一、引言
數(shù)控彩顯玻殼屏壓機(jī)是電視機(jī)、電腦、醫(yī)療行業(yè)和電子檢測行業(yè)儀器上的顯象管玻殼壓制生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。世界上著名的彩顯玻殼屏壓機(jī)生產(chǎn)廠家有美國的康寧公司、林奇公司，日本的NEG公司、三菱重工和旭硝子株式會社。過去的若干年里，我國深圳、咸陽、上海、成都、安陽、石家莊、大連和天津玻殼制造廠的設(shè)備大都引進(jìn)自上述幾家公司。自1986年以來，沈陽中捷搖臂鉆床廠在數(shù)控彩顯玻殼屏壓機(jī)的生產(chǎn)制造方面經(jīng)歷了合作生產(chǎn)——安裝調(diào)試——項修、大修——改進(jìn)設(shè)計——自行設(shè)計開發(fā)小型機(jī)——走向系列化、產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)的過程。現(xiàn)在，該廠已是繼美國和日本之后，代表中國自主設(shè)計生產(chǎn)數(shù)控轉(zhuǎn)臺式彩顯玻殼屏壓機(jī)的國際第三大制造商，可以生產(chǎn)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的14～38英寸彩顯和背投電視機(jī)玻殼數(shù)控轉(zhuǎn)臺式屏壓機(jī)，并開始為諸如國際最大的彩電玻殼制造基地安玻集團(tuán)等企業(yè)提供高質(zhì)量的系列裝備和優(yōu)質(zhì)服務(wù)，產(chǎn)品的技術(shù)水平也已經(jīng)達(dá)到了當(dāng)代國際先進(jìn)水平。

隨著IT行業(yè)市場競爭的日趨激烈，為了滿足市場對更大、效率更高的彩顯玻殼屏壓機(jī)的需求和用戶對產(chǎn)品供貨周期的要求，沈陽中捷搖臂鉆床廠在不斷改進(jìn)制造工藝和設(shè)備的同時，在設(shè)計方面又引進(jìn)了先進(jìn)的三維CAD/CAE技術(shù)，從而進(jìn)一步加快了企業(yè)系列化產(chǎn)品開發(fā)的速度，并提高了設(shè)計質(zhì)量，滿足了市場的需要。本文是對PY14型數(shù)控彩顯玻殼屏壓機(jī)應(yīng)用SolidWorks三維設(shè)計軟件和COSMOS有限元分析軟件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計和虛擬裝配設(shè)計工作的介紹。

二、零件3D參數(shù)化設(shè)計技術(shù)

1.3D參數(shù)化設(shè)計的基本思想

機(jī)械產(chǎn)品的3D設(shè)計主要包括產(chǎn)品零件的3D建模與設(shè)計、虛擬裝配與干涉檢查、關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)有限元分析與優(yōu)化、2D工程圖的轉(zhuǎn)換和參數(shù)標(biāo)注等。三維參數(shù)化設(shè)計軟件的思想是零件尺寸的參數(shù)驅(qū)動，即我們在設(shè)計零件之初只要給出零件外形輪廓（零件設(shè)計尺寸變量D、R、X），后續(xù)只需通過簡單的表達(dá)式來給變量賦值，定義幾何尺寸。幾何尺寸也可以以變量的形式出現(xiàn)在表達(dá)式中以驅(qū)動其他幾何尺寸，也就是說SolidWorks不僅記錄了建模過程中的尺寸定義，而且將整個建模過程中的特征操作完整地記錄下來，只需給尺寸變量賦值就可以實現(xiàn)模型更新。當(dāng)然，參數(shù)化設(shè)計也是要遵循一定規(guī)律的，并不是針對任何零部件都可以進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計，只有結(jié)構(gòu)尺寸相對標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，國標(biāo)或廠標(biāo)對其有準(zhǔn)確描述的零件才可以進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計。例如屏壓機(jī)中所使用的各種墊片、鎖緊螺母、軸承以及氣缸等部件就完全可實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計，因其在14～38英寸全系列屏壓機(jī)中的結(jié)構(gòu)外形沒有改變，只是幾何尺寸有相應(yīng)改變。

2.基于SolidWorks的零件庫二次開發(fā)

雖然SolidWorks給我們提供了強(qiáng)大的三維設(shè)計手段，但它卻是一款通用性軟件，因此針對一些專業(yè)性要求較高的應(yīng)用層面就略顯不足了。欲使3D設(shè)計軟件真正提高產(chǎn)品的設(shè)計效率，企業(yè)不僅要有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)零件庫，還要有基于產(chǎn)品典型零部件的企業(yè)自定義零件庫。設(shè)計者只有擁有了上述兩類零件庫，才能夠快速而有效地實現(xiàn)產(chǎn)品的3D設(shè)計。

通常，標(biāo)準(zhǔn)零件庫主要由軟件供應(yīng)商開發(fā)，而企業(yè)的自定義零件庫則多由企業(yè)自行開發(fā)或與相關(guān)科研單位聯(lián)合開發(fā)完成。在本項目研究中，為實現(xiàn)屏壓機(jī)的3D設(shè)計，企業(yè)通過產(chǎn)學(xué)研合作，以SolidWorks軟件為平臺，進(jìn)行了針對屏壓機(jī)產(chǎn)品的產(chǎn)品自定義零件庫的二次開發(fā)。

SolidWorks軟件預(yù)留有API接口，它支持多數(shù)流行的編程語言，如VB、VC++等。該企業(yè)采用VC++對典型產(chǎn)品零件進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計二次開發(fā)，包括人機(jī)交互和編程實現(xiàn)。所謂人機(jī)交互就是指通過建立合理的人機(jī)界面和參數(shù)選擇方式，以外部輸入的方式來獲取建模所需參數(shù)，利用設(shè)計變量賦值的改變實現(xiàn)模型更新，如圖1所示。編程實現(xiàn)即完全由程序控制來實現(xiàn)從VC++到應(yīng)用程序的調(diào)用以及參數(shù)的調(diào)用。后者相對復(fù)雜但可以實現(xiàn)較復(fù)雜零件的參數(shù)化設(shè)計目的。



圖1 人機(jī)界面方式生成零件

需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是參數(shù)化過程中初始參數(shù)的選擇一定要得當(dāng)，尤其是一些相對復(fù)雜的非標(biāo)件，否則會造成需要輸入十幾個甚至幾十個初始參數(shù)的尷尬局面，這也提示我們參數(shù)化設(shè)計的對象并非任意選擇的。

三、基于特征的產(chǎn)品虛擬裝配設(shè)計

對PY系列屏壓機(jī)產(chǎn)品的虛擬裝配設(shè)計（Virtual Assembly Design）過程（見圖2），即在計算機(jī)上對已經(jīng)建立的產(chǎn)品零件按照產(chǎn)品的裝配關(guān)系完成部件和整機(jī)的三維裝配模型，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用軟件提供的功能，進(jìn)行裝配零件之間的動、靜態(tài)干涉檢查。一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)計不合理之處及時調(diào)整與修改設(shè)計圖紙，從而可縮短產(chǎn)品制造與裝配生產(chǎn)過程的時間，降低產(chǎn)品的裝配成本，提高設(shè)計質(zhì)量。在本產(chǎn)品的3D設(shè)計與虛擬裝配過程中，發(fā)現(xiàn)原二維AutoCAD設(shè)計圖紙在管路設(shè)計上存在嚴(yán)重的干涉現(xiàn)象，通過在3D虛擬裝配圖中對個別管路位置進(jìn)行調(diào)整，可有效地解決管路的干涉問題。 #p#分頁標(biāo)題#e#



圖2 虛擬裝配設(shè)計流程圖

1. 確定裝配層次

裝配層次是指屏壓機(jī)總裝配體的子裝配體組成，即屏壓機(jī)裝配體由幾大部件來組成。屏壓機(jī)主要由屏壓機(jī)底座、旋轉(zhuǎn)工作臺、轉(zhuǎn)位系統(tǒng)、沖頭系統(tǒng)、完全成型、取出機(jī)構(gòu)、鐵砧與夾緊系統(tǒng)等部分組成，幾大部件由SolidWorks分別建模而成。

2. 確定裝配順序

根據(jù)屏壓機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸形式和各個部件間的約束關(guān)系，確定整個屏壓機(jī)的裝配順序。選定屏壓機(jī)底座為基準(zhǔn)進(jìn)行裝配，SolidWorks自動生成部件裝配順序，如圖3所示。



圖3 自動生成部件裝配順序

3. 確定裝配約束

裝配約束是確定基準(zhǔn)件和其他組成件的定位及相互約束關(guān)系，主要由裝配特征、約束關(guān)系和裝配設(shè)計管理樹組成。

4. 干涉檢查

SolidWorks中裝配體的干涉檢查分為靜態(tài)干涉檢查和動態(tài)干涉檢查。靜態(tài)干涉檢查是指在特定裝配結(jié)構(gòu)形式下，檢查裝配體的各個零部件之間的相對位置關(guān)系，是否存在干涉；而動態(tài)干涉檢查是檢查裝配體或裝配體的零部件在運(yùn)動過程中是否存在零部件之間的運(yùn)動干涉。14英寸屏壓機(jī)管路安排干涉檢查的情況如圖4所示。按照原來的設(shè)計尺寸，屏壓機(jī)油路管道與取出機(jī)發(fā)生干涉（如圖4箭頭所示），系統(tǒng)此時顯示動態(tài)干涉，因此調(diào)整油管路走向，以使干涉現(xiàn)象消失。



圖4 油路設(shè)置干涉檢查

在SolidWorks 軟件平臺上設(shè)計完成的PY14型數(shù)控彩顯玻殼屏壓機(jī)3D虛擬裝配圖如圖5所示。



圖5 PY14型屏壓機(jī)3D虛擬裝配設(shè)計

四、關(guān)鍵零件結(jié)構(gòu)的有限元分析

有限元分析（Finite Element Analysis）技術(shù)已發(fā)展成為工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析中必不可少的數(shù)值計算工具，廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械、土木結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。把有限元技術(shù)應(yīng)用到PY系列屏壓機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計過程中，為實現(xiàn)產(chǎn)品的高可靠性和耐用性（設(shè)備需要24小時運(yùn)轉(zhuǎn)并耐高溫）提供了有價值的理論依據(jù)，是實現(xiàn)提高設(shè)計質(zhì)量、縮短開發(fā)周期和降低設(shè)計成本的另一有效途徑。

目前比較流行的基于3D的機(jī)械零件和部件有限元分析軟件有ANSYS和COSMOS等，ANSYS功能強(qiáng)大，可以分別對熱力場、電磁場、流體場等進(jìn)行有限元分析，而COSMOS則是內(nèi)嵌到SolidWorks中的工程分析軟件，主要用來分析工件受力以及對工件的熱力學(xué)分析。COSMOS的內(nèi)嵌使得SolidWorks具有了在三維建模基礎(chǔ)上進(jìn)行工程分析的能力，使其應(yīng)用范圍更廣，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）有限元分析軟件COSMOS/Works與CAD軟件SolidWorks能夠?qū)崿F(xiàn)良好的無縫集成，從而保證了基于特征的有限元分析技術(shù)的實施。

（2）降低設(shè)計成本。相對于實物模型試驗，有限元分析技術(shù)的應(yīng)用可以節(jié)省大量設(shè)計、試驗費(fèi)用。

（3）縮短新產(chǎn)品開發(fā)時間和周期。在建模和分析過程中采用實體造型和參數(shù)化造型，方便修改原設(shè)計，縮短了確定最終合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)的時間。

（4）有限元分析技術(shù)是實現(xiàn)CAD/CAE/CAPP/CAM集成化的關(guān)鍵技術(shù)，也是實現(xiàn)產(chǎn)品的并行設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計的有效途徑。

在本產(chǎn)品設(shè)計中主要對取出機(jī)懸臂梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用COSMOS軟件進(jìn)行了有限元分析，得到的應(yīng)力云圖如圖6所示。



圖6 屏壓機(jī)取出機(jī)懸臂梁應(yīng)力云圖

五、數(shù)控彩顯玻殼屏壓機(jī)整機(jī)的3D設(shè)計與動態(tài)仿真

轉(zhuǎn)臺式數(shù)控彩顯玻殼屏壓機(jī)是一個集機(jī)電液控為一體、造價昂貴的大型精密復(fù)雜設(shè)備，為避免設(shè)備制造裝配后在運(yùn)行過程中發(fā)生干涉現(xiàn)象，確保設(shè)備研制和試車運(yùn)行一次成功，同時也為今后產(chǎn)品的市場推廣宣傳奠定良好的基礎(chǔ)，筆者應(yīng)用SolidWorks三維CAD軟件建立了設(shè)備的整機(jī)3D模型，應(yīng)用3D技術(shù)對所設(shè)計的產(chǎn)品及其運(yùn)行全過程進(jìn)行了三維動態(tài)仿真與模擬，很好地再現(xiàn)了設(shè)備的運(yùn)行狀況。屏壓機(jī)的整機(jī)仿真結(jié)果如圖7 a）所示，圖7 b）為設(shè)備轉(zhuǎn)臺運(yùn)行過程的局部放大圖。



a) b)

圖7 PY14型屏壓機(jī)3D動態(tài)仿真結(jié)果

六、結(jié)論

通過在SolidWorks軟件平臺上對數(shù)控彩顯玻殼屏壓機(jī)產(chǎn)品典型零件進(jìn)行3D建模和參數(shù)化設(shè)計，建立企業(yè)產(chǎn)品自定義零件庫，確保了企業(yè)應(yīng)用三維CAD技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的高效設(shè)計，進(jìn)而完成了PY型數(shù)控彩顯玻殼屏壓機(jī)的3D實體建模和虛擬裝配設(shè)計，為企業(yè)方便、快捷、準(zhǔn)確地研制開發(fā)系列產(chǎn)品提供了有力的技術(shù)保障，同時提高了企業(yè)技術(shù)應(yīng)用的水平，為企業(yè)的后續(xù)發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。#p#分頁標(biāo)題#e#