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1 引言 1.1 本課題研究背景和意義 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。氣體應(yīng)用技術(shù)在發(fā)達國家已經(jīng)達到很高水平，全世界已有130種氣體要用氣瓶充裝，中國也達到了80余種。據(jù)統(tǒng)計，國民生產(chǎn)總值每增加1%，氣瓶需求量就增加1.5%，而國際市場每年大約以5%的速度增長。全世界年需求氣瓶量可達到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”為特點的復(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用，也不會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。但鉬是有毒物質(zhì)，所以鉬源氣瓶要求很高的密封性。 1.2 氣瓶的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 自上世紀后半葉以來，復(fù)合材料氣瓶在西方國家得到飛速的發(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。改革開放后的中國自然也有所作為，國內(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。 國內(nèi)的研發(fā)項目已經(jīng)解決了CNG氣瓶殼體預(yù)緊壓力設(shè)計和樹脂配方設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)，完成了樹脂配方全部原材料實現(xiàn)國產(chǎn)化及定型工作、建立了力學(xué)計算模型，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、公益性試驗及振動和疲勞性能研究、設(shè)計制造了兩工位計算機控制纖維纏繞機并形成了小規(guī)模生產(chǎn)能力的生產(chǎn)線，該技術(shù)還可在國防領(lǐng)域得到相關(guān)應(yīng)用。 目前，國內(nèi)對氣瓶的研究內(nèi)容有：對鋼制內(nèi)膽環(huán)向纖維纏繞氣瓶進行系統(tǒng)研究[2]；對氣瓶設(shè)計、結(jié)構(gòu)和受力情況進行有限元分析[3]；對氣瓶進行優(yōu)化設(shè)計，對氣瓶的制造工藝提出全面分析，提出優(yōu)化制造工藝[4]；對鋼內(nèi)膽和復(fù)合材料層在疲勞試驗中的模量匹配問題進行深入研究，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]。 我國的復(fù)合材料氣瓶產(chǎn)業(yè)雖然才剛剛起步，但我國的纖維纏繞技術(shù)根基深厚，氣瓶制造只要堅持下去，必有成績和回報[6]。而計算機三維設(shè)計的引入給設(shè)計領(lǐng)域的傳統(tǒng)方法帶來了一場變革，準確掌握和應(yīng)用計算機輔助設(shè)計技術(shù)，對軟件行業(yè)及機械行業(yè)都有著重大對意義。 1.3 本文的具體工作 本文的具體工作如下： (1) 對M200A氣瓶現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)、原理進行詳細分析； (2) 設(shè)計M200A氣瓶的整體結(jié)構(gòu)，并運用SolidWorks三維建模軟件建立氣瓶的實體模型； (3) 完成M200A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； (4) 制定相應(yīng)的工藝文件。 2 M200A氣瓶的總體設(shè)計 M200A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(xué)規(guī)律。本課題設(shè)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(shè)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(chǎn)中，對氣瓶的焊縫質(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)，可以知道一個氣瓶大致有以下幾個部分組成：瓶身、進氣管、排氣管、控制閥門等。其工作原理也很簡單：由進氣管充氣，通過控制閥門的開/關(guān)進行氣體的排放?？紤]到所設(shè)計的氣瓶用到的場合較特殊，每個部件需仔細對比方案后再進行設(shè)計。 2.2 方案的比較及確定 在正式用軟件對零件進行三維造型設(shè)計之前，需有一個方案的確定。所以，一般某個零件的設(shè)計都是先制定處二至三個方案，然后討論篩選出較為滿意的方案進行深入，深入過程實際是進一步細化。討論并最終確定方案，這時的方案會比較細致，包括產(chǎn)品系列化方案、顏色方案等等。下面就對每一個具體的零件進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。 瓶身的設(shè)計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)點是耐用、密封性好；相對的缺點就是造價比較高。 (2) 單層瓶身。這種瓶身的優(yōu)點就是造價相對低；缺點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，儲存盡可能多的氣體，且造價也不宜太高，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)計處增加了一個小凹槽，這樣就能保證氣體不浪費了。 瓶蓋的方案：瓶蓋上需焊接進氣管和排氣管，需挖兩個孔。但考慮到本文所設(shè)計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清洗閥，便于瓶身的清洗。所以在瓶蓋上還需開一個孔，用來焊接清洗閥。 2.2.2 進氣管和排氣管的方案 進氣管和排氣管都可以設(shè)計成彎曲的造型和筆直的管，考慮整個氣瓶的美觀性，本文采用彎管。 2.2.3 瓶內(nèi)管的設(shè)計 氣體的排放如若經(jīng)過一個管道則會排放的更加干凈，所以本文的設(shè)計增加了一根瓶內(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，裝配時管子的兩端需對準孔和凹槽。 2.2.4 通氣閥的設(shè)計 沖入氣體和排出氣體都需要通過一個部件，那就是通氣帽。通氣帽由五個零件構(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。 2.2.5 其它部件的設(shè)計或選用 氣體排放的速度和量的多少由一種標(biāo)準件——VCR接頭控制。所謂標(biāo)準件，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 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的放置，可以直接吊在繩索上。 至此，M200A氣瓶的總體設(shè)計就基本上完成了。下面就可以用三維造型軟件進行具體的設(shè)計了。 3 M200A氣瓶的三維造型 ?隨著計算機輔助設(shè)計技術(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)代機械產(chǎn)品設(shè)計逐步進入三維設(shè)計時代。三維設(shè)計具有形象、直觀、精確、快速的特點，在產(chǎn)品開發(fā)、結(jié)構(gòu)分析、產(chǎn)品性能的評估、確定和優(yōu)化物理樣機參數(shù)過程中起到?jīng)Q定性作用，為新產(chǎn)品研發(fā)一次成功，提供了強有力的技術(shù)支持。 3.1 三維造型軟件介紹 目前,市場上流行很多三維設(shè)計軟件,如Pro /E、UG、CAXA 、SolidWorks等,這些三維設(shè)計軟件都具有強大的實體建模、參數(shù)化特征造型、曲面造型和大型裝配處理等功能,它們被廣泛用于機械、汽車、航空等領(lǐng)域。 美國PTC公司開發(fā)的Pro/E軟件是基于參數(shù)化的三維實體設(shè)計軟件，共有近30個大模塊，其功能非常強大，幾乎涵蓋了機械學(xué)科的各個專業(yè)。其中，實體造型、曲面造型、模具設(shè)計、數(shù)控加工、虛擬裝配、運動仿真、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Solid Works公司在總結(jié)和繼承了大型機械CAD 軟件的基礎(chǔ)上,在Windows環(huán)境下實現(xiàn)的第一個機械三維CAD軟件。它全面采用非全約束的特征建模技術(shù),其設(shè)計過程全相關(guān)性,可以在設(shè)計過程的任何階段修改設(shè)計。該軟件具有產(chǎn)品配置功能,可以為用戶設(shè)計不同構(gòu)性的產(chǎn)品。它集成了設(shè)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(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(shù)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換傳送。 SolidWorks軟件的主要特點: (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)境下的布局草圖進行關(guān)聯(lián)設(shè)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(shè)計簡單明快、形象化, 一看即知。系統(tǒng)的所有參數(shù)設(shè)置全部集中在一個選項中, 容易查找和設(shè)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(zhuǎn)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(qū)動且基于特征的三維設(shè)計軟件, 具有構(gòu)造歷史以供事后修改, 更加適合學(xué)生在機械制圖綜合實踐中使用[8]。 3.2 M200A氣瓶的三維造型 設(shè)計的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、進氣管、內(nèi)管、排氣管等零件組成。 3.2.1 清洗閥的設(shè)計 清洗閥是M200A氣瓶中的關(guān)鍵部件，它既用于清洗，還可以檢測所剩氣體的多少。所以在設(shè)計清洗閥的時候應(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(jīng)濟合理。清洗閥是標(biāo)準件，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 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。而為了使瓶內(nèi)的氣體完全排完，特別在瓶底挖了一個槽，這樣一個小小的設(shè)計就能保證氣體不浪費了。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 瓶蓋上三個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 瓶身作為瓶蓋與瓶體的連接體，也是氣體主要儲存的地方，對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 進氣管與排氣管的設(shè)計 進氣管與排氣管的設(shè)計思路是一樣的，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內(nèi)管連接，所以排氣管應(yīng)比進氣管短一些。進氣管和排氣管如圖12、圖13所示： 圖12 進氣管 圖13 排氣管 3.2.6 通氣閥的設(shè)計 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、排氣管，以及準確控制氣體流動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)計者思想的表達，是加工零部件的依據(jù)，是進行技術(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(shù)資料，從而簡化了工程圖樣的生成過程[9]。 SolidWorks工程圖文件中包含兩個獨立的部分：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、零件明細表及其定位等。由于圖紙格式在工程圖文件中相對比較穩(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，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)準圖紙格式、用戶圖紙格式與無圖紙格式。 (1) 標(biāo)準圖紙格式 SolidWorks提供了12種標(biāo)準圖紙格式，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)計符合自己的圖紙格式并儲存，以后用到的時候，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)計氣瓶的總體尺寸和各個零部件的尺寸，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)準三視圖 標(biāo)準三視圖能為零件或裝配體同時生成三個相關(guān)的默認正交視圖，默認的標(biāo)準三視圖為前視、上視及右視3個視圖。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，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、當(dāng)前模型視圖、上下二等角軸側(cè)及左右二等角軸測等多種視圖。 (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個正投影視圖中的其中一個視圖。 (4) 剖面視圖 剖面視圖可以顯示設(shè)計零件內(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的話，則可能無法了解斜面上的實際形狀。這時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械設(shè)計中更具優(yōu)勢和直觀性，但工人在制造零件時依據(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)準三視圖（如圖17） 圖17 通氣蓋工程圖 以上是通氣蓋的標(biāo)準三視圖，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 氣瓶在實際裝配時采用的是焊接形式，而不是簡單的機械連接，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(以下簡稱裝焊工藝) ,就是一個焊接結(jié)構(gòu)的實際生產(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,就是通過對焊接結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)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[11]。 本課題所設(shè)計的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，它的流動性能好，致密性強，成型美觀，韌性和強度較高，防腐蝕能力強，是化工容器的良好使用材料。對于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、實用和機械器具及技術(shù)性能方面考慮，還是采用手工電弧焊接較好[12]。裝配時根據(jù)1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼的特點、性能進行裝配加工。 氣瓶裝配時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→圓周焊→檢驗→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%, 裝配工作量占整個制造工作量的20%～70%, 且手工作業(yè)工作量大, 裝配自動化一直是制造自動化中的瓶頸問題。因此, 1980 年代初, 出現(xiàn)了對計算機輔助裝配規(guī)劃( Computer AidedAssembly Process Planning, CAAPP) 技術(shù)的研究。目前,計算機輔助裝配規(guī)劃已經(jīng)成為CAD 技術(shù)推廣應(yīng)用的熱點研究內(nèi)容之一, 其目的是給設(shè)計人員提供設(shè)計決策支持, 達到縮短產(chǎn)品設(shè)計周期, 提高產(chǎn)品裝配效率的目的。 SolidWorks為用戶提供了一個高效、易用的裝配設(shè)計環(huán)境。在這個環(huán)境中用戶既可以通過自底向上的方式將單個的零件裝配為低級的子裝配，進而由低級的子裝配組裝為更高一級的子裝配，最后完成整個裝配；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)計零件。在創(chuàng)建新零件時，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, 采用人機交互的方法, 工作量大, 人員要求高, 易出錯, 自動獲取優(yōu)先約束難度大, 優(yōu)點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, 但需借助知識去除那些理論上可行但實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) 基于知識的求解方法 基于知識的方法求解裝配序列, 采用一階謂詞邏輯來表達產(chǎn)品結(jié)構(gòu)序列優(yōu)先約束和裝配資源約束等知識。系統(tǒng)以產(chǎn)品CAD 模型為輸入, 通過人機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, 該方法對于特定產(chǎn)品的裝配序列求解比較有效, 缺點是適用面窄, 且領(lǐng)域知識的獲取較難。 （5) 基于矩陣運算的方法 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)運算進行變換規(guī)約, 簡化了聯(lián)結(jié)關(guān)系矩陣對應(yīng)的裝配序列。 4.2.2 裝配序列的評價及優(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。如何提出合適的評價指標(biāo)對所規(guī)劃的裝配序列進行評價意義重大, 目前, 采用的裝配序列評價方法主要有定性和定量兩種。 定性準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。定量因素有裝配時間、裝配成本等。定性準則主要為裝配順序的選擇提供有益的參考, 但不便實際應(yīng)用。定量的評價因素考慮了裝配工藝的特性, 為完成裝配順序的自動評價提供了量化的指標(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; 特征為兩個對應(yīng)的裝配特征占有相同的體積; 同時具有相同的參考原點; 平面特征間的貼合關(guān)系; 特征為兩個對應(yīng)的裝配特征不占有相同的體積, 但是互相接觸;平面特征間的對齊關(guān)系, 特征為兩個對應(yīng)的裝配特征不占有相同的體積, 但是相互對稱。裝配關(guān)系表達主要有以下幾種模型: （1) 關(guān)聯(lián)圖模型 采用關(guān)聯(lián)圖表達產(chǎn)品裝配關(guān)系的優(yōu)點是方法簡單, 缺點是零件之間的聯(lián)系并不對應(yīng)具體的裝配操作, 利用聯(lián)系圖模型難以實現(xiàn)自動裝配序列規(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應(yīng)的零件, 識別出裝配體的基礎(chǔ)件。 (3) 產(chǎn)品等級裝配模型 產(chǎn)品總是由一個或多個功能部件和零件裝配而成,這些部件分別實現(xiàn)自己的功能, 又往往包含下一級子裝配體, 下一級子裝配體又包含更下一級子裝配體, 如此拆分, 直到最終不可拆分的零件。等級模型用子裝配體表達一組功能上或物理結(jié)構(gòu)上相關(guān)的零件集，其優(yōu)點是能表達產(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：進氣管和排氣管分別與瓶蓋焊接，注意裝配時彎管的角度；同時清洗閥伸入瓶蓋上Φ16孔內(nèi)與瓶蓋焊接；然后瓶內(nèi)管插入入口管3mm后與排氣管進行定位焊，注意使兩根管子在同一平面內(nèi)。 (3) 再次是進行圓周焊：先是瓶蓋連同上面已經(jīng)焊接好的進氣管、排氣管、通氣閥以及瓶內(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M200A氣瓶進行了深入細致的分析，深刻領(lǐng)會了它的結(jié)構(gòu)體系，設(shè)計方法，同時參考了國內(nèi)外氣瓶設(shè)計的先進實例，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)計思路，本文的具體工作如下： (1) 對M200A現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)、原理進行了詳細分析； (2) 設(shè)計了M200A氣瓶的整體結(jié)構(gòu)，并運用SolidWorks三維建模軟件建立了氣瓶的實體模型； (3) 細致研究了其各個部分的設(shè)計原理，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)計理念及設(shè)計思路，得出了氣瓶的設(shè)計流程。 由于作者的水平所限，很多地方考慮的還不是很全面。需要的改進的地方還有很多： (1) 論文中的M200A氣瓶的設(shè)計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，可能會不適合于本設(shè)計的思路。 (2) 氣瓶在實際的焊接裝配中要考慮很多問題，這個是理論設(shè)計考慮不到的，有些變量對結(jié)果影響很小，可以忽略不計，有些影響卻很大，這就造成了理論設(shè)計與實際生產(chǎn)的出入很大。另外這些誤差有的以現(xiàn)在的科技水平暫時還分析不出原因，這時往往用經(jīng)驗公式計算的結(jié)果更加準確，就拿經(jīng)驗公式代替了理論公式。但是經(jīng)驗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待。 通過總結(jié)，希望能為后續(xù)研究者提供一點思路，早日解決這些難題，給實際生產(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)計的過程中，導(dǎo)師對我進行了全面的訓(xùn)練，并且一直給予贊揚和肯定，使我深受鼓舞。導(dǎo)師淵博的知識、塌實的工作作風(fēng)、科學(xué)的工作方法、嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和敏銳的洞察力，使我深受教育。這些會給我以后的學(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)計中對我的督促。 感謝李小忠老師在畢業(yè)設(shè)計中對我的特別指導(dǎo)。 感謝同組的石芳、許巧兵、馬磊等同學(xué)在畢業(yè)設(shè)計過程中給予的熱情幫助和支持。 感謝評審老師在百忙中審查我的論文，并對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 [1] 張潔. 國內(nèi)復(fù)合材料氣瓶發(fā)展及氣瓶標(biāo)準概況[J]. 纖維復(fù)合材料， 2007, (3): 38～42. [2] 周海成等. 纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶的發(fā)展及其標(biāo)準情況[J]. 壓力容器， 2004，(9): 32～36. [3] 常新龍， 張曉軍， 劉新國， 簡斌. 復(fù)合材料氣瓶有限元分析與爆破壓力預(yù)測[J]. 火箭推進, 2008, 34(4)： 28～31. [4] 李小明， 邱桂杰， 劉錦霞. 某型復(fù)合材料氣瓶優(yōu)化設(shè)計[J]. 纖維復(fù)合材料， 2007， 24(1)： 21. [5] 陳汝訓(xùn). 復(fù)合材料天然氣氣瓶設(shè)計的幾個問題[J]. 宇航材料工藝，2001， (5): 55～57. [6] 林再文， 李濤， 孫浩偉等. 幾種纖維復(fù)合材料壓力容器的性能對比研究[J]. 纖維復(fù)合材料, 2005, 22(1)： 21. [7] 馬希青， 李河宗， 崔堅. 以Pro/E為支撐搭建基地平臺，強化實體設(shè)計課程建設(shè)[J]. 河北工程大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版）， 2007， 24（3）： 7～18. [8] 江慶. SolidWorks三維造型在機械制圖綜合實踐中的應(yīng)用[J]. 機械管理開發(fā)， 2008， 23（1）： 183～184 [9] 丁杰. 基于SolidWorks的機械零件參數(shù)化設(shè)計方法[J]. 甘肅科技， 2009， 25（3）： 20～21. [10] 張樂樂， 郭北苑， 胡仁喜. SolidWorks應(yīng)用教程[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社·北京交通大學(xué)出版社， 2007. 183～222. [11] 白二平， 朱志明， 陳丙森， 袁崇福， 張崇軻. 計算機輔助裝配焊接工藝設(shè)計[J]. 焊接， 2001， （6）： 22～25. [12] 易偉， 朱魁. 1Cr18Ni9Ti鋼管在脫硫系統(tǒng)中的裝配、焊接及其應(yīng)用[J]. WISCO TECHNOLOGY, 2003, 41(1): 54～61. [13] 樊兆寶. 某型號壓力氣瓶的焊接工藝[J]. 航空精密制造技術(shù)， 2008， 44（1）： 46～48. [14] 李云鵬. SolidWorks裝配解決方案[J]. 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[15] 卜云峰. 面向中小企業(yè)的計算機輔助裝配工藝規(guī)劃[J]. 機械工程師， 2007， （9）： 106～107. 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）中期檢查表 學(xué)生姓名 任蕾蕾 學(xué) 號 05010203 指導(dǎo)教師 黃新燕 選題情況 課題名稱 M200A 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(wù)書 有 √ 無 開題報告 有 √ 無 外文翻譯質(zhì)量 優(yōu) 良 √ 中 差 學(xué)習(xí)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(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度認真，能積極主動地完成布置的任務(wù)，達到所要求的工作進度。 負責(zé)人： 年 月 日 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 系　　　部： 機械工程系 專 業(yè)： 機械工程及自動化 學(xué) 生 姓 名： 任蕾蕾 學(xué) 號： 05010203 設(shè)計(論文)題目： M200A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(xué)泰州科技學(xué)院 指 導(dǎo) 教 師: 黃新燕 張樂瑩 專業(yè)負責(zé)人: 龔光容 發(fā)任務(wù)書日期: 2009年 2月 26日  任務(wù)書填寫要求 1．畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書由指導(dǎo)教師根據(jù)各課題的具體情況填寫，經(jīng)學(xué)生所在專業(yè)的負責(zé)人審查、系部領(lǐng)導(dǎo)簽字后生效。此任務(wù)書應(yīng)在第七學(xué)期結(jié)束前填好并發(fā)給學(xué)生； 2．任務(wù)書內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計的電子文檔標(biāo)準格式（可從教務(wù)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(wù)書內(nèi)填寫的內(nèi)容，必須和學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）完成的情況相一致，若有變更，應(yīng)當(dāng)經(jīng)過所在專業(yè)及系部主管領(lǐng)導(dǎo)審批后方可重新填寫； 4．任務(wù)書內(nèi)有關(guān)“系部”、“專業(yè)”等名稱的填寫，應(yīng)寫中文全稱，不能寫數(shù)字代碼。學(xué)生的“學(xué)號”要寫全號； 5．任務(wù)書內(nèi)“主要參考文獻”的填寫，應(yīng)按照國標(biāo)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(yīng)當(dāng)按照國標(biāo)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?dāng)?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(wù) 書 1．本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題應(yīng)達到的目的： 通過本次畢業(yè)設(shè)計，將進一步鞏固所學(xué)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(xué)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(xué)生對新知識的學(xué)習(xí)、運用能力。本次畢業(yè)設(shè)計也可培養(yǎng)學(xué)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(xué)生的綜合素質(zhì)。 2．本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題任務(wù)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(xué)在這個課題中主要負責(zé)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(yīng)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(yīng)達到1.6,機械拋光應(yīng)達到0.1，最后經(jīng)電拋光處理； （5）氣瓶直徑，瓶身高150； （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(wù) 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(yīng)用的必然趨勢. 北京：機械工業(yè)出版社，2000 [2] 劉永翔. 產(chǎn)品設(shè)計實用基礎(chǔ)[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003 [3] 康曉東. CAD技術(shù)(上)[J]. 機械工程師,1997 [4] 許發(fā)樾. 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計. 北京:機械工業(yè)出版社，2003 [5] 李德群.現(xiàn)代模具設(shè)計方法.北京:機械工業(yè)出版社，2001 [6] 張阿維,王會燃. 計算機輔助工業(yè)設(shè)計的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 西北紡織工學(xué)院學(xué)報,1999 [7] 袁波. 基于三維模型的二三維一體化設(shè)計. 計算機輔助設(shè)計與制造，1998 [8] 評測專家組. 三維CAD/CAM軟件評測總結(jié). 計算機輔助設(shè)計與制造，1999 [9] 樊柄輝，李江云. 《三維參數(shù)化特征造型機械CAD》．北京：清華大學(xué)出版社，1999 [10] 李啟炎.《三維CAD設(shè)計及制圖教程》. 上海：同濟大學(xué)出版社,2000 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）任 務(wù) 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(wù)，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(zé)人： 年 月 日 系部意見： 系部主任： 年 月 日