虛擬制造技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用

   引言
   
    傳統(tǒng)設(shè)計是根據(jù)產(chǎn)品的使用性能和設(shè)計要求，在圖紙上進行設(shè)計，這樣就要求設(shè)計者有一定的經(jīng)驗，在設(shè)計過程中，預(yù)先要考慮到設(shè)計中存在的裝配干擾和設(shè)計不到位等問題，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)計過程中，一般的情況下，設(shè)計零件，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，這樣設(shè)計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，問題就更嚴重了。這樣的設(shè)計和制造不能保證產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量，而且產(chǎn)品的開發(fā)效率低、耗時、費用高，無法適應(yīng)當前激烈的市場競爭。為了解決這些問題，可以運用虛擬制造技術(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)計過程中，為了加快產(chǎn)品設(shè)計制造的效率、時間，通過使用三維造型軟件及進行裝配過程的模擬，在虛擬環(huán)境下對計算機數(shù)據(jù)模型進行模擬分析的一項計算機輔助設(shè)計技術(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)，及時發(fā)現(xiàn)錯誤，若零件不符合要求，可以在計算機里方便地更改模型，并重新生成模型和自動更新相關(guān)的零部件圖和裝配圖，從而實現(xiàn)設(shè)計、裝配和制造檢驗的協(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)，進行了一個新產(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)計一個新產(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，同時要求播放與畫幅內(nèi)容相配的語音解說，同時產(chǎn)品的生產(chǎn)成本要低。故該產(chǎn)品采用常規(guī)的機械傳動方案，主要是由電機驅(qū)動，通過帶傳動、齒輪減速，帶動畫帶驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動，以實現(xiàn)畫帶播放;同時，電機驅(qū)動，通過帶傳動、齒輪多級減速，以達到播放磁帶的轉(zhuǎn)速，以保證播放質(zhì)量。該產(chǎn)品的難點在于:要求畫帶播放和語音磁帶播放兩者之間保持嚴格的播放關(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械機構(gòu)的設(shè)計和控制系統(tǒng)的設(shè)計創(chuàng)新。產(chǎn)品的設(shè)計任務(wù)重，設(shè)計時間短，可以采用虛擬制造技術(shù)，以求短時間里完成這個新產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計。
   

    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)計模式的CADICAEICAM集成軟件，具有造型設(shè)計、零件設(shè)計、裝配設(shè)計、二維工程圖制作、結(jié)構(gòu)分析等功能，廣泛應(yīng)用在機械設(shè)計、機械制造和模具設(shè)計制造等生產(chǎn)實踐中。產(chǎn)品的設(shè)計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，在整個設(shè)計過程中，任何一處變化，整個設(shè)計都隨之變化。故應(yīng)用ProIENGINEER進行虛擬制造。
   
    3.1虛擬制造的產(chǎn)品設(shè)計
   
    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、工藝、加工上也是有一定的相似性的。運用ProIENGINEER很容易實現(xiàn)這種零件族設(shè)計。先設(shè)計出一個基本零件，在這個基礎(chǔ)上確定一組設(shè)計參數(shù)來控制零件的尺寸和拓撲關(guān)系，通過系列尺寸來自動生成零件的三維模型，從而實現(xiàn)機械產(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)計完成后，要把這些零件的組裝起來，以實現(xiàn)產(chǎn)品功能，達到產(chǎn)品的要求，這就要求零件之間的裝配合理準確，基于Pro/ENGINEER平臺的動態(tài)虛擬裝配可以很好地解決這個問題。根據(jù)設(shè)計要求進行裝配。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。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，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)計模式和Bottom-up自底向上的設(shè)計模式。Bottom-up白底向上的設(shè)計模式的主要思路是先設(shè)計零件，在將這些零件進行裝配。Top-dow。自頂向下的設(shè)計模式更符合產(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)計約束，來確定零件的初步設(shè)計模型，再進行修改、細化、完善點和各自的適用場合。由于本開發(fā)設(shè)計產(chǎn)品的過程中，借鑒了現(xiàn)成的單放機，并采用其大致的機構(gòu)和零件，故采用Bottom-up設(shè)計模式。同時，畫帶播放部分和整個控制部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計是創(chuàng)新設(shè)計，采用Top-down設(shè)計模式，這樣結(jié)合兩種設(shè)計模式，進行裝配設(shè)計。如圖3所示。
   

    3.3虛擬制造的產(chǎn)品檢驗
   
    整體裝配設(shè)計過程中和裝配設(shè)計完成后，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)品進行運動功能檢驗。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。在整個裝配設(shè)計過程，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)計的準確性，又可以實現(xiàn)設(shè)計思想的直觀性。
   

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