，了解國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，撰寫文獻綜述；
（3）氣瓶材料采用316L和1Cr18Ni9Ti；
（4）氣瓶的內(nèi)表面粗糙度，機加工應達到1.6,機械拋光應達到0.1，最后經(jīng)電拋光處理；
（5）氣瓶直徑，瓶身高151；
（6）利用通用CAD軟件完成零件造型、裝配及工程圖生成；
（7）撰寫畢業(yè)設(shè)計論文說明書；
畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）任 務 書
3．對本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題成果的要求〔包括畢業(yè)設(shè)計論文、圖表、實物樣品等〕：
1．氣瓶全套二維工程圖
2．氣瓶全套三維造型文檔
3．畢業(yè)設(shè)計說明書（一份）
4．主要參考文獻：
[1] 陳伯雄. 三維設(shè)計是CAD技術(shù)應用的必然趨勢. 北京：機械工業(yè)出版社，2000
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[10] 李啟炎.《三維CAD設(shè)計及制圖教程》. 上海：同濟大學出版社,2000
畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）任 務 書
5．本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題工作進度計劃：
起 迄 日 期
工 作 內(nèi) 容
2009年
3月9日 ~ 3月19日
3月20日 ~ 4月9 日
4月10日 ~ 5月1日
5月2日 ~ 5月10 日
5月11日 ~ 5月20日
5月21日 ~ 6月5日
6月6日 ~ 6月10日
6月11日 ~ 6月14日
下達畢業(yè)設(shè)計任務，翻譯英文資料，完成資料的查詢
完成文獻綜述和開題報告和課題前期準備
零件的三維造型設(shè)計
產(chǎn)品的裝配
撰寫工藝文件
撰寫論文
修改論文
論文答辯
所在專業(yè)審查意見：
負責人：
年 月 日
系部意見：
系部主任：
年 月 日