本文探討研究了對薄膜蒸發器的遠程三維設計系統。

　　機械攪拌式薄膜蒸發器(以下簡稱薄膜蒸發器)，作為一種典型的蒸發設備，具有普通蒸發器無法比擬的優點，廣泛應用于食品、制藥等行業。目前國內薄膜蒸發器的結構設計基本上采用二維系統，工程設計人員需要進行大量煩瑣的繪圖工作，且圖紙不具直觀性。三維模型不僅可以更加全面地反映設計意圖，還可以方便地生成工程圖紙，并在此基礎上進行虛擬裝配、干涉檢查、有限元分析、運動仿真等CAE開發。遠程設計可以快速響應市場變化，減小投資風險，提高設計效率，為網絡化制造和進一步優化分析奠定基礎。本系統以刮板式薄膜蒸發器為研究對象，在自行開發的二維CAD參數化設計系統基礎上，以VB的Web Class技術對SolidWorks進行了二次開發，集成使用了ASP技術、參數化技術和Access數據庫技術，實現了刮板式薄膜蒸發器(以下薄膜蒸發器均指刮板式)遠程三維設計系統，同時為其它類型攪拌設備遠程設計系統的開發提供了技術參考。

　　1薄膜蒸發器三維造型參數化設計

　　1.1建模方法

　　在SolidWorks中參數化建模可以通過2種方法實現;一種方法是用戶通過編程生成需要的模型，稱為程序化參數建模;另一種方法是利用已有的模型，通過修改模型參數的方法得到需要的模型，稱為參數修改法建模。

　　從程序編制和用戶角度，結合薄膜蒸發器設備的結構特點，采用參數修改法實現參數化建模。該方法較程序化參數建模具有程序編制簡單快捷、執行效率高、易于軟件維護、便于升級等優點。

　　1.2零件庫的建立

　　(1)繪制零件模型繪制零件草圖，通過拉伸、旋轉、切除等特征，創建零件模型，標注所有尺寸。

　　(2)定義驅動尺寸驅動尺寸是指實體特征的定義尺寸，通過更改驅動尺寸的大小，可以對特征重新生成。

　　(3)定義約束與驅動尺寸關系定義約束及驅動尺寸關系的目的是為了在零件重新生成之后仍能保持某些相對的位置關系。采用SolidWorks的方程式工具器定義驅動尺寸關系后，只需更改關鍵驅動尺寸即可重新生成整個零件。

　　(4)零件人庫將零件模型以一定的名稱命名，并保存于相應的路徑下;同時把零件的數據文件、關鍵驅動尺寸的名稱存人數據庫中。

　　1.3數據庫的建立

　　創建零件庫需要尺寸參數數據庫的支持，針對薄膜蒸發器零件多，尺寸參數復雜、工作量大等特點，建立了不同規格的薄膜蒸發器零部件尺寸參數數據庫。只要輸人薄膜蒸發器的規格，就可以查找其相應零部件的尺寸參數，針對某些需要修改的零件，進行尺寸調整，并保存相應尺寸至數據庫中。選用Microsoft Access作為數據庫管理系統。關鍵內容有2方面。

　　1.3.1分類建庫

　　(1)將薄膜蒸發器中標準件跟普通零件分開建庫。管法蘭、設備法蘭、支座等分別根據國家標準，建立相應的尺寸數據庫。

　　(2)確定薄膜蒸發器的各個部件，并以每個部件名字命名建立相應的數據庫，將各個部件下的零件的尺寸參數，建成數據庫下的各個表。

　　1.3.2確定各個零件間的關聯尺寸參數數據薄膜蒸發器

　　由幾十個零件組裝而成，其中不可避免出現相連接零件間的零件尺寸關聯。如果僅僅將各個零件的尺寸參數輸人數據庫，不僅數據增多，而且容易造成零件裝配出錯，見圖1。平板與短管裝配時，平板卜孔直徑與短管外徑相等，那么只要確定其中一個d值，就可以同時確定兩個尺寸。取平板上的d值，那么對短管，只要確定短管壁厚占和長度1，就可以繪制出短管的三維圖形。

　　2薄膜蒸發器虛擬裝配設計

　　2.1設計方法

　　針對薄膜蒸發器零件多，裝配復雜的特點，采用自頂向上為主、自底向上為輔的裝配建模方法薄膜蒸發器裝配體的裝配進行設計，見圖2。

　　首先對薄膜蒸發器裝配草圖設計，接著將整個裝配體逐級劃分出部件、子部件，一直到最底層的零件;然后進行詳細的零件設計、子部件設計和部件設計;最后，進行裝配體設計，完成產品最終裝配模型。在此基礎上通過修改裝配尺寸和零件尺寸對裝配圖進行參數化設計，對設計結果進行分析，判斷是否符合要求，井反饋到裝配設計和零部件設計。如此循環，直到裝配體達到設計要求為止。

　　2.2裝配模型的建立

　　裝配模型是表達組成裝配體的零件及零件間關系的數據結構。主要有關系模型、層次模型和面向對象模型3種。

　　關系模型不易表達裝配體中零件、子裝配體的體系結構，采用面向對象裝配模型建立描述薄膜蒸發器的體系結構較為困難。因此，采用層次模型建立薄膜蒸發器裝配模型，既彌補了關系模型的不足，又減輕了運用面向對象裝配模型建立薄膜蒸發器的體系結構帶來的困難。

　　依據薄膜蒸發器的結構特點和工作原理，建立薄膜蒸發器裝配模型，見圖3。

　　2.3裝配順序規劃

　　產品裝配順序是根據產品裝配模型所提供的零件之間的關系信息、零件的幾何信息以及裝配技術要求等，經過推理生成可行的裝配順序。綜合拆卸法和優先約束法的特點，采用了一種基于優先關系約束的半角矩陣法確立裝配順序生成算法。

　　(1)根據廣度優先進行搜索，確定形成各級裝配結點的裝配單元。如薄膜蒸發器的總裝配圖山分離筒、筒體、轉子、封頭、下蓋等子裝配體(零件)構成，轉子由主軸、刮板裝置、捕沫器、物料分布器等子裝配休(零件)構成。

　　(2)確定形成裝配結點的裝配單元的裝配順序。如確定形成薄膜蒸發器總裝配體的裝配單元分離筒、筒體、轉子、封頭、下蓋等的裝配順序。

　　(3)從由裝配層次模型的底層開始，逐層向根結點逼近，遞歸形成裝配體的裝配順序。

　　2.4裝配路徑規劃

　　裝配路徑規劃是虛擬裝配技術研究的重點之一。裝配順序規劃確定了零件裝配的順序，但沒有確定零件按照什么方向或路徑裝配。在機械裝配過程巾，每個零部件都是沿著初始的裝配軌跡運動到目標位置，若移動過程中不和其他零部件發生碰撞，則稱這樣的運動軌跡為該零部件的(可行)裝配路徑。裝配路徑規劃就是按照裝配順序給出每一個零部件單獨的裝配方式，也就是在一定的裝配順序下給出每一個零部件的裝配路徑。

　　采用基于VMap的裝配路徑規劃。裝配路徑規劃的算法流程，見圖4。

　　2.5裝配關系及裝配約束類型

　　根據模型結構及其功能要求，確定薄膜蒸發器中零件與零件、零件與子裝配體、子裝配體與子裝配體間的裝配約束關系。

　　裝配關系是產品裝配模型的核心，產品中零部件的裝配設計往往是通過相互之間的裝配關系表現出來。較常見的裝配關系有3類:定位關系、連接關系和運動關系，見圖5。

　　在SolidWorks中，提供了7種標準配合約束關系和7種高級配合約束關系、對薄膜蒸發器用到的幾種裝配配合類型是標準配合約束，主要有:重合(COINCIDENT)、同軸心(CONCENTRIC)、平行相距(DISTANCE)、角度(ANGLE)等。

　　薄膜蒸發器的裝配過程中用到的連接，主要有:螺紋連接、銷連接、焊接等。

　　2. 6虛擬裝配的實現

　　根據層次模型，由最底層開始，先確定薄膜蒸發器子裝配體中各零件問的約束關系，然后根據前文確定的裝配順序和裝配路徑進行裝配。圖6為薄膜蒸發器轉子裝配體的刮板裝置，根據前文提出的基于優先關系約束的半角矩陣法的裝配順序規劃，確定刮板裝置的裝配順序，以筋板作為基準件，其順序為:筋板→平板→短管→導槽→刮板→螺栓→螺母。同時由基于VMap的裝配路徑規劃方法，確定裝配軌跡)然后根據零件間的配合約束關系，調用SolidWorks API函數，實現刮板裝置的自動裝配。

　　2.7裝配干涉檢驗

　　在Youn和Wohn提出的一種用層級模型表達加速碰撞干涉檢查的方法和Cohen等提出的一種在交互環境下的精確干涉檢查方法的基礎上，采用一種基于包容盒的逐級分解的干涉檢驗算法。

　　當兩部件進行干涉檢驗時，通過調用SolidWorks API中干涉檢驗函數，自動對所選擇的零部件進行干涉檢驗。

　　在轉子的裝配過程中，采用基于包容盒的逐級分解的干涉檢驗算法能快速檢查出零部件裝配中的干涉情況，并通知系統及時調整參數，消除干涉。

　　3薄膜蒸發器遠程設計系統的實現

　　3.1系統總體結構

　　薄膜蒸發器遠程三維設計系統的目標是:實現基于B/S模式的跨平臺的薄膜蒸發器遠程三維設計。包括零部件和裝配圖的三維造型設計，虛擬裝配設計以及設計結果的預覽、修改和下載。為此確立了如圖7所示的系統總體結構。

　　(1)主界面用戶打開網址后首先看到的界面，主要是對薄膜蒸發器遠程三維設計系統的介紹，以及提供登陸人口。

　　(2)設計界面用戶在主界面中憑用戶名和密碼登陸后進人的界面，可以在該界面中輸入和修改設計參數，對設計模塊進行造型設計并提交，同時從臨時文件庫中將設計好的造型圖提供給用戶預覽。

　　(3)臨時文件庫用戶登陸后獲得的臨時文件夾，用于存儲設計時的造型圖及數據文件。

　　(4)設計數據庫設計數據庫在設計過程中提供參考數據、維持狀態和為三維設計系統提供基礎數據。

　　(5)各設計模塊從用戶界面中獲取相關尺寸，調用相應設計模塊進行零部件和裝配體的設計，并將設計結果保存在臨時文件庫中供用戶預覽和下載。

　　3. 2系統主要模塊的實現

　　3.2.1設計界面設計界面是聯系后臺與用戶的重要紐帶，它具有參數輸人和修改、檢查參數合法性、為后臺計算和設計傳遞參數3個功能。在Web Class中，有2種方式創建設計界面:創建HTML模板和直接輸出網頁代碼;使用兩者結合的方式創建設計界面。HTML模板是標準的HTML頁面，其中包含一些Web Class能夠在運行時用自定義信息替換的定界字段。根據薄膜蒸發器零部件關系及特點創建了如圖8所示的網頁模板，右面空白處設置類似 tageontents < /tagprefix tagname>的替換標記，在輸出模板時執行替換，給出用戶設計界面。

　　3.2.2數據庫系統數據庫系統在遠程設計過程中起著非常重要的作用，除了前文中的設計數據庫系統，數據庫還具有以下作用:

　　(1)提供參考設計數據為了方便用戶設計，系統根據工程實例提供了一套設計參數，它們存儲于相應數據庫中，輸出用戶界面時供系統檢索調用。

　　(2)維持狀態設計過程中有大量參數需要傳遞，如果僅用Session變量保存整個記錄集甚至記錄集數組，將很快消耗大量內存，勢必影響應用程序的響應性和擴展性。因此，系統使用數據庫維持狀態、用戶在界面中輸人參數后，系統將其存入數據庫，待用戶返回時輸出到界面供修改。

　　(3)為三維設計系統提供基礎數據系統設計過程，特別是零部件設計和裝配過程中，需要查找相關尺寸及其裝配關系，這些數據都分類存儲于數據庫中。

　　3.2.3參數化設計及裝配模塊參數化設計及裝配模塊是本系統中的核心部分，從零部件設計到裝配圖設計，各個部分都有相應的Webitem與之對應，Webitem負責響應用戶請求，輸出設計界面，每個webitem對應的form1事件負責接收設計界面傳來的數據，并調用各個設計模塊進行二維參數化設計。

　　3.2.4用戶信息及文件管理模塊用戶登陸后即為其設置臨時日錄，當用戶提交設計參數后將得到后綴名為SLDPRT的SolidWorks造型圖，以供預覽或下載，查看設計是否滿足要求。系統在服務器上設置3個文件庫，用戶登陸后將圖庫中的基礎數據和造型圖調到臨時文件庫中，系統將所有造型圖及數據存于臨時文件庫，供用戶預覽和下載，當用戶設計結束或離開系統時將臨時文件庫中所有資料轉至備份文件庫，供管理員查看，最后清空臨時文件庫。

　　在WebClass中存在造型圖更新滯后問題，即每次用戶修改完數據重新生成造型圖后卻只能得到修改前的造型圖。為了解決這個問題，在臨時圖庫巾設置了緩存文件夾，對每次生成的造型圖名添加隨機數，即每次生成不同名稱造型圖，強制系統尋找當前文件名以提供預覽，當用戶進行下部件設計時即認為用戶對該圖滿意，系統以特定名稱將造型圖存人臨時文件庫，以備后面調用和下載。

　　3. 3薄膜蒸發器遠程三維設計系統應用實例

　　以10 平方米薄膜蒸發器物料分布器的遠程設計為例來說明系統的實現過程。登陸系統后選擇物料分布器設計，進人如圖10所示的物料分布器設計界面，輸人設計參數后提交，設計完成后用戶可以下載或修改設計造型圖，圖11為在瀏覽器中預覽物料分布器設計結果。圖12、圖13為在瀏覽器中預覽轉子和總體裝配造型圖(為顯示內部結構，下筒體設置了隱藏)。

　　4結論

　　研究并開發了刮板式薄膜蒸發器遠程三維設計系統。系統的開發順應了CAD發展的趨勢，提高了薄膜蒸發器設計水平，縮短了開發周期并降低了設計成本，從而增強了市場競爭力，為CAE開發、工程圖的實現及其網絡化制造奠定了基礎。提出的應用WebClass技術對SolidWorks進行遠程設計系統的開發具有簡捷、快速、高效等特點，其開發過程同樣適用于其它遠程三維設計系統。