第十一章_基于快速成型技術(shù)的產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)

1、第十一章第十一章 基于快速成型技術(shù)的產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)基于快速成型技術(shù)的產(chǎn)品快速設(shè)計(jì) 與制造系統(tǒng)與制造系統(tǒng) 快速成型與快速模具制造技術(shù)及其應(yīng)用快速成型與快速模具制造技術(shù)及其應(yīng)用機(jī)械工業(yè)出版社（第三版）機(jī)械工業(yè)出版社（第三版） 第十一章第十一章 基于快速成型技術(shù)的產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)基于快速成型技術(shù)的產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng) 市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的激烈競(jìng)爭(zhēng)使全球制造業(yè)的戰(zhàn)略重心已逐步從擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模、降低產(chǎn)品成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量轉(zhuǎn)移至加快市場(chǎng)響應(yīng)速度上。許多先進(jìn)企業(yè)的產(chǎn)品周期，已經(jīng)步入了“三個(gè)三”（產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期三周，試制周期三個(gè)月，生產(chǎn)周期三年）。誰(shuí)能夠在新產(chǎn)品研制與開(kāi)發(fā)過(guò)程中走在前面，誰(shuí)就在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)有利

2、的位置。因此，新產(chǎn)品研發(fā)的靈活性與便捷性便得到高度重視。由此產(chǎn)生的快速成型制造技術(shù)及基于快速原型的快速模具制造技術(shù)在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及單件、小批量產(chǎn)品生產(chǎn)中已為企業(yè)帶來(lái)了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。為了有效地發(fā)揮快速成型與快速模具制造技術(shù)的優(yōu)越性，將該項(xiàng)技術(shù)與相關(guān)軟硬件資源進(jìn)行集成，組建產(chǎn)品/模具快速設(shè)計(jì)與制造技術(shù)體系是十分必須的，該體系的建立對(duì)有效地發(fā)揮快速成型與快速模具制造技術(shù)的優(yōu)越性，更好地為企業(yè)提供支持與服務(wù)是十分重要的。 基本功能及結(jié)構(gòu)基本功能及結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)軟硬件資源系統(tǒng)軟硬件資源 產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的構(gòu)建產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的構(gòu)建 產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的應(yīng)用1324

3、第十一章第十一章 基于快速成型技術(shù)的產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)基于快速成型技術(shù)的產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)第一節(jié)第一節(jié) 基本功能及結(jié)構(gòu)基本功能及結(jié)構(gòu)產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)應(yīng)視為集工業(yè)設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)三維CAD技術(shù)、反求工程、結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)、工藝仿真、快速原型制造、快速模具制造和快速產(chǎn)品制造等的一個(gè)集成制造系統(tǒng)。從當(dāng)前基于快速成型技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)角度來(lái)看，一般有兩種產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)方法，即從概念到產(chǎn)品和從樣品到產(chǎn)品。對(duì)于從概念到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法，其步驟為：概念、三維CAD造型、快速原型、結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化、工藝分析、快速模具和快速產(chǎn)品；對(duì)于從樣品到產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)方法，其步驟為：樣品、反求（逆向）工程、曲面擬合/修補(bǔ)

4、、三維造型、快速原型、結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化、工藝分析、快速模具和快速產(chǎn)品。因此，無(wú)論初始已知條件是一個(gè)概念、一個(gè)樣品還是一張圖紙，都可借助于計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)、快速成型技術(shù)和快速模具制造技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)與制造。對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)，除了幾何形狀設(shè)計(jì)以外，還應(yīng)當(dāng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)構(gòu)件在實(shí)際工作環(huán)境下的工作過(guò)程仿真和在仿真基礎(chǔ)上的優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到產(chǎn)品的最佳設(shè)計(jì)目的。此外，還應(yīng)當(dāng)考慮所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的制造工藝性問(wèn)題，即可加工性。例如，對(duì)于產(chǎn)品的材料為注塑產(chǎn)品或板料產(chǎn)品的零件，在產(chǎn)品外觀、幾何形狀等設(shè)計(jì)的同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)考慮所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品外觀或形狀符合注塑或板料成形件的加工工藝性及其對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)用模具的成本與復(fù)雜性等因

5、素。因此，產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程是集美學(xué)、工業(yè)設(shè)計(jì)、功能/結(jié)構(gòu)性能、成形工藝性、產(chǎn)品綜合成本等多種因素于一體的設(shè)計(jì)過(guò)程，產(chǎn)品設(shè)計(jì)不能僅考慮單一或幾個(gè)因素。 根據(jù)上述分析，產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖11-1所示。 第一節(jié)第一節(jié) 基本功能及結(jié)構(gòu)基本功能及結(jié)構(gòu)圖圖 11-1 產(chǎn)品產(chǎn)品/模具快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)模具快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)第一節(jié)第一節(jié) 基本功能及結(jié)構(gòu)基本功能及結(jié)構(gòu) 基本功能及結(jié)構(gòu)基本功能及結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)軟硬件資源系統(tǒng)軟硬件資源 產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的構(gòu)建產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的構(gòu)建 產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的應(yīng)用1324第十一章第十一章 基于快速成型

6、技術(shù)的產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)基于快速成型技術(shù)的產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)第二節(jié)第二節(jié) 系統(tǒng)軟硬件資源系統(tǒng)軟硬件資源根據(jù)上述產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)應(yīng)具備的功能，該套系統(tǒng)應(yīng)配備的軟硬件資源闡述如下：（1）造型軟件產(chǎn)品的現(xiàn)代設(shè)計(jì)已基本甩脫傳統(tǒng)的圖紙描述方式，而直接在三維造型軟件平臺(tái)上進(jìn)行。目前，幾乎盡善盡美的商品化CAD/CAM一體化軟件為產(chǎn)品造型提供了強(qiáng)大的空間，使設(shè)計(jì)者的概念設(shè)計(jì)能夠隨心所欲，且特征修改也十分方便。目前，應(yīng)用較多的具有三維造型功能的CAD/CAM軟件主要有：UGII、Pro/E、Catia、Cimatro、Delcam、Solidedge、MDT等。（2）結(jié)構(gòu)分析軟件產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既

7、要滿足產(chǎn)品的外觀及加工制造等要求，更要滿足產(chǎn)品的使用要求。產(chǎn)品設(shè)計(jì)經(jīng)外觀及加工可行性評(píng)估后，能否滿足在給定工況下的使用要求，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。結(jié)構(gòu)分析的主要內(nèi)容有結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及疲勞壽命等。結(jié)構(gòu)分析的目的主要是進(jìn)行安全性評(píng)估，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。目前，應(yīng)用較多的結(jié)構(gòu)分析軟件有ANSYS、NASTRAN、MARC、ADINA、SAP系列等。 （3）工藝仿真軟件批量產(chǎn)品的生產(chǎn)一般都依賴于工模具。在給定的工藝條件下，使用給定結(jié)構(gòu)的模具，能否生產(chǎn)出滿足設(shè)計(jì)要求的產(chǎn)品，傳統(tǒng)的試錯(cuò)方法在生產(chǎn)過(guò)程中需反復(fù)地修改模具結(jié)構(gòu)和工藝方案。這樣，不可避免地會(huì)提高產(chǎn)品的生產(chǎn)成本和延長(zhǎng)產(chǎn)品的生產(chǎn)周期?；诠に?/p>

8、仿真的CAE技術(shù)的發(fā)展，大大降低了從CAD到CAM的風(fēng)險(xiǎn)，使設(shè)計(jì)、仿真與制造并行，以確保產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的一次性成功。目前，產(chǎn)品成形的工藝仿真軟件主要有：體積成形仿真軟件DEFORM、FORGEIII等，板料成形仿真軟件DYNAFORM、OPTRIS、PAM-STAMP等，注塑成形仿真軟件MOLDFLOW、C-MOLD等。 第二節(jié)第二節(jié) 系統(tǒng)軟硬件資源系統(tǒng)軟硬件資源（4）反求系統(tǒng)與數(shù)據(jù)擬合軟件新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的另一條重要路線就是樣件的反求。反求是對(duì)存在的實(shí)物模型或零件進(jìn)行測(cè)量并根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)重構(gòu)出實(shí)物的CAD模型，進(jìn)而對(duì)實(shí)物進(jìn)行分析、修改、檢驗(yàn)和制造的過(guò)程。反求工程主要用于已有零件的復(fù)制、損壞或磨損零件

9、的還原、模型精度的提高及數(shù)字化模型檢測(cè)等。反求的主要方法有三坐標(biāo)測(cè)量法、投影光柵法、激光三角形法、核磁共振和CT法以及自動(dòng)斷層掃描法等。反求工程中較大的工作量就是離散數(shù)據(jù)的處理。一般來(lái)說(shuō)，反求系統(tǒng)中應(yīng)攜帶具有一定功能的數(shù)據(jù)擬合軟件，或借用常規(guī)的CAD/CAM軟件UGII、Pro/E、Delcam等，也有獨(dú)立的曲面擬合與修補(bǔ)軟件，如Sufacer等。 第二節(jié)第二節(jié) 系統(tǒng)軟硬件資源系統(tǒng)軟硬件資源（5）快速原型制造設(shè)備 快速原型制造設(shè)備相當(dāng)于一臺(tái)三維打印機(jī)，能夠快速、便捷地將產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì)“打印”成特定材料的物理模型，用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)檢驗(yàn)與評(píng)估及裝配與功能校核等。依據(jù)使用的原材料及構(gòu)建技術(shù)的不同，快速原

10、型制造設(shè)備主要有光固化成型設(shè)備、疊層實(shí)體制造設(shè)備、熔融沉積制造設(shè)備及選擇性激光燒結(jié)設(shè)備等。（6）快速模具制造設(shè)備 由于快速成型制造技術(shù)受成型材料的限制，要想獲得所需材料的單件或小批量產(chǎn)品，還需要通過(guò)模具進(jìn)行翻制，由此，基于快速原型的經(jīng)濟(jì)型快速模具技術(shù)得到迅速發(fā)展。根據(jù)不同的制造工藝，快速模具制造過(guò)程中常用的設(shè)備主要有真空注型設(shè)備、電加工成型設(shè)備、金屬噴涂設(shè)備等。第二節(jié)第二節(jié) 系統(tǒng)軟硬件資源系統(tǒng)軟硬件資源（7）計(jì)算機(jī)工作站 產(chǎn)品三維造型的CAD/CAM軟件平臺(tái)需要性能優(yōu)越的計(jì)算機(jī)圖形工作站支持，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析及成形工藝仿真同樣需要高速的計(jì)算機(jī)工作站。目前，計(jì)算機(jī)工作站的發(fā)展速度也同微機(jī)一樣日新月異

11、。許多品牌產(chǎn)品得到廣泛認(rèn)可，如美國(guó)SGI公司的OCTANE及O2圖形工作站、美國(guó)IBM公司的M-Pro工作站、SUN工作站及國(guó)內(nèi)的海信工作站等。上述品牌工作站完全可以滿足三維造型軟件及結(jié)構(gòu)分析與工程仿真軟件對(duì)圖形處理及運(yùn)算速度的要求。 第二節(jié)第二節(jié) 系統(tǒng)軟硬件資源系統(tǒng)軟硬件資源 基本功能及結(jié)構(gòu)基本功能及結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)軟硬件資源系統(tǒng)軟硬件資源 產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的構(gòu)建產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的構(gòu)建 產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的應(yīng)用1324第十一章第十一章 基于快速成型技術(shù)的產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)基于快速成型技術(shù)的產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)第三節(jié)第三節(jié) 產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的構(gòu)

12、建產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的構(gòu)建產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)施數(shù)字化并且與成形工藝仿真及優(yōu)化技術(shù)集成，可以快速地完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并有效地確保所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品具有最優(yōu)的結(jié)構(gòu)和可行的工藝性，顯著降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與制造的周期和成本。根據(jù)以上的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析和軟硬件資源的配置分析，基于快速成型和快速模具制造技術(shù)的產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)、成形工藝仿真優(yōu)化及快速制造的集成系統(tǒng)如圖11-2所示。UGCATIARENISHAW反求設(shè)備反求設(shè)備MARCMOFLOWDEFORMDYNAFORMSPS600 SLA設(shè)備設(shè)備HRP III LOM設(shè)備設(shè)備HRPS IV SLS設(shè)備設(shè)備F2000真空注型機(jī)真空注型機(jī)硅橡膠模具硅橡膠模具/電弧噴涂模具電弧噴涂模具

13、/環(huán)氧樹(shù)脂模具環(huán)氧樹(shù)脂模具圖圖 11-2 產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)、工藝仿真優(yōu)化與快速制造技術(shù)集成系統(tǒng)產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)、工藝仿真優(yōu)化與快速制造技術(shù)集成系統(tǒng)第三節(jié)第三節(jié) 產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的構(gòu)建產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的構(gòu)建 該系統(tǒng)各單元的功能為該系統(tǒng)各單元的功能為： 三維造型單元以先進(jìn)的通用三維CAD軟硬件平臺(tái)以及反求設(shè)備與數(shù)據(jù)處理軟件為支承，可以快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)； 結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化單元確保產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足使用要求； 成型工藝分析單元確保產(chǎn)品制造的工藝可行性； 快速原型制作單元可以快速制作產(chǎn)品模型，檢驗(yàn)與評(píng)估產(chǎn)品的外觀與結(jié)構(gòu)并適當(dāng)驗(yàn)證產(chǎn)品的部分功能，最終的原型可以用作翻制快速產(chǎn)品的快速模具的母模； 快

14、速模具制作單元及產(chǎn)品真空注型單元可以以快速原型為母模進(jìn)行硅橡膠等快速模具的制造和樹(shù)脂等材料的產(chǎn)品真空注型。 第三節(jié)第三節(jié) 產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的構(gòu)建產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的構(gòu)建 該系統(tǒng)的特色之處：該系統(tǒng)的特色之處： 與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)相關(guān)的單元技術(shù)進(jìn)行了密集集成，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)從完備的數(shù)字化手段開(kāi)始，先進(jìn)、高效、包含產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的全部信息； 自主開(kāi)發(fā)的IGES格式數(shù)據(jù)與STL格式數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換軟件，徹底實(shí)現(xiàn)了CAD系統(tǒng)和RP系統(tǒng)的無(wú)縫集成； 自主開(kāi)發(fā)的STL文件分割與拼接軟件克服了目前商品化RP系統(tǒng)的局限性，擴(kuò)大了RP系統(tǒng)單元的適用范圍和進(jìn)一步提高了RP的效率； 將結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化、成型工藝分析與仿真單元技術(shù)集成

15、于CAD與RP之間，在RP單元進(jìn)行外觀與裝配檢驗(yàn)之前消除產(chǎn)品使用和工藝可行性的缺陷； RE、RP、RT的集成進(jìn)一步提高了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的速度和效率； 在反求單元技術(shù)中，本系統(tǒng)對(duì)于具有內(nèi)部型腔的樣件，根據(jù)形狀復(fù)雜程度提出了剖切樣件及翻模測(cè)量法，實(shí)現(xiàn)了具有復(fù)雜內(nèi)腔的數(shù)據(jù)高精度采集。 第三節(jié)第三節(jié) 產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的構(gòu)建產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的構(gòu)建 對(duì)于某種新產(chǎn)品，可以從概念設(shè)計(jì)或根據(jù)某個(gè)類似樣品經(jīng)反求開(kāi)始，通過(guò)計(jì)算機(jī)CAD軟件或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與擬合軟件進(jìn)行產(chǎn)品外觀、結(jié)構(gòu)及其另部件的三維造型設(shè)計(jì)，如果構(gòu)件為運(yùn)動(dòng)或受力部件，則根據(jù)運(yùn)動(dòng)或受力狀態(tài)，建立數(shù)學(xué)模型，分析構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或受力狀態(tài)，從而對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行

16、分析和優(yōu)化，將經(jīng)優(yōu)化后構(gòu)件的三維數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇焖俪尚卧O(shè)備，制作原型，再次進(jìn)行外觀評(píng)估、設(shè)計(jì)檢驗(yàn)、裝配檢驗(yàn)等，如果檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)需要修改，則返回CAD三維設(shè)計(jì)，修正設(shè)計(jì)方案，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)考慮材料成形的工藝性，從成形工藝的難度、模具形狀的復(fù)雜程度及其工序數(shù)目等多方面綜合考慮，從而在外觀、結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)或受力狀態(tài)、成形工藝、模具開(kāi)發(fā)成本等多方面到達(dá)綜合平衡，隨后，進(jìn)行成形過(guò)程工藝和模具設(shè)計(jì)，并建立過(guò)程模擬模型，進(jìn)行成形過(guò)程數(shù)值模擬，驗(yàn)證成形工藝和模具設(shè)計(jì)方案的可行性，對(duì)于塑料制品，還可以通過(guò)快速軟質(zhì)模具的制作，配合真空注型設(shè)備與工藝，快速進(jìn)行小批量制品的制造，以配合整套產(chǎn)品的評(píng)價(jià)和市場(chǎng)試銷，當(dāng)整個(gè)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)結(jié)

17、束后，第三節(jié)第三節(jié) 產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的構(gòu)建產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的構(gòu)建進(jìn)行批量生產(chǎn)用模具的制造，進(jìn)而完成產(chǎn)品的整個(gè)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程。在整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造貫徹于整個(gè)環(huán)節(jié)之中。有效地提高了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)速度、開(kāi)發(fā)質(zhì)量，減少了開(kāi)發(fā)成本和風(fēng)險(xiǎn)。產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)可以顯著加強(qiáng)快速原型與基于快速原型的快速模具制造技術(shù)的系統(tǒng)性、適應(yīng)性及高效性。從概念設(shè)計(jì)或樣品反求開(kāi)始到完成最終的注型產(chǎn)品，制造周期一般僅需要幾天的時(shí)間，其設(shè)計(jì)與制造過(guò)程是相當(dāng)迅速的。 RP&M和RT技術(shù)填補(bǔ)了產(chǎn)品CAD與CAM之間存在的鴻溝，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品CAD與CAM的有機(jī)集成，是產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)中的核心技

18、術(shù)。無(wú)論是始于產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)還是直接進(jìn)行樣品的數(shù)據(jù)反求，要想實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)與制造，都需要RP&M和RT技術(shù)的強(qiáng)有力的支持。 第三節(jié)第三節(jié) 產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的構(gòu)建產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的構(gòu)建 基本功能及結(jié)構(gòu)基本功能及結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)軟硬件資源系統(tǒng)軟硬件資源 產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的構(gòu)建產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的構(gòu)建 產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的應(yīng)用1324第十一章第十一章 基于快速成型技術(shù)的產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)基于快速成型技術(shù)的產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)第四節(jié)第四節(jié) 產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的應(yīng)用利用所構(gòu)建的產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)中的造型

19、軟件和反求設(shè)備的軟硬件資源，能夠快速地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì)。 1. 概念設(shè)計(jì)與快速制造概念設(shè)計(jì)與快速制造 利用所構(gòu)建的產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)中的造型軟件和反求設(shè)備的軟硬件資源，能夠快速地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì)。 （1） 探測(cè)儀產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)與快速制作 探測(cè)儀是一種能快速、準(zhǔn)確地探測(cè)地下電纜、管道等走向的高科技新產(chǎn)品，根據(jù)某通訊公司提出的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)要求，根據(jù)用戶的提議和構(gòu)思，并參照國(guó)外該類似產(chǎn)品的照片，在滿足外觀美觀、攜帶方便、防水及內(nèi)部線路板及其他功能零部件安裝的總體要求下，在UGII平臺(tái)上進(jìn)行了該產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)。v 4.1 產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造實(shí)例產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造實(shí)例 圖圖11-3 探測(cè)儀產(chǎn)品的三維設(shè)

20、計(jì)探測(cè)儀產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì)第四節(jié)第四節(jié) 產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的應(yīng)用圖圖 11-4 探測(cè)儀產(chǎn)品的探測(cè)儀產(chǎn)品的RP原型和類原型和類ABS產(chǎn)品產(chǎn)品第四節(jié)第四節(jié) 產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的應(yīng)用 （2） 松下新型電視機(jī)前面板殼體及機(jī)芯設(shè)計(jì)與快速制造 松下電視機(jī)設(shè)計(jì)部門在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的最后環(huán)節(jié)是為銷售部門提交產(chǎn)品設(shè)計(jì)的樣機(jī)，國(guó)內(nèi)某合資公司在完成新型電視機(jī)外殼注塑件外觀及結(jié)構(gòu)的2D圖紙?jiān)O(shè)計(jì)后，進(jìn)行了產(chǎn)品的三維快速設(shè)計(jì)與前面板殼體樣件的制作。在2D圖紙到3D CAD模型過(guò)程中，進(jìn)一步完善了該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。11-5圖給出了該新型電視機(jī)前面板殼體和機(jī)芯的三維設(shè)計(jì)，以及

21、通過(guò)快速硅橡膠模具和真空注型制作的類似于PP塑料的殼體產(chǎn)品和類似于ABS塑料的機(jī)芯產(chǎn)品，如圖11-6所示。 第四節(jié)第四節(jié) 產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的應(yīng)用圖圖 11-5 電視機(jī)前面板殼體和機(jī)芯的三維設(shè)計(jì)電視機(jī)前面板殼體和機(jī)芯的三維設(shè)計(jì)第四節(jié)第四節(jié) 產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的應(yīng)用圖圖 11-6 電視機(jī)前面板殼體和機(jī)芯產(chǎn)品電視機(jī)前面板殼體和機(jī)芯產(chǎn)品第四節(jié)第四節(jié) 產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的應(yīng)用2. 反求方法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)反求方法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì) (1) 吉普車車輪反求與設(shè)計(jì) 吉普車車輪的設(shè)計(jì)在必須滿足強(qiáng)度和剛度等使用要

22、求外，廠家同時(shí)也追求其外觀的美感。利用RENISHAW反求系統(tǒng)對(duì)車輪樣件進(jìn)行數(shù)據(jù)反求，并根據(jù)要求進(jìn)行外觀及結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)。吉普車車輪的五個(gè)風(fēng)孔均布，因而只測(cè)量其中之一，測(cè)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)及根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的車輪如圖11-7所示。在車輪外觀設(shè)計(jì)過(guò)程中，為便于用戶評(píng)估，對(duì)每一種設(shè)計(jì)都進(jìn)行了LOM原型的制作，根據(jù)評(píng)估意見(jiàn)和結(jié)構(gòu)有限元仿真，對(duì)車輪的外觀及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)次改進(jìn)，最終確定了合理的設(shè)計(jì)方案，其樣件及各次設(shè)計(jì)的原型如圖11-8所示。 第四節(jié)第四節(jié) 產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的應(yīng)用風(fēng)孔數(shù)據(jù)點(diǎn)云車輪三維造型 車輪表面曲率分析 車輪表面反光分析 圖圖 11-7 吉普車車輪反求與設(shè)計(jì)

23、吉普車車輪反求與設(shè)計(jì)第四節(jié)第四節(jié) 產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的應(yīng)用樣件 第一次設(shè)計(jì) 第二次設(shè)計(jì) 第三次設(shè)計(jì)圖圖 11-8 吉普車車輪外觀及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)吉普車車輪外觀及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)第四節(jié)第四節(jié) 產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的應(yīng)用 (2) 氣輪機(jī)葉輪反求與設(shè)計(jì) 氣輪機(jī)葉輪的尺寸比較精細(xì)，形狀比較復(fù)雜，因所要求的形狀尺寸精度很高，無(wú)法采用常規(guī)測(cè)量方法進(jìn)行CAD模型的構(gòu)建。為此，采用RENISHAW公司Cyclone反求系統(tǒng)進(jìn)行了葉輪形狀測(cè)量，并進(jìn)行葉輪表面曲率和反光輔助分析。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)快速地實(shí)現(xiàn)了定子與轉(zhuǎn)子的三維設(shè)計(jì)，如圖11-9所示。 第四節(jié)第四節(jié)

24、產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的應(yīng)用氣輪機(jī)定子三維造型 定子葉片表面曲率分析 定子葉片表面反光分析 氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子三維造型 轉(zhuǎn)子葉片表面曲率分析 圖圖 11-9 汽輪機(jī)葉輪反求與定子和轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)汽輪機(jī)葉輪反求與定子和轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)第四節(jié)第四節(jié) 產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的應(yīng)用叉架是滾筒式洗衣機(jī)中連接和支撐內(nèi)筒和外筒的關(guān)鍵零件。在工作過(guò)程中洗衣機(jī)內(nèi)筒要高速旋轉(zhuǎn)，但內(nèi)筒上由于衣物分布不均勻，不可避免的使內(nèi)筒承受嚴(yán)重的偏心載荷，并傳遞給叉架。特別是在帶有烘干功能的洗衣機(jī)上，總是想盡量提高洗衣機(jī)對(duì)衣物的甩干效果，以提高烘干效果，這樣又勢(shì)必產(chǎn)生更為嚴(yán)重的偏心載荷，對(duì)叉架的

25、強(qiáng)度和剛度提出更高的要求。同時(shí)叉架又是一個(gè)支撐部件，其與包括洗衣機(jī)的核心部件在內(nèi)的多個(gè)零部件，都存在著裝配關(guān)系，這對(duì)叉架的設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)格的要求，既要滿足強(qiáng)度剛度的要求，又要滿足裝配關(guān)系。第四節(jié)第四節(jié) 產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的應(yīng)用v 4.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)例產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)例 某洗衣機(jī)廠以前的設(shè)計(jì)思路是：參照國(guó)外的產(chǎn)品進(jìn)行類比設(shè)計(jì)，考慮各裝配關(guān)系，確定其結(jié)構(gòu)與尺寸參數(shù)，然后進(jìn)行試制校驗(yàn)，如不能滿足要求，則須重新進(jìn)行上述的設(shè)計(jì)過(guò)程。這樣大大增加了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，增加了開(kāi)發(fā)成本，屬于一種完全被動(dòng)的開(kāi)發(fā)模式。針對(duì)上述問(wèn)題，我們確定了叉架三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、有限元結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析、快速原

26、型評(píng)估檢驗(yàn)的新思路，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的一次成功，從而大大縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，降低了開(kāi)發(fā)成本。 1. 叉架的結(jié)構(gòu)分析叉架的結(jié)構(gòu)分析 根據(jù)洗衣機(jī)對(duì)叉架的功能要求和裝配要求等，利用CAD/CAE/CAM一體化軟件UG對(duì)叉架進(jìn)行了初步三維概念設(shè)計(jì)，得到了叉架的三維CAD模型，通過(guò)數(shù)據(jù)接口將三維模型傳到有限元分析軟件MSC/MARC中，利用MACR軟件對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化處理。 叉架基本上為一帶有三個(gè)支臂的薄殼結(jié)構(gòu)，中心有一厚度較大的圓臺(tái)。第四節(jié)第四節(jié) 產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的應(yīng)用根據(jù)叉形架的結(jié)構(gòu)受力情況，對(duì)其邊界條件進(jìn)行相應(yīng)處理，從而建立了與實(shí)際情況吻合的叉架三維有限元模型。按

27、照分析要求建立了兩種分析模型，如圖11-10所示。其中右圖為針對(duì)該電器元件安裝要求，在叉架上開(kāi)有一個(gè)缺口。圖圖 11-10 有限元分析模型有限元分析模型第四節(jié)第四節(jié) 產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的應(yīng)用將產(chǎn)生的離心力以面力的形式，按等效原則加到相應(yīng)的面上。圖11-11為兩種形式的叉架在承受5kg偏心載荷、以速度1100rad/min旋轉(zhuǎn)情況下的變形情況。分析表明：所設(shè)計(jì)叉架的強(qiáng)度剛度滿足要求，但支臂靠近中心圓臺(tái)處的應(yīng)力較大，特別是中心圓臺(tái)與薄殼的連接處，以及各支臂的下底面和側(cè)壁處，由于結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)變化劇烈，產(chǎn)生了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大等效應(yīng)力可達(dá)89.5MPa。就變形而言，支架在工作過(guò)程中，與各支臂相對(duì)的薄殼外圓周上的變形最大，最大變形