作為國資委管理的53家重要骨干企業(yè)之一，中國第二重型機械集團(tuán)公司(簡稱中國二重)始建于1958 年，1971年建成投產(chǎn)，是中國最大的重大技術(shù)裝備研制基地之一。多年來，中國二重的研發(fā)工作始終圍繞國家發(fā)展裝備制造業(yè)的方針政策而開展，具有國內(nèi)領(lǐng)先的冶金、礦山等領(lǐng)域的重型裝備，核電、火電和水電機組大型鑄鍛件，重型壓力容器和大型傳動裝備的技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)能力，先后為冶金、礦山、能源、交通、汽車、石油化工、航空航天等國民經(jīng)濟(jì)各部門和國防建設(shè)提供了上百萬噸重大技術(shù)裝備。許多產(chǎn)品填補了國內(nèi)空白，替代了進(jìn)口，在國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)中發(fā)揮著不可替代的重要作用。出色的業(yè)績使得中國二重成為國家級創(chuàng)新型(試點)企業(yè)，四川省高新技術(shù)示范企業(yè)，國家專利試點先進(jìn)單位和國家首批知識產(chǎn)權(quán)示范創(chuàng)建單位。近年來，中國二重在研發(fā)設(shè)計方面不斷探索、不斷創(chuàng)新，極大提高了產(chǎn)品設(shè)計效率，在激烈的市場競爭中站穩(wěn)了腳跟。

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圖一 集團(tuán)公司技術(shù)中心大樓

研發(fā)設(shè)計的機遇與挑戰(zhàn)

中國二重一直將研發(fā)設(shè)計創(chuàng)新作為集團(tuán)重要的工作，下屬兩個國家級研發(fā)平臺：中國二重國家級企業(yè)技術(shù)中心和大型鑄鍛件數(shù)值模擬國家工程實驗室。技術(shù)中心下設(shè)七個專業(yè)研發(fā)院所：重型機械設(shè)計研究院、大型鑄鍛件研究所、工藝研究所、重型壓力容器與核電技術(shù)研究所、傳動技術(shù)研究所、信息技術(shù)所和計量技術(shù)所。中國二重具有雄厚的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)和強大的產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計和制造能力。擁有國家級技術(shù)中心、工程實驗室和博士后工作站，擁有160MN水壓機等主要生產(chǎn)設(shè)備6600臺，具備一次性冶煉900t鋼水、澆注600t鋼錠、產(chǎn)出500t成品鑄件及250t成品鍛件的能力，是中國最大的冶金成套設(shè)備、核電、水電、火電成套鑄鍛件、重型壓力容器、大型傳動件、大型成套航空模鍛件等重大技術(shù)裝備制造基地。

然而，隨著業(yè)務(wù)的開展客戶的需求也在發(fā)生變化：如今的機械制造業(yè)不再是單一的機械設(shè)備制造，而是要為用戶提供成臺套裝備，這就要求制造商具有更全面、強大的技術(shù)支持。目前各重型機械制造業(yè)都在積極尋求進(jìn)一步加強設(shè)計能力、改進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短生產(chǎn)制造周期、降低生產(chǎn)制造成本等項問題的解決方案。有了完善可行的解決方案，才能在當(dāng)前國際國內(nèi)激烈的市場競爭中站穩(wěn)腳跟，長足發(fā)展。中國二重也不例外，在科研開發(fā)、設(shè)計制造等領(lǐng)域都面臨著這樣的挑戰(zhàn)。

如何應(yīng)對挑戰(zhàn)?

在高速發(fā)展的信息化時代，傳統(tǒng)的設(shè)計方法已不能滿足目前快節(jié)奏的生產(chǎn)方式了，更好地應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計方法和手段，是最好的選擇。為此，中國二重在市場開拓、產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)制造等方面采取了多項改進(jìn)措施來應(yīng)對目前的挑戰(zhàn)。在科研開發(fā)、產(chǎn)品設(shè)計方面，提高了CAD/CAE技術(shù)的應(yīng)用深度和范圍，制定了多種考核方式來促進(jìn)工程技術(shù)人員盡快提高應(yīng)用CAD/CAE技術(shù)的技巧和能力。

早在十幾年前，集團(tuán)公司就在實施甩圖板工作時選用了AutoCAD作為二維CAD工具，如今，無論是推廣應(yīng)用三維CAD/CAE技術(shù)還是選擇整體解決方案，都離不開已有的二維工程圖紙和多年設(shè)計經(jīng)驗的積累。因此，選取歐特克解決方案是有效利用已有資源、提升效率的最佳選擇。集團(tuán)公司設(shè)計研究院從1993年開始實施甩圖板工作，針對AutoCAD軟件的應(yīng)用，先后舉辦了多期CAD技術(shù)培訓(xùn)班，普及推廣后陸續(xù)購買了歐特克產(chǎn)品：AutoCAD和Autodesk Inventor，這也是集團(tuán)公司設(shè)計研究院目前主要使用的CAD軟件。CAE方面，集團(tuán)公司目前正在試用歐特克的Autodesk Simulation Mechanical & Multiphysics軟件，并不斷總結(jié)經(jīng)驗和需求。不斷的發(fā)展，不斷的創(chuàng)新。中國二重研發(fā)設(shè)計的下一步計劃是將重點放在成臺套設(shè)備的整體應(yīng)用分析上，以解決整體設(shè)備的數(shù)字樣機制作、整體測試、工況模擬、應(yīng)力分析等問題。

“實踐證明，三維技術(shù)的應(yīng)用能夠有效地滿足企業(yè)對新產(chǎn)品快速研發(fā)、設(shè)計和產(chǎn)品知識積累的需求。不但大大提高設(shè)計效率，在優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計方面也效果卓著。”中國二重設(shè)計研究院教授級高級工程師、傳動技術(shù)研究所傳動設(shè)計二室室主任譚仁萬表示。

從設(shè)計實例看三維設(shè)計的應(yīng)用經(jīng)驗

現(xiàn)在以萬向接軸系列化產(chǎn)品的開發(fā)為例，對中國二重使用歐特克解決方案的應(yīng)用情況和經(jīng)驗作簡介。

十字軸式萬向接軸是機械行業(yè)廣泛應(yīng)用的傳動件之一，對于這類具有標(biāo)準(zhǔn)系列的產(chǎn)品，經(jīng)參數(shù)化驅(qū)動后，應(yīng)用Inventor來完成設(shè)計工作，更加能夠顯示出Inventor在產(chǎn)品設(shè)計中的優(yōu)越性和高效率。

我們利用Inventor對SWC/SWZ/SWP型萬向接軸進(jìn)行了三維參數(shù)化設(shè)計軟件開發(fā)，該軟件能夠快速、準(zhǔn)確地生成各系列聯(lián)軸器的三維零部件實體和完整的裝配體，并用優(yōu)化后的數(shù)據(jù)修正三維模型，使得這類型號的萬向接軸的結(jié)構(gòu)更合理，從而進(jìn)一步提高產(chǎn)品的承載能力和機械性能特性，有效地提升產(chǎn)品的設(shè)計和制造水平。高效率地開發(fā)設(shè)計出聯(lián)軸器各種規(guī)格的系列化產(chǎn)品，有效縮短設(shè)計和制造周期、提高產(chǎn)品技術(shù)性能、節(jié)約制造成本，產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

在軟件開發(fā)中，我們重點考慮和解決了以下幾個問題：

1、十字萬向接軸參數(shù)驅(qū)動與強度問題：十字萬向接軸不但規(guī)格系列較多，并且各系列產(chǎn)品設(shè)計中均涉及很多待定尺寸，各尺寸之間又涉及到裝配關(guān)系和強度之間存在互相影響、相互矛盾的問題，需要多次反復(fù)計算校核，才能確定結(jié)構(gòu)型式方案，盡管如此也不能優(yōu)化的解決裝配關(guān)系與強度之間的問題。并且該產(chǎn)品使用傾角大，相互運動件容易產(chǎn)生干涉，尤其是SWC型的整體鑄造叉頭，空間曲面多，形狀復(fù)雜，強度要求高，是造成干涉的主要零件之一，該件是該類萬向接軸的關(guān)鍵零件，也是應(yīng)力最大的零件，因此，在設(shè)計階段，要提高萬向接軸的承載能力，延長其壽命，就必須對其關(guān)鍵零部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和必要的強度分析。該軟件解決了聯(lián)軸器零部件的快速編輯和強度校核問題。

2、工程圖生成中存在的問題：由于萬向接軸零件較多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間曲面多，輪廓線繪制困難，且圖面尺寸及形位差較多，人為標(biāo)注尺寸時容易出現(xiàn)錯誤和漏洞。為確保圖紙的正確性，避免人為繪制工程圖出現(xiàn)錯誤的問題，提高設(shè)計效率和質(zhì)量，我們采用了工程圖尺寸標(biāo)注數(shù)據(jù)和三維模型驅(qū)動數(shù)據(jù)共用一個數(shù)據(jù)庫的方式，有效地解決了工程圖標(biāo)注數(shù)據(jù)與三維模型驅(qū)動數(shù)據(jù)一致性的問題，

3、脹箱導(dǎo)致的干涉問題：由于鑄造時脹箱、重要尺寸偏差與圖紙給出的偏差產(chǎn)生較大誤差等原因的影響，致使整體鑄造叉頭實體可能存與相關(guān)件嚴(yán)重干涉或者重要部位的強度減弱的問題，這兩種情況都會對產(chǎn)品的生產(chǎn)和質(zhì)量造成非常嚴(yán)重的影響。在裝配時若存在嚴(yán)重干涉問題，無法達(dá)到設(shè)計傾角要求。只能在反復(fù)的修整后才能確定干涉部位及干涉程度，而干涉部位要在機床上切削加工后再進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)干涉后再上機床加工，如此反復(fù)修整才能解決整體鑄造叉頭干涉的問題。這樣既影響到該設(shè)備的出產(chǎn)進(jìn)度，無法保證交貨時間，同時又長時間占用機床，嚴(yán)重影響其它產(chǎn)品的進(jìn)度，造成人力和資源的浪費。利用該軟件，可以在Inventor環(huán)境下很好地解決上述問題，有效地提高設(shè)計效率，縮短了生產(chǎn)制造周期。

軟件的開發(fā)為設(shè)計者提供了良好的操作界面，即使不熟悉Inventor的設(shè)計人員，也能利用該軟件設(shè)計快速地完成十字軸式萬向聯(lián)軸器的設(shè)計工作。軟件采用了外部執(zhí)行文件與Inventor交互操作的模式運行，可在Inventor 2010~2012環(huán)境下運行。

圖二~圖五是軟件運行的主控界面和完成的相應(yīng)工作結(jié)果。

 
圖二 參數(shù)化設(shè)計程序主控截面

 
圖三 完成后的SWC型聯(lián)軸器接軸裝配

 
圖四 聯(lián)軸器工程圖生成主控界面

 
圖五 生成后的法蘭叉頭工程圖

應(yīng)用效益評價

萬向接軸系列化產(chǎn)品的開發(fā)已在Autodesk Inventor(三維部分)/AutoCAD(工程圖部分)平臺上成功運行。目前，設(shè)計研究院傳動所設(shè)計的該類萬向接軸全部采用該系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，在通鋼1450E1萬向接軸、重鋼1780 E1萬向接軸、柳鋼1450F1E萬向接軸、東北特鋼小棒萬向接軸系列等設(shè)計工作中得到深入應(yīng)用(應(yīng)用情況見表2)，應(yīng)用情況良好。在設(shè)計周期上，以前傳統(tǒng)的設(shè)計方式設(shè)計一套較為復(fù)雜的伸縮式SWC型十字萬向接軸需要的時間大概為：方案設(shè)計(7天)、強度分析(7天)、詳細(xì)設(shè)計及工程圖繪制(30天)，共需要約44天完成設(shè)計工作，而本項目的研究成功，可以在約7天的時間內(nèi)完成設(shè)計工作，僅為原設(shè)計時間的16%，大大的提高了設(shè)計效率。實踐證明，該技術(shù)的應(yīng)用能夠有效地滿足企業(yè)對新產(chǎn)品快速研發(fā)、設(shè)計和產(chǎn)品知識積累的需求。

在設(shè)計十字軸式萬向接軸的過程中，使用Inventor二次開發(fā)軟件快速、準(zhǔn)確地生成相應(yīng)的零部件三維模型，對關(guān)鍵件進(jìn)行強度分析，萬向節(jié)傾轉(zhuǎn)干涉分析，然后對其中關(guān)鍵尺寸進(jìn)行優(yōu)化、修正，最終生成工程圖用于生產(chǎn)。在這一設(shè)計周期中，我們使用Inventor二次開發(fā)軟件后，極大地提高了工作效率，而且經(jīng)過強度及過盈分析后，零部件的強度及結(jié)構(gòu)都能得到最大的優(yōu)化，并且能夠避免形狀復(fù)雜的法蘭叉頭在無法精確控制其傾轉(zhuǎn)時不出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。有效縮短了設(shè)計和制造周期、提高產(chǎn)品技術(shù)性能、節(jié)約制造成本，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。