数控彩显玻壳屏压机参数化设计及虚拟装配

一、引言
数控彩显玻壳屏压机是电视机、电脑、医疗行业和电子检测行业仪器上的显象管玻壳压制生产的关键设备。世界上著名的彩显玻壳屏压机生产厂家有美国的康宁公司、林奇公司，日本的NEG公司、三菱重工和旭硝子株式会社。过去的若干年里，我国深圳、咸阳、上海、成都、安阳、石家庄、大连和天津玻壳制造厂的设备大都引进自上述几家公司。自1986年以来，沈阳中捷摇臂钻床厂在数控彩显玻壳屏压机的生产制造方面经历了合作生产——安装调试——项修、大修——改进设计——自行设计开发小型机——走向系列化、产业化批量生产的过程。现在，该厂已是继美国和日本之后，代表中国自主设计生产数控转台式彩显玻壳屏压机的国际第三大制造商，可以生产具有自主知识产权的14～38英寸彩显和背投电视机玻壳数控转台式屏压机，并开始为诸如国际最大的彩电玻壳制造基地安玻集团等企业提供高质量的系列装备和优质服务，产品的技术水平也已经达到了当代国际先进水平。

随着IT行业市场竞争的日趋激烈，为了满足市场对更大、效率更高的彩显玻壳屏压机的需求和用户对产品供货周期的要求，沈阳中捷摇臂钻床厂在不断改进制造工艺和设备的同时，在设计方面又引进了先进的三维CAD/CAE技术，从而进一步加快了企业系列化产品开发的速度，并提高了设计质量，满足了市场的需要。本文是对PY14型数控彩显玻壳屏压机应用SolidWorks三维设计软件和COSMOS有限元分析软件进行参数化设计和虚拟装配设计工作的介绍。

二、零件3D参数化设计技术

1.3D参数化设计的基本思想

机械产品的3D设计主要包括产品零件的3D建模与设计、虚拟装配与干涉检查、关键零部件的结构有限元分析与优化、2D工程图的转换和参数标注等。三维参数化设计软件的思想是零件尺寸的参数驱动，即我们在设计零件之初只要给出零件外形轮廓（零件设计尺寸变量D、R、X），后续只需通过简单的表达式来给变量赋值，定义几何尺寸。几何尺寸也可以以变量的形式出现在表达式中以驱动其他几何尺寸，也就是说SolidWorks不仅记录了建模过程中的尺寸定义，而且将整个建模过程中的特征操作完整地记录下来，只需给尺寸变量赋值就可以实现模型更新。当然，参数化设计也是要遵循一定规律的，并不是针对任何零部件都可以进行参数化设计，只有结构尺寸相对标准化、系列化，国标或厂标对其有准确描述的零件才可以进行参数化设计。例如屏压机中所使用的各种垫片、锁紧螺母、轴承以及气缸等部件就完全可实现参数化设计，因其在14～38英寸全系列屏压机中的结构外形没有改变，只是几何尺寸有相应改变。

2.基于SolidWorks的零件库二次开发

虽然SolidWorks给我们提供了强大的三维设计手段，但它却是一款通用性软件，因此针对一些专业性要求较高的应用层面就略显不足了。欲使3D设计软件真正提高产品的设计效率，企业不仅要有相关的标准零件库，还要有基于产品典型零部件的企业自定义零件库。设计者只有拥有了上述两类零件库，才能够快速而有效地实现产品的3D设计。

通常，标准零件库主要由软件供应商开发，而企业的自定义零件库则多由企业自行开发或与相关科研单位联合开发完成。在本项目研究中，为实现屏压机的3D设计，企业通过产学研合作，以SolidWorks软件为平台，进行了针对屏压机产品的产品自定义零件库的二次开发。

SolidWorks软件预留有API接口，它支持多数流行的编程语言，如VB、VC++等。该企业采用VC++对典型产品零件进行了参数化设计二次开发，包括人机交互和编程实现。所谓人机交互就是指通过建立合理的人机界面和参数选择方式，以外部输入的方式来获取建模所需参数，利用设计变量赋值的改变实现模型更新，如图1所示。编程实现即完全由程序控制来实现从VC++到应用程序的调用以及参数的调用。后者相对复杂但可以实现较复杂零件的参数化设计目的。



图1 人机界面方式生成零件

需要强调的一点是参数化过程中初始参数的选择一定要得当，尤其是一些相对复杂的非标件，否则会造成需要输入十几个甚至几十个初始参数的尴尬局面，这也提示我们参数化设计的对象并非任意选择的。

三、基于特征的产品虚拟装配设计

对PY系列屏压机产品的虚拟装配设计（Virtual Assembly Design）过程（见图2），即在计算机上对已经建立的产品零件按照产品的装配关系完成部件和整机的三维装配模型，在此基础上应用软件提供的功能，进行装配零件之间的动、静态干涉检查。一旦发现设计不合理之处及时调整与修改设计图纸，从而可缩短产品制造与装配生产过程的时间，降低产品的装配成本，提高设计质量。在本产品的3D设计与虚拟装配过程中，发现原二维AutoCAD设计图纸在管路设计上存在严重的干涉现象，通过在3D虚拟装配图中对个别管路位置进行调整，可有效地解决管路的干涉问题。 #p#分页标题#e#



图2 虚拟装配设计流程图

1. 确定装配层次

装配层次是指屏压机总装配体的子装配体组成，即屏压机装配体由几大部件来组成。屏压机主要由屏压机底座、旋转工作台、转位系统、冲头系统、完全成型、取出机构、铁砧与夹紧系统等部分组成，几大部件由SolidWorks分别建模而成。

2. 确定装配顺序

根据屏压机的结构尺寸形式和各个部件间的约束关系，确定整个屏压机的装配顺序。选定屏压机底座为基准进行装配，SolidWorks自动生成部件装配顺序，如图3所示。



图3 自动生成部件装配顺序

3. 确定装配约束

装配约束是确定基准件和其他组成件的定位及相互约束关系，主要由装配特征、约束关系和装配设计管理树组成。

4. 干涉检查

SolidWorks中装配体的干涉检查分为静态干涉检查和动态干涉检查。静态干涉检查是指在特定装配结构形式下，检查装配体的各个零部件之间的相对位置关系，是否存在干涉；而动态干涉检查是检查装配体或装配体的零部件在运动过程中是否存在零部件之间的运动干涉。14英寸屏压机管路安排干涉检查的情况如图4所示。按照原来的设计尺寸，屏压机油路管道与取出机发生干涉（如图4箭头所示），系统此时显示动态干涉，因此调整油管路走向，以使干涉现象消失。



图4 油路设置干涉检查

在SolidWorks 软件平台上设计完成的PY14型数控彩显玻壳屏压机3D虚拟装配图如图5所示。



图5 PY14型屏压机3D虚拟装配设计

四、关键零件结构的有限元分析

有限元分析（Finite Element Analysis）技术已发展成为工程和产品结构设计与分析中必不可少的数值计算工具，广泛应用于航空航天、机械、土木结构等领域。把有限元技术应用到PY系列屏压机关键部件的设计过程中，为实现产品的高可靠性和耐用性（设备需要24小时运转并耐高温）提供了有价值的理论依据，是实现提高设计质量、缩短开发周期和降低设计成本的另一有效途径。

目前比较流行的基于3D的机械零件和部件有限元分析软件有ANSYS和COSMOS等，ANSYS功能强大，可以分别对热力场、电磁场、流体场等进行有限元分析，而COSMOS则是内嵌到SolidWorks中的工程分析软件，主要用来分析工件受力以及对工件的热力学分析。COSMOS的内嵌使得SolidWorks具有了在三维建模基础上进行工程分析的能力，使其应用范围更广，其优势主要体现在以下几点：

（1）有限元分析软件COSMOS/Works与CAD软件SolidWorks能够实现良好的无缝集成，从而保证了基于特征的有限元分析技术的实施。

（2）降低设计成本。相对于实物模型试验，有限元分析技术的应用可以节省大量设计、试验费用。

（3）缩短新产品开发时间和周期。在建模和分析过程中采用实体造型和参数化造型，方便修改原设计，缩短了确定最终合理的结构参数的时间。

（4）有限元分析技术是实现CAD/CAE/CAPP/CAM集成化的关键技术，也是实现产品的并行设计和优化设计的有效途径。

在本产品设计中主要对取出机悬臂梁结构应用COSMOS软件进行了有限元分析，得到的应力云图如图6所示。



图6 屏压机取出机悬臂梁应力云图

五、数控彩显玻壳屏压机整机的3D设计与动态仿真

转台式数控彩显玻壳屏压机是一个集机电液控为一体、造价昂贵的大型精密复杂设备，为避免设备制造装配后在运行过程中发生干涉现象，确保设备研制和试车运行一次成功，同时也为今后产品的市场推广宣传奠定良好的基础，笔者应用SolidWorks三维CAD软件建立了设备的整机3D模型，应用3D技术对所设计的产品及其运行全过程进行了三维动态仿真与模拟，很好地再现了设备的运行状况。屏压机的整机仿真结果如图7 a）所示，图7 b）为设备转台运行过程的局部放大图。



a) b)

图7 PY14型屏压机3D动态仿真结果

六、结论

通过在SolidWorks软件平台上对数控彩显玻壳屏压机产品典型零件进行3D建模和参数化设计，建立企业产品自定义零件库，确保了企业应用三维CAD技术进行产品的高效设计，进而完成了PY型数控彩显玻壳屏压机的3D实体建模和虚拟装配设计，为企业方便、快捷、准确地研制开发系列产品提供了有力的技术保障，同时提高了企业技术应用的水平，为企业的后续发展奠定了坚实的基础。#p#分页标题#e#