机器辅助设计工具的集中探讨

Jim Montague阐释具有更通用兼容平台的辅助设计工具能促进机械生产商、客户和供应商之间的工作分享。

放在同一页面上大有益处。无论你是在吟唱欢歌还是忙于复杂机器的设计,将对的文件在对的时间放在对的人面前,这至关重要。但是,可能因为得到重要安排如此轻易、明显,相对于更闪光的方法,它不大受到关注——正如歌手或音乐家,专注于1/8音符和1/16音符,往往困倦而简单的全音符都没有做好。

因此,尽管将设计资料置于团队成员手边非常给力;对于复杂工程,备用资料的条理化很重要,但这种益处往往没有得到足够的认识。当有一个通用设计平台给所有的工程参与者提供同步入口时,没有其它平台能比这里更真实;突破以前的连续性的Silo建模分为机械的、电气的、控制和软件设计;加速工程上的交流和问题解决,使其处理起来更快。

更多更好的模式

Joy Mining Machinery(www.joy.com)位于宾尼法尼亚州的Warrendale镇,是一家开采煤、钾碱、盐和其它层状矿物,为用户生产高产能的地下采矿机械的公司。作为Joy Global的分支,它拥有91年历史,采用多样化的3D原型设计软件设计该公司的机械,从20吨到数百吨,使用多达40000个零部件。该公司介绍说,Joy的数字设计支持五大洲13个生产基地的400位工程师相互协作、更快地开发创新设计,满足施工前新老设备的所有安全要求;尽量使车间变更最小化;降低成本和加速上市;重新使用设计进行生产和销售。

“钢材非常贵,因此我们直到所有的股东完全同意设计方案,才开始焊接和切割生产”Joy公司的工程系统总监Chris Flynn说,“我们根据客户的要求在Autodesk Inventor上建立数字原型,在虚拟现实中我们设计交互的时间越长,试验新想法就越容易、越合算,不仅仅工程师们分享设计更容易,而且我们也可以使用Inventor的很多新功能,而这些新功能是我们老产品资料管理(PDM)系统不能使用的,我们在全球范围内毫不费力地转变系统,这是一个巨大的进步”。

为了完成所有的这些任务,Joy设计工程师采用Autodesk(www.autodesk.com)的Vault Collaboration软件并在2009年升级到Inventor的最新版本。他们也使用AutoCAD机械版和完全依赖二维设计的供应商来分享设计图,采用AutoCAD电气版设计电控以及包括Maya, Showcase和3dsMax可视化软件生成仿真图像和动画。除了评估结构设计的空间布局、安全性和设计性能,可视化和仿真工具支持设计师们进行压力测试并模拟机器运行来找出碰撞和其它故障,这些故障往往不会被发现直到实际生产中才出现。

例如,Joy设计师们最近开发了14ED掘进机,该掘进机将挖掘和支护操作组合到一起,避免了两台机器间的切换,产能实现最大化并没有影响到安全性能(如图1)。但是,14ED的设计非常有挑战性,因为其组合功能需要三个操作人员而不是通常的一人一机。因此,整合所有功能并保留足够的安全空间给操作人员需要大量的测试因为标准附件不能使用。他们在设计阶段测试了不同的形状以及位置并使用Inventor的Tube & Pipe-Rounted System功能找到最高效方式来铺设液压软管。

图1:Joy Mining Machinery使用原型设计软件促进其全球设计人员和客户进行合作并开发创新可靠的设计方案,比如14ED掘进机将挖掘和支护操作组合到一起。

“软管占据大量的工作空间,当它们绑在一起时,和管道一样硬,很难移动”Flynn解释说,“通过虚拟建模,我们可以体验其设计效果并找到给予操作人员足够空间的路线,它也避免了我们在车间来解决该问题。”

从合作到分享再到控制

自然而然,随着辅助设计和模拟工具越来越智能,信息交流更为广泛,一些观察人士推测他们将开始监测操作,甚至可以做一些实时控制。

EPlan公司技术服务副总裁Michael Schomas介绍说,“整个电子版CAE(ECAE)正从绘制到工程工具不断发展,能够获取模块和可扩展数据,支持其和其它用户、系统轻易地分享。对于工程师来说,使用统一的软件工具非常重要,不需要他们录入到Excel电子表格或做其他的手工任务,因为他们并不是按次序地工作,从机械设计,电气设计到控制或软件仿真,将完整的项目阶段抛出墙外。很多工程部门更像是八角章鱼,设计师、工程师、生产操作、采购和销售,所有人员同时输入信息到中心公共区域,好比于我们的新工程中心平台。并行工作代替按次序工作意味著工程师可以建立基线的同时完成几乎80%的设计,销售人员提供快速的报价,现实中的机械生产可以更早开始,这也是为什么我们最大的创新是数据整合,它包括输出到生产设备,引进52家合作伙伴到我们的数据入口,因此我们也能吸引他们的设备。”

同样,Siemens PLM公司(www.siemens.com/plm)的NX软件全球市场总监Paul Brown解释说,随着CAD和其他设计工具超越几何建模并增加了感应器、发动机和其他设备的性能数据,它们开始使用一些监控和控制功能来盖过之前的亮点。“事实上,Mechatronic Concept Designer成为我们NX软件的一部分大约两年了,它使设计更加出色,”Brown说,“这意味著用户能接收控制或移动信号,通过它们触发后续的动作,甚至输出代码返回到PLCs来闭合回路.”

物理上的外在力量

除了提供更完整更准确的模型外,最近的机械设计工具的一个重大进展是将这些或其它物理力量的影响并入到设计中。这进一步增加了复杂度和实用性并帮助设计工程师集中智慧更快地解决技术上的挑战。

例如,为了测试各国不断增加的100米风力机所需要的超大滚动轴承,位于德国Herzogenaurach的Schaeffler Technologies公司(www.schaefflet.com)最近设计并生产了一个足够大的装置来评估真实条件下的轴承(如图2)。Schaeffler以INA和FAG品牌生产超过40,000个型号的轴承、组件和零件,包括两个超大的球形轴承,该轴承用在伦敦EyeFerris摩天轮上帮助旋转。

图二:Schaeffler Technologies使用FEA软件开发了虚拟原型对超大的试验装置进行压力测试和力量验证,该试验装置用在100米风机的大轴承上。

然而,根据Schaeffler公司CAE集成部门工程师Martin Stief要求,在试验装置开工建设前,Schaeffler需要使用有限元分析法(FEA)量化试验装置的关键操作条件,最小化测试时间和费用。因此,Schaeffler公司采用Abaqus公司的有限元分析软件,组织一个熟悉试验装置的七人团队来设计虚拟模型,对试验装置进行压力分析和力量验证,该实验装置复塑了风机内部轴承的实时情况。Abaqus FEA是Dassault System(www.3ds.com)Simulia公司的一部分。

该团队将试验装置分析离散程更小的、可控的、功能化的有限“FE””子模型,这些子模型连接到一起来代表整个试验装置。为了保证在全球范围内表征的准确性,该团队使用其工程判断定义负载、过渡区、边界条件,比如有限元子模型间的硬度、质量和阻尼。下一步,部分子模型由分析或模拟计算确定的接口条件所替代,这些接口条件减小子模型的尺寸并加速工作模型的生成。

“我们使用Abaqus测试接头处的强度、检测具体的连接,”Stief说,“当试验装置的整体设计更加清晰,我们开始使用Abaqus对子模型进行强度验证。从那些结果中,我们通过基本的机电工程技术提升试验装置的设计,比如做大加强肋。然后我们再次使用Abaqus运行子模型进行另一个强度评估。”

风力机通常每分钟转动15次,但Schaeffler的工程师们想要他们的新试验装置每分钟转到60次,这和1赫兹的临界激励频率相同。该团队的模态分析确认该装置的第一阶固有频率为13赫兹,远远超过1赫兹。接下来,该团队在Abaqus内通过多负荷情况运行该试验装置的所有有限元模型,包括数百种类型的用户元。这些子程序支持用户在模型中定义他们自己的有限元性能,比如使用定制的用户元取代轴承的滚动元代表它们的准确硬度。这简化并减少了试验装置上500个滚动元每一个的3D建模和网格划分时间、精力和成本,从大约5小时到大约5秒钟,大大降低了分析计算时间。

同样,当脚本和其它过程自动化使建模和评估结果更简单更快,简化了强度验证的同时,几何建模帮助Schaeffler的团队快速地划分各个完整模型以及其众多的子模型。Stief补充说软件中的零部件和功能函数促进团队合作,特别是当设计成员间交换零部件或者设计或有限元内容改变的地方替换功能函数或零部件的时候。“有了抽象选择,比如质量、硬度和连接器,我们可以用壳结构或梁结构缩小模型的尺寸来替代大的3D结构,或者将整个模型部件与合适的接口条件联系起来”Stief补充道。

总而言之,Schaeffler的试验装置花了七百万欧元,尺寸为1616*16*5.7米,重350吨,能测试最大直径约3.5米的轴承。它有五个主要组件,包括驱动链、装载架、辅助轴承、试验轴承和张力架。八个横向和纵向的柱体代替真实环境中的负荷。

“有限元分析法帮助我们更加准确地测定大型轴承的寿命,”Stief补充说,“我们现在可以按照特定的几何涡轮准确地设计轴承的尺寸,这有助保持低成本。我们建造的仿真模型表明了我们的大型轴承测试装置可以适用于所有类型的大型轴承。将来,经试验装置验证的仿真模型会给Schaeffler提供轴承相关的数值,比如载荷分布、压力分布、接触角以及轴承组件在预负荷下的弹性性能数据。这使测算出的轴承寿命更加真实。”

电气软件详细说明

但是,如果你并非足够强大来供养你个人的设计队伍?好吧,可以请求外部协助。为了帮助小型的机械生产商组织控制面板设计,位于明尼亚波利斯Design Ready Controls公司 (DRC, www.designready-controls.com) 表示该公司是一家原创设计生产商,为客户提供贴牌服务。这包括也同样位于明尼亚波利斯Valent Air Management System公司(www.valentair.com),该公司生产屋顶通风和制冷装备。

在设计产品系列的早期阶段,DRC公司吸收Valent公司的设计要求,使用其专利产品自动面板专家(APE)配置软件和电脑辅助工程软件(CAE),比如EPlanElectric P8和其工程宏来配置和自动化设计任务,预测生产成本和生成更多不同的组件。在APE内运行,Valent工程和市场专家们可以从一列设计好的选项中进行选择,这些选项基于网络的、可交互和可定制的。

“因为EPlan突出的存储能力,我们并不需要对每一个单独电路的方方面面进行编程,比如线规和防护分级”DRC的高级程序员和架构师DipeshKarki说,“APE的前期版本都花费数月时间编程制作技术文书用以构建和连接面板。”

但是,Karki补充道,其协助设计过程的真正实力在于APE和Electric P8使OEMs生产高度可变的设备和控制系统——比如Valent,跳过传统的手工订单设计流程。DRC通过使用APE和Electric P8软件克服这些老的瓶颈,自动生成工程图可以及时地生产控制面板和线束。

“通过使用APE的系统工程规范和EPlan的宏数据库,我们整个订单设计流程实现自动化,”DRC的研发总监Mitchell DeJong说,“该系统自动地分析和运行组件选取、零件分类和功能需求”

另外,APE利用EPlan灵活的应用程序接口扩展来消化订单并对于每一个独特面板给予Electric P8成套的设计说明书。通过采用该指令集及其占位符对象和宏技术,Electric P8能挑选、安放和缩放必需的装置、零部件和导线到成套的示意图和布局图中。因此,DRC可以诊断工程图的准确性并生成生产报表,比如交互式PDF示意图和直接链接到ERP系统的材料清单。DRC补充道,这种自动化减少订单周转时间,通常从数周到几分钟,增加面板工程的整合性能,将所有信息提供给生产员工。

类似地,位于澳大利亚西部Ascot地区的LE80JV公司(www.le80jv.com.au)是Logicamms公司和Elctro80公司投资的合资企业,该公司专注于电子控制系统工程项目的交付。数年前,位于维多利亚和澳大利亚西部的Iluka Resources公司聘请LE80JV公司组织设计两个矿砂开采和 锆石加工项目,LE80JV从那时决定转变其CAD设计软件为智能制图软件。

第一个位于Murray Basin的矿山项目只有18个月的交期,LE80JV因此决定使用来自Bentley Systems公司的Promise电气设计软件,该软件提供了一个应用程序接口能够自动得生成示意图、接线图和电缆一览表,支持用户容易地变成设计并检查结果。LE80JV也使用该应用程序接口设计和自动生成位于JacinthAmbrosia矿山的第二个工程所有的设计图。并且,Promise自动进行识别任务、导线编号、交叉访问、故障检查和报表生成;生成Kluka公司更为青睐的DWG格式设计图;自动地从模板生成设计图。

多亏了Promise制出的2000张设计图,Murray基本项目在12个月得以完成。LE80JV使用第一个工厂的设计内容来完成位于Jacinth Ambrosia的第二个项目只花了数周的时间,并不是数月的时间。总的来说,LE80JV减少25%的工程和制图时间,减少70%的工程图检查时间以及一半的Jacinth Ambrosia前期工程时间。

为了进一步保护用户资源,Bentley介绍道该公司提供灵活的许可策略,只要用户需要这些软件,就可以给予用户Promise和其它软件的入口。如果用户需要Bentley所有软件工具的入口,它们可以和Bentley签署企业许可订购协议(ELS)。

组织协作多元化,团队

当然,只要辅助工具帮助设计人员开发出更复杂、更实用的设备并且终端用户了解到它们的用途,组件和潜在的终端产品的多样化就会开始滚雪球般壮大起来。因此,虽然应该奖励团结协作,但它仍然必须仔细地组织以产生最大最积极的影响力。

例如,Industrial Control Associates(ICA,www.i-c-a-inc.com)是一家位于乔治亚州Pine Mountain的设备生产商和系统集成商,该组织为其定制的设备和控制面板(如图3)提供设计、施工、建造和试运营支持服务,也同时也交付机电安装、成套集成、机器人定制、运动应用、设备改进和非破坏性试验。

根据ICA执行总裁Brian Hare所言,该公司尽管只有八名员工,却展示出大公司的形象,和比其大很多的公司竞争并赢取像Magna, Voight Aircraft, Citation, Cooper Tire & Rubber, DuPont, P&G and Tyson Foods等公司的订单。他补充道,一个关键因素是该公司使用产品生命周期管理软件(PLM),比如Siemens PLM的Solid Edge软件用以加快设计;以及Teamcenter软件用以协同决策服务。

Hare说ICA已经使用Solid Edge软件将近10年,它增加了机械设计精度并减少返工。“在Solid Edge之前,我们的返工率为20%”,Hare说“现在只有2%。”

该软件也帮助ICA公司节省33%的设备生产时间,但是Hare期望节省更多时间因为ICA增加了并行工作能力的运用。“当我们设计测试机时,我们需要用到客户的组装数据,不管该设备组装到何种系统里,”他解释说,“Solid Edge支持我们从任何CAD系统引入该工作数据,它的并行技术节省了重绘三维图的时间。通过并行技术同时设计测试和传统建模,我们已经看到设计阶段减少了多达30%的时间并期望该数字增加因为我们进一步地熟悉了它的经验曲线。”

集成商提供的设备

图3:ICA设计和生产定制机械和控制面板,使用PLM软件以增加设计精度、降低返工。

并且,ICA正采用Teamcenter软件更好地组织工作修改、调整和信息发布,比如Solid Edge相关的数据、客户的AutoCAD制图、PDF文件、报价文件、概念图纸、图片和背景材料。通过一个产品数据库,以前花费十分钟的搜索现在只需要30秒。使用Teamcenters的工作流程功能,ICA已经开始将该公司的纸质流程自动化,这有助于符合最佳的实践和规定。

让客户也“动起来”!

可以理解,在促进了企业内部合作后,一些机械生产商通过数字设计和它们的客户更加高效地合作。Hare补充到,“Teamcenter的可视化功能使客户更容易看到装备图,这可以在30秒内完成而不是使用CAD所需要的30分钟。”

Hare期望在整个设计过程中,和客户一起进行经常性的迷你设计检验。“我们期望让客户在关键时刻看到设计,这样他们可以了解到设计的进展情况”他解释到“他们在看到确认图之前从来没有机会看到设计进展,这导致了大量的浪费。有了Teamcenter,他们可以在早期看到我们是否走错方向并标注。这个基于网络的设计工具使客户检验无论身在何方都变成可能。”

Joy矿山机械公司报告该公司的3D原型有助于客户在生产前了解机械的性能,甚至通过动画视图能让设计效果栩栩如生。“我们用Autodesk的数字化原型功能可以在设计早前阶段和客户高效地交流”Flynn说,“精华之处在于我们开始切割金属生产前可以得到客户要求的变更,因此降低成本、加速生产。”

Flynn补充道,对于新设计、大修的设计,Joy最近都需要客户的同意确认并使用Inventro的数字设计软件以及Maya和3ds Max来设计电影中机械的运动和操作。“从电影上我们得到的反馈帮助我们聚焦于有待改进的工效学和微小的操作变更,”Flynn说“这对于帮助我们满足客户要求非常关键。”

Brown补充说,Simens PLM’s NX软件甚至从PC游戏中吸取经验,这样用户可以给合作伙伴做出更为真实、实用的设计。“传统来说,CAD代表机械和运动,定义像接头和极限类的事物,但它不能较好地代表物理力像重力”Brown补充道,“但是,游戏引擎有很多重力效应,因此我们整合Nvidia的显卡工具箱到我们的NX软件中进行更好的仿真和调速。”

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