虛擬制造技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

   引言
   
    傳統(tǒng)設(shè)計(jì)是根據(jù)產(chǎn)品的使用性能和設(shè)計(jì)要求，在圖紙上進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣就要求設(shè)計(jì)者有一定的經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)過程中，預(yù)先要考慮到設(shè)計(jì)中存在的裝配干擾和設(shè)計(jì)不到位等問題，而這些問題往往只能在產(chǎn)品開發(fā)后期或最終產(chǎn)品試制和裝配中才會暴露出來，而這時(shí)候往往所有的零件都制造出來了。這樣在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)過程中，一般的情況下，設(shè)計(jì)零件，再裝配成產(chǎn)品，這樣如果發(fā)現(xiàn)零件有問題或不足，就要重新設(shè)計(jì)，這樣設(shè)計(jì)中涉及的零件太多了，難免會有疏漏，如果是零件已經(jīng)生產(chǎn)了，問題就更嚴(yán)重了。這樣的設(shè)計(jì)和制造不能保證產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量，而且產(chǎn)品的開發(fā)效率低、耗時(shí)、費(fèi)用高，無法適應(yīng)當(dāng)前激烈的市場競爭。為了解決這些問題，可以運(yùn)用虛擬制造技術(shù)，這在新產(chǎn)品的開發(fā)中尤為重要。
   
    1 虛擬制造技術(shù)的概念
   
    虛擬制造技術(shù)是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，為了加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的效率、時(shí)間，通過使用三維造型軟件及進(jìn)行裝配過程的模擬，在虛擬環(huán)境下對計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行模擬分析的一項(xiàng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)。利用虛擬制造技術(shù)，技術(shù)人員不必等待零件的全部制造出來，可以建立零件的模型，對這些模型進(jìn)行虛擬裝配，并檢查零部件之間的裝配間隙和干涉，檢查裝配狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，若零件不符合要求，可以在計(jì)算機(jī)里方便地更改模型，并重新生成模型和自動更新相關(guān)的零部件圖和裝配圖，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、裝配和制造檢驗(yàn)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。通過虛擬制造技術(shù)，可以縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，有利于提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，有利于降低產(chǎn)品開發(fā)成本，提高企業(yè)的競爭力。本文基于ProlEngineer2001,采用虛擬制造技術(shù)，進(jìn)行了一個(gè)新產(chǎn)品的開發(fā)。
   
    2開發(fā)產(chǎn)品的原理
   
    某家廣告公司要求開發(fā)設(shè)計(jì)一個(gè)新產(chǎn)品，要求產(chǎn)品用一組畫幅連續(xù)展示公司所需要的廣告和宣傳內(nèi)容，同時(shí)要求播放與畫幅內(nèi)容相配的語音解說，同時(shí)產(chǎn)品的生產(chǎn)成本要低。故該產(chǎn)品采用常規(guī)的機(jī)械傳動方案，主要是由電機(jī)驅(qū)動，通過帶傳動、齒輪減速，帶動畫帶驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動，以實(shí)現(xiàn)畫帶播放;同時(shí)，電機(jī)驅(qū)動，通過帶傳動、齒輪多級減速，以達(dá)到播放磁帶的轉(zhuǎn)速，以保證播放質(zhì)量。該產(chǎn)品的難點(diǎn)在于:要求畫帶播放和語音磁帶播放兩者之間保持嚴(yán)格的播放關(guān)系，還要有倒帶重復(fù)播放功能，并要求具有很好的抗干擾性，所以開發(fā)該產(chǎn)品的工作主要集中在機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)創(chuàng)新。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)任務(wù)重，設(shè)計(jì)時(shí)間短，可以采用虛擬制造技術(shù)，以求短時(shí)間里完成這個(gè)新產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)。
   

    3虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用
   
    ProIENCTNEER是美國參數(shù)技術(shù)公(Parametric Technology  Corporation)推出以參數(shù)化為基礎(chǔ)、以三維造型為設(shè)計(jì)模式的CADICAEICAM集成軟件，具有造型設(shè)計(jì)、零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)、二維工程圖制作、結(jié)構(gòu)分析等功能，廣泛應(yīng)用在機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造和模具設(shè)計(jì)制造等生產(chǎn)實(shí)踐中。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)都可以完全在三維模型上完成，形象直觀。由于軟件具有單一的數(shù)據(jù)庫，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，任何一處變化，整個(gè)設(shè)計(jì)都隨之變化。故應(yīng)用ProIENGINEER進(jìn)行虛擬制造。
   
    3.1虛擬制造的產(chǎn)品設(shè)計(jì)
   
    該產(chǎn)品有大量的齒輪、帶輪、相對應(yīng)的控制鍵，這些零件存在著許多相似性，可以把這些相似的零件稱為零件族。零件族在設(shè)計(jì)、工藝、加工上也是有一定的相似性的。運(yùn)用ProIENGINEER很容易實(shí)現(xiàn)這種零件族設(shè)計(jì)。先設(shè)計(jì)出一個(gè)基本零件，在這個(gè)基礎(chǔ)上確定一組設(shè)計(jì)參數(shù)來控制零件的尺寸和拓?fù)潢P(guān)系，通過系列尺寸來自動生成零件的三維模型，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的系列化創(chuàng)建。如圖2所示。
   

3.2虛擬制造的產(chǎn)品裝配
   
    產(chǎn)品零件設(shè)計(jì)完成后，要把這些零件的組裝起來，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能，達(dá)到產(chǎn)品的要求，這就要求零件之間的裝配合理準(zhǔn)確，基于Pro/ENGINEER平臺的動態(tài)虛擬裝配可以很好地解決這個(gè)問題。根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行裝配。我們用匹配、對齊、插入、相切等命令來完成零件的裝配設(shè)計(jì)。我們只要定義出相關(guān)零件之間的關(guān)系，系統(tǒng)就根據(jù)給出的約束要求，將各零件裝配到位。如果改變原有設(shè)計(jì)，與之相關(guān)的裝配位置也隨之改變。裝配方法分為;Top-down自頂向下的設(shè)計(jì)模式和Bottom-up自底向上的設(shè)計(jì)模式。Bottom-up白底向上的設(shè)計(jì)模式的主要思路是先設(shè)計(jì)零件，在將這些零件進(jìn)行裝配。Top-dow。自頂向下的設(shè)計(jì)模式更符合產(chǎn)品的開發(fā)過程，從功能建模開始，根據(jù)產(chǎn)品的功能要求和設(shè)計(jì)約束，來確定零件的初步設(shè)計(jì)模型，再進(jìn)行修改、細(xì)化、完善點(diǎn)和各自的適用場合。由于本開發(fā)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的過程中，借鑒了現(xiàn)成的單放機(jī)，并采用其大致的機(jī)構(gòu)和零件，故采用Bottom-up設(shè)計(jì)模式。同時(shí)，畫帶播放部分和整個(gè)控制部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是創(chuàng)新設(shè)計(jì)，采用Top-down設(shè)計(jì)模式，這樣結(jié)合兩種設(shè)計(jì)模式，進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)。如圖3所示。
   

    3.3虛擬制造的產(chǎn)品檢驗(yàn)
   
    整體裝配設(shè)計(jì)過程中和裝配設(shè)計(jì)完成后，可以通過Pro/ENGINEEA自動監(jiān)測零部件之間的配合和干涉情況，確定其中是否存在偏離和干涉情況，裝配過程中裝配次序是否可行，其中可以通過動畫來對裝配好的產(chǎn)品進(jìn)行運(yùn)動功能檢驗(yàn)。一旦發(fā)現(xiàn)有干涉和配合不合理的現(xiàn)象，可以方便地返回三維零部件狀態(tài)，進(jìn)行零部件修改，零部件修改后，裝配體相應(yīng)的零部件隨之改變。在整個(gè)裝配設(shè)計(jì)過程，還可以通過改變視角，給零部件著色或根據(jù)情況把某些不重要的零部件隱藏起來，如圖4。用這些方法可以提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，又可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)思想的直觀性。
   

    3.4虛擬制造的產(chǎn)品完善
   
    整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成，可以用動畫或爆炸圖的形式給客戶展示開發(fā)產(chǎn)品的運(yùn)動和結(jié)構(gòu)功能.并且可以直接讓客戶參與進(jìn)來，對產(chǎn)品的功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行一些合理的改進(jìn)和完善。當(dāng)然，也可以在和客戶相溝通的情況下，對產(chǎn)品的外形和色彩進(jìn)行一些設(shè)計(jì)，如圖5�？傊�，在產(chǎn)品生產(chǎn)之前，可以通過Pro/ENGINEER進(jìn)行虛擬制造，盡量完善自己開發(fā)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，加快產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)間。
   
    4結(jié)論
   
    虛擬制造是通過計(jì)算機(jī)對產(chǎn)品進(jìn)行三維造型建模，對產(chǎn)品裝配過程和裝配結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和仿真，評估和預(yù)測產(chǎn)品模型，完成產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)，不需要實(shí)際產(chǎn)品支持。應(yīng)用Pro/ENGINEER進(jìn)行虛擬制造，這為新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)帶來了方便，加快產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)間，降低了開發(fā)設(shè)計(jì)的成本，為機(jī)械等制造行業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益及其產(chǎn)品的競爭力。