虚拟制造技术在产品设计中的应用

   引言
   
    传统设计是根据产品的使用性能和设计要求，在图纸上进行设计，这样就要求设计者有一定的经验，在设计过程中，预先要考虑到设计中存在的装配干扰和设计不到位等问题，而这些问题往往只能在产品开发后期或最终产品试制和装配中才会暴露出来，而这时候往往所有的零件都制造出来了。这样在产品开发设计过程中，一般的情况下，设计零件，再装配成产品，这样如果发现零件有问题或不足，就要重新设计，这样设计中涉及的零件太多了，难免会有疏漏，如果是零件已经生产了，问题就更严重了。这样的设计和制造不能保证产品生产的质量，而且产品的开发效率低、耗时、费用高，无法适应当前激烈的市场竞争。为了解决这些问题，可以运用虚拟制造技术，这在新产品的开发中尤为重要。
   
    1 虚拟制造技术的概念
   
    虚拟制造技术是在产品设计过程中，为了加快产品设计制造的效率、时间，通过使用三维造型软件及进行装配过程的模拟，在虚拟环境下对计算机数据模型进行模拟分析的一项计算机辅助设计技术。利用虚拟制造技术，技术人员不必等待零件的全部制造出来，可以建立零件的模型，对这些模型进行虚拟装配，并检查零部件之间的装配间隙和干涉，检查装配状态，及时发现错误，若零件不符合要求，可以在计算机里方便地更改模型，并重新生成模型和自动更新相关的零部件图和装配图，从而实现设计、装配和制造检验的协调统一。通过虚拟制造技术，可以缩短产品的开发周期，有利于提高产品的质量和可靠性，有利于降低产品开发成本，提高企业的竞争力。本文基于ProlEngineer2001,采用虚拟制造技术，进行了一个新产品的开发。
   
    2开发产品的原理
   
    某家广告公司要求开发设计一个新产品，要求产品用一组画幅连续展示公司所需要的广告和宣传内容，同时要求播放与画幅内容相配的语音解说，同时产品的生产成本要低。故该产品采用常规的机械传动方案，主要是由电机驱动，通过带传动、齿轮减速，带动画带驱动轴转动，以实现画带播放;同时，电机驱动，通过带传动、齿轮多级减速，以达到播放磁带的转速，以保证播放质量。该产品的难点在于:要求画带播放和语音磁带播放两者之间保持严格的播放关系，还要有倒带重复播放功能，并要求具有很好的抗干扰性，所以开发该产品的工作主要集中在机械机构的设计和控制系统的设计创新。产品的设计任务重，设计时间短，可以采用虚拟制造技术，以求短时间里完成这个新产品的开发设计。
   

    3虚拟制造技术的应用
   
    ProIENCTNEER是美国参数技术公(Parametric Technology  Corporation)推出以参数化为基础、以三维造型为设计模式的CADICAEICAM集成软件，具有造型设计、零件设计、装配设计、二维工程图制作、结构分析等功能，广泛应用在机械设计、机械制造和模具设计制造等生产实践中。产品的设计都可以完全在三维模型上完成，形象直观。由于软件具有单一的数据库，在整个设计过程中，任何一处变化，整个设计都随之变化。故应用ProIENGINEER进行虚拟制造。
   
    3.1虚拟制造的产品设计
   
    该产品有大量的齿轮、带轮、相对应的控制键，这些零件存在着许多相似性，可以把这些相似的零件称为零件族。零件族在设计、工艺、加工上也是有一定的相似性的。运用ProIENGINEER很容易实现这种零件族设计。先设计出一个基本零件，在这个基础上确定一组设计参数来控制零件的尺寸和拓扑关系，通过系列尺寸来自动生成零件的三维模型，从而实现机械产品的系列化创建。如图2所示。
   

3.2虚拟制造的产品装配
   
    产品零件设计完成后，要把这些零件的组装起来，以实现产品功能，达到产品的要求，这就要求零件之间的装配合理准确，基于Pro/ENGINEER平台的动态虚拟装配可以很好地解决这个问题。根据设计要求进行装配。我们用匹配、对齐、插入、相切等命令来完成零件的装配设计。我们只要定义出相关零件之间的关系，系统就根据给出的约束要求，将各零件装配到位。如果改变原有设计，与之相关的装配位置也随之改变。装配方法分为;Top-down自顶向下的设计模式和Bottom-up自底向上的设计模式。Bottom-up白底向上的设计模式的主要思路是先设计零件，在将这些零件进行装配。Top-dow。自顶向下的设计模式更符合产品的开发过程，从功能建模开始，根据产品的功能要求和设计约束，来确定零件的初步设计模型，再进行修改、细化、完善点和各自的适用场合。由于本开发设计产品的过程中，借鉴了现成的单放机，并采用其大致的机构和零件，故采用Bottom-up设计模式。同时，画带播放部分和整个控制部分的结构设计是创新设计，采用Top-down设计模式，这样结合两种设计模式，进行装配设计。如图3所示。
   

    3.3虚拟制造的产品检验
   
    整体装配设计过程中和装配设计完成后，可以通过Pro/ENGINEEA自动监测零部件之间的配合和干涉情况，确定其中是否存在偏离和干涉情况，装配过程中装配次序是否可行，其中可以通过动画来对装配好的产品进行运动功能检验。一旦发现有干涉和配合不合理的现象，可以方便地返回三维零部件状态，进行零部件修改，零部件修改后，装配体相应的零部件随之改变。在整个装配设计过程，还可以通过改变视角，给零部件着色或根据情况把某些不重要的零部件隐藏起来，如图4。用这些方法可以提高设计的准确性，又可以实现设计思想的直观性。
   

    3.4虚拟制造的产品完善
   
    整个产品设计完成，可以用动画或爆炸图的形式给客户展示开发产品的运动和结构功能.并且可以直接让客户参与进来，对产品的功能和结构进行一些合理的改进和完善。当然，也可以在和客户相沟通的情况下，对产品的外形和色彩进行一些设计，如图5。总之，在产品生产之前，可以通过Pro/ENGINEER进行虚拟制造，尽量完善自己开发的产品设计，加快产品的开发设计时间。
   
    4结论
   
    虚拟制造是通过计算机对产品进行三维造型建模，对产品装配过程和装配结构进行分析和仿真，评估和预测产品模型，完成产品的开发设计，不需要实际产品支持。应用Pro/ENGINEER进行虚拟制造，这为新产品开发设计与生产带来了方便，加快产品的开发设计时间，降低了开发设计的成本，为机械等制造行业带来了良好的经济效益及其产品的竞争力。