第十一章_基于快速成型技術的產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)

1、第十一章第十一章 基于快速成型技術的產(chǎn)品快速設計基于快速成型技術的產(chǎn)品快速設計 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及其應用快速成型與快速模具制造技術及其應用機械工業(yè)出版社（第三版）機械工業(yè)出版社（第三版） 第十一章第十一章 基于快速成型技術的產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)基于快速成型技術的產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng) 市場經(jīng)濟的激烈競爭使全球制造業(yè)的戰(zhàn)略重心已逐步從擴大生產(chǎn)規(guī)模、降低產(chǎn)品成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量轉(zhuǎn)移至加快市場響應速度上。許多先進企業(yè)的產(chǎn)品周期，已經(jīng)步入了“三個三”（產(chǎn)品設計周期三周，試制周期三個月，生產(chǎn)周期三年）。誰能夠在新產(chǎn)品研制與開發(fā)過程中走在前面，誰就在激烈的市場競爭中占據(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及基于快速原型的快速模具制造技術在新產(chǎn)品開發(fā)及單件、小批量產(chǎn)品生產(chǎn)中已為企業(yè)帶來了顯著的經(jīng)濟效益。為了有效地發(fā)揮快速成型與快速模具制造技術的優(yōu)越性，將該項技術與相關軟硬件資源進行集成，組建產(chǎn)品/模具快速設計與制造技術體系是十分必須的，該體系的建立對有效地發(fā)揮快速成型與快速模具制造技術的優(yōu)越性，更好地為企業(yè)提供支持與服務是十分重要的。 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)品快速設計與制造系統(tǒng)的構(gòu)建產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的構(gòu)建 產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的應用產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的應用1324

3、第十一章第十一章 基于快速成型技術的產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)基于快速成型技術的產(chǎn)品快速設計與制造系統(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)品快速設計與制造系統(tǒng)應視為集工業(yè)設計、計算機三維CAD技術、反求工程、結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設計、工藝仿真、快速原型制造、快速模具制造和快速產(chǎn)品制造等的一個集成制造系統(tǒng)。從當前基于快速成型技術的產(chǎn)品設計角度來看，一般有兩種產(chǎn)品快速設計方法，即從概念到產(chǎn)品和從樣品到產(chǎn)品。對于從概念到產(chǎn)品的設計方法，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；對于從樣品到產(chǎn)品的快速設計方法，其步驟為：樣品、反求（逆向）工程、曲面擬合/修補

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，無論初始已知條件是一個概念、一個樣品還是一張圖紙，都可借助于計算機三維設計、快速成型技術和快速模具制造技術進行產(chǎn)品的快速設計與制造。對于產(chǎn)品設計，除了幾何形狀設計以外，還應當進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計，通過對構(gòu)件在實際工作環(huán)境下的工作過程仿真和在仿真基礎上的優(yōu)化設計，達到產(chǎn)品的最佳設計目的。此外，還應當考慮所設計的產(chǎn)品的制造工藝性問題，即可加工性。例如，對于產(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、幾何形狀等設計的同時，還應當考慮所設計的產(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應的生產(chǎn)用模具的成本與復雜性等因

5、素。因此，產(chǎn)品設計過程是集美學、工業(yè)設計、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計過程，產(chǎn)品設計不能僅考慮單一或幾個因素。 根據(jù)上述分析，產(chǎn)品快速設計與制造系統(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/模具快速設計與制造系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)模具快速設計與制造系統(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)品快速設計與制造系統(tǒng)的構(gòu)建產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的構(gòu)建 產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的應用產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的應用1324第十一章第十一章 基于快速成型

6、技術的產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)基于快速成型技術的產(chǎn)品快速設計與制造系統(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)品快速設計與制造系統(tǒng)應具備的功能，該套系統(tǒng)應配備的軟硬件資源闡述如下：（1）造型軟件產(chǎn)品的現(xiàn)代設計已基本甩脫傳統(tǒng)的圖紙描述方式，而直接在三維造型軟件平臺上進行。目前，幾乎盡善盡美的商品化CAD/CAM一體化軟件為產(chǎn)品造型提供了強大的空間，使設計者的概念設計能夠隨心所欲，且特征修改也十分方便。目前，應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)設計既

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)品設計經(jīng)外觀及加工可行性評估后，能否滿足在給定工況下的使用要求，需要進行結(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行安全性評估，進而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。目前，應用較多的結(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)出滿足設計要求的產(chǎn)品，傳統(tǒng)的試錯方法在生產(chǎn)過程中需反復地修改模具結(jié)構(gòu)和工藝方案。這樣，不可避免地會提高產(chǎn)品的生產(chǎn)成本和延長產(chǎn)品的生產(chǎn)周期?；诠に?/p>

8、仿真的CAE技術的發(fā)展，大大降低了從CAD到CAM的風險，使設計、仿真與制造并行，以確保產(chǎn)品開發(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)品開發(fā)過程中的另一條重要路線就是樣件的反求。反求是對存在的實物模型或零件進行測量并根據(jù)測量數(shù)據(jù)重構(gòu)出實物的CAD模型，進而對實物進行分析、修改、檢驗和制造的過程。反求工程主要用于已有零件的復制、損壞或磨損零件

9、的還原、模型精度的提高及數(shù)字化模型檢測等。反求的主要方法有三坐標測量法、投影光柵法、激光三角形法、核磁共振和CT法以及自動斷層掃描法等。反求工程中較大的工作量就是離散數(shù)據(jù)的處理。一般來說，反求系統(tǒng)中應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，也有獨立的曲面擬合與修補軟件，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）快速原型制造設備 快速原型制造設備相當于一臺三維打印機，能夠快速、便捷地將產(chǎn)品的三維設計“打印”成特定材料的物理模型，用于產(chǎn)品設計檢驗與評估及裝配與功能校核等。依據(jù)使用的原材料及構(gòu)建技術的不同，快速原

10、型制造設備主要有光固化成型設備、疊層實體制造設備、熔融沉積制造設備及選擇性激光燒結(jié)設備等。（6）快速模具制造設備 由于快速成型制造技術受成型材料的限制，要想獲得所需材料的單件或小批量產(chǎn)品，還需要通過模具進行翻制，由此，基于快速原型的經(jīng)濟型快速模具技術得到迅速發(fā)展。根據(jù)不同的制造工藝，快速模具制造過程中常用的設備主要有真空注型設備、電加工成型設備、金屬噴涂設備等。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）計算機工作站 產(chǎn)品三維造型的CAD/CAM軟件平臺需要性能優(yōu)越的計算機圖形工作站支持，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析及成形工藝仿真同樣需要高速的計算機工作站。目前，計算機工作站的發(fā)展速度也同微機一樣日新月異

11、。許多品牌產(chǎn)品得到廣泛認可，如美國SGI公司的OCTANE及O2圖形工作站、美國IBM公司的M-Pro工作站、SUN工作站及國內(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圖形處理及運算速度的要求。 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)品快速設計與制造系統(tǒng)的構(gòu)建產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的構(gòu)建 產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的應用產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的應用1324第十一章第十一章 基于快速成型技術的產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)基于快速成型技術的產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)第三節(jié)第三節(jié) 產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的構(gòu)

12、建產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的構(gòu)建產(chǎn)品設計實施數(shù)字化并且與成形工藝仿真及優(yōu)化技術集成，可以快速地完成產(chǎn)品設計，并有效地確保所設計的產(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的產(chǎn)品快速設計、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反求設備反求設備MARCMOFLOWDEFORMDYNAFORMSPS600 SLA設備設備HRP III LOM設備設備HRPS IV SLS設備設備F2000真空注型機真空注型機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)氧樹脂模具環(huán)氧樹脂模具圖圖 11-2 產(chǎn)品快速設計、工藝仿真優(yōu)化與快速制造技術集成系統(tǒng)產(chǎn)品快速設計、工藝仿真優(yōu)化與快速制造技術集成系統(tǒng)第三節(jié)第三節(jié) 產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的構(gòu)建產(chǎn)品快速設計與制造系統(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的通用三維CAD軟硬件平臺以及反求設備與數(shù)據(jù)處理軟件為支承，可以快速實現(xiàn)產(chǎn)品的數(shù)字化設計； 結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化單元確保產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計滿足使用要求； 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，檢驗與評估產(chǎn)品的外觀與結(jié)構(gòu)并適當驗證產(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行硅橡膠等快速模具的制造和樹脂等材料的產(chǎn)品真空注型。 第三節(jié)第三節(jié) 產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的構(gòu)建產(chǎn)品快速設計與制造系統(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)品開發(fā)相關的單元技術進行了密集集成，產(chǎn)品的設計從完備的數(shù)字化手段開始，先進、高效、包含產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的全部信息； 自主開發(fā)的IGES格式數(shù)據(jù)與STL格式數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換軟件，徹底實現(xiàn)了CAD系統(tǒng)和RP系統(tǒng)的無縫集成； 自主開發(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，擴大了RP系統(tǒng)單元的適用范圍和進一步提高了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集成

15、于CAD與RP之間，在RP單元進行外觀與裝配檢驗之前消除產(chǎn)品使用和工藝可行性的缺陷； RE、RP、RT的集成進一步提高了產(chǎn)品開發(fā)的速度和效率； 在反求單元技術中，本系統(tǒng)對于具有內(nèi)部型腔的樣件，根據(jù)形狀復雜程度提出了剖切樣件及翻模測量法，實現(xiàn)了具有復雜內(nèi)腔的數(shù)據(jù)高精度采集。 第三節(jié)第三節(jié) 產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的構(gòu)建產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的構(gòu)建 對于某種新產(chǎn)品，可以從概念設計或根據(jù)某個類似樣品經(jīng)反求開始，通過計算機CAD軟件或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與擬合軟件進行產(chǎn)品外觀、結(jié)構(gòu)及其另部件的三維造型設計，如果構(gòu)件為運動或受力部件，則根據(jù)運動或受力狀態(tài)，建立數(shù)學模型，分析構(gòu)件的運動狀態(tài)或受力狀態(tài)，從而對結(jié)構(gòu)進行

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備，制作原型，再次進行外觀評估、設計檢驗、裝配檢驗等，如果檢驗后發(fā)現(xiàn)需要修改，則返回CAD三維設計，修正設計方案，同時還應當考慮材料成形的工藝性，從成形工藝的難度、模具形狀的復雜程度及其工序數(shù)目等多方面綜合考慮，從而在外觀、結(jié)構(gòu)、運動或受力狀態(tài)、成形工藝、模具開發(fā)成本等多方面到達綜合平衡，隨后，進行成形過程工藝和模具設計，并建立過程模擬模型，進行成形過程數(shù)值模擬，驗證成形工藝和模具設計方案的可行性，對于塑料制品，還可以通過快速軟質(zhì)模具的制作，配合真空注型設備與工藝，快速進行小批量制品的制造，以配合整套產(chǎn)品的評價和市場試銷，當整個設計開發(fā)環(huán)節(jié)結(jié)

17、束后，第三節(jié)第三節(jié) 產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的構(gòu)建產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的構(gòu)建進行批量生產(chǎn)用模具的制造，進而完成產(chǎn)品的整個設計、開發(fā)和生產(chǎn)過程。在整個開發(fā)過程中，數(shù)字化設計與制造貫徹于整個環(huán)節(jié)之中。有效地提高了產(chǎn)品的開發(fā)速度、開發(fā)質(zhì)量，減少了開發(fā)成本和風險。產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)可以顯著加強快速原型與基于快速原型的快速模具制造技術的系統(tǒng)性、適應性及高效性。從概念設計或樣品反求開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間，其設計與制造過程是相當迅速的。 RP&M和RT技術填補了產(chǎn)品CAD與CAM之間存在的鴻溝，實現(xiàn)了產(chǎn)品CAD與CAM的有機集成，是產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)中的核心技

18、術。無論是始于產(chǎn)品的概念設計還是直接進行樣品的數(shù)據(jù)反求，要想實現(xiàn)產(chǎn)品的快速設計與制造，都需要RP&M和RT技術的強有力的支持。 第三節(jié)第三節(jié) 產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的構(gòu)建產(chǎn)品快速設計與制造系統(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)品快速設計與制造系統(tǒng)的構(gòu)建產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的構(gòu)建 產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的應用產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的應用1324第十一章第十一章 基于快速成型技術的產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)基于快速成型技術的產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)第四節(jié)第四節(jié) 產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的應用產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的應用利用所構(gòu)建的產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)中的造型

19、軟件和反求設備的軟硬件資源，能夠快速地實現(xiàn)產(chǎn)品的三維設計。 1. 概念設計與快速制造概念設計與快速制造 利用所構(gòu)建的產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)中的造型軟件和反求設備的軟硬件資源，能夠快速地實現(xiàn)產(chǎn)品的三維設計。 （1） 探測儀產(chǎn)品概念設計與快速制作 探測儀是一種能快速、準確地探測地下電纜、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)品開發(fā)要求，根據(jù)用戶的提議和構(gòu)思，并參照國外該類似產(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平臺上進行了該產(chǎn)品的快速設計。v 4.1 產(chǎn)品快速設計與制造實例產(chǎn)品快速設計與制造實例 圖圖11-3 探測儀產(chǎn)品的三維設

20、計探測儀產(chǎn)品的三維設計第四節(jié)第四節(jié) 產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的應用產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的應用圖圖 11-4 探測儀產(chǎn)品的探測儀產(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)品快速設計與制造系統(tǒng)的應用產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的應用 （2） 松下新型電視機前面板殼體及機芯設計與快速制造 松下電視機設計部門在產(chǎn)品開發(fā)的最后環(huán)節(jié)是為銷售部門提交產(chǎn)品設計的樣機，國內(nèi)某合資公司在完成新型電視機外殼注塑件外觀及結(jié)構(gòu)的2D圖紙設計后，進行了產(chǎn)品的三維快速設計與前面板殼體樣件的制作。在2D圖紙到3D CAD模型過程中，進一步完善了該產(chǎn)品的設計。11-5圖給出了該新型電視機前面板殼體和機芯的三維設計，以及

21、通過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塑料的機芯產(chǎn)品，如圖11-6所示。 第四節(jié)第四節(jié) 產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的應用產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的應用圖圖 11-5 電視機前面板殼體和機芯的三維設計電視機前面板殼體和機芯的三維設計第四節(jié)第四節(jié) 產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的應用產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的應用圖圖 11-6 電視機前面板殼體和機芯產(chǎn)品電視機前面板殼體和機芯產(chǎn)品第四節(jié)第四節(jié) 產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的應用產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的應用2. 反求方法實現(xiàn)產(chǎn)品的快速設計反求方法實現(xiàn)產(chǎn)品的快速設計 (1) 吉普車車輪反求與設計 吉普車車輪的設計在必須滿足強度和剛度等使用要

22、求外，廠家同時也追求其外觀的美感。利用RENISHAW反求系統(tǒng)對車輪樣件進行數(shù)據(jù)反求，并根據(jù)要求進行外觀及結(jié)構(gòu)的改進設計。吉普車車輪的五個風孔均布，因而只測量其中之一，測量的點云數(shù)據(jù)及根據(jù)測量數(shù)據(jù)設計的車輪如圖11-7所示。在車輪外觀設計過程中，為便于用戶評估，對每一種設計都進行了LOM原型的制作，根據(jù)評估意見和結(jié)構(gòu)有限元仿真，對車輪的外觀及結(jié)構(gòu)進行了數(shù)次改進，最終確定了合理的設計方案，其樣件及各次設計的原型如圖11-8所示。 第四節(jié)第四節(jié) 產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的應用產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的應用風孔數(shù)據(jù)點云車輪三維造型 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計

23、吉普車車輪反求與設計第四節(jié)第四節(jié) 產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的應用產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的應用樣件 第一次設計 第二次設計 第三次設計圖圖 11-8 吉普車車輪外觀及結(jié)構(gòu)設計改進吉普車車輪外觀及結(jié)構(gòu)設計改進第四節(jié)第四節(jié) 產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的應用產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的應用 (2) 氣輪機葉輪反求與設計 氣輪機葉輪的尺寸比較精細，形狀比較復雜，因所要求的形狀尺寸精度很高，無法采用常規(guī)測量方法進行CAD模型的構(gòu)建。為此，采用RENISHAW公司Cyclone反求系統(tǒng)進行了葉輪形狀測量，并進行葉輪表面曲率和反光輔助分析。根據(jù)測量數(shù)據(jù)快速地實現(xiàn)了定子與轉(zhuǎn)子的三維設計，如圖11-9所示。 第四節(jié)第四節(jié)

24、產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的應用產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的應用氣輪機定子三維造型 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 汽輪機葉輪反求與定子和轉(zhuǎn)子設計汽輪機葉輪反求與定子和轉(zhuǎn)子設計第四節(jié)第四節(jié) 產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的應用產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的應用叉架是滾筒式洗衣機中連接和支撐內(nèi)筒和外筒的關鍵零件。在工作過程中洗衣機內(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上，總是想盡量提高洗衣機對衣物的甩干效果，以提高烘干效果，這樣又勢必產(chǎn)生更為嚴重的偏心載荷，對叉架的

25、強度和剛度提出更高的要求。同時叉架又是一個支撐部件，其與包括洗衣機的核心部件在內(nèi)的多個零部件，都存在著裝配關系，這對叉架的設計提出了嚴格的要求，既要滿足強度剛度的要求，又要滿足裝配關系。第四節(jié)第四節(jié) 產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的應用產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的應用v 4.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化實例產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化實例 某洗衣機廠以前的設計思路是：參照國外的產(chǎn)品進行類比設計，考慮各裝配關系，確定其結(jié)構(gòu)與尺寸參數(shù)，然后進行試制校驗，如不能滿足要求，則須重新進行上述的設計過程。這樣大大增加了產(chǎn)品的開發(fā)周期，增加了開發(fā)成本，屬于一種完全被動的開發(fā)模式。針對上述問題，我們確定了叉架三維結(jié)構(gòu)設計、有限元結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析、快速原

26、型評估檢驗的新思路，實現(xiàn)了設計的一次成功，從而大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低了開發(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)洗衣機對叉架的功能要求和裝配要求等，利用CAD/CAE/CAM一體化軟件UG對叉架進行了初步三維概念設計，得到了叉架的三維CAD模型，通過數(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軟件對整個結(jié)構(gòu)進行離散化處理。 叉架基本上為一帶有三個支臂的薄殼結(jié)構(gòu)，中心有一厚度較大的圓臺。第四節(jié)第四節(jié) 產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的應用產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的應用根據(jù)叉形架的結(jié)構(gòu)受力情況，對其邊界條件進行相應處理，從而建立了與實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。其中右圖為針對該電器元件安裝要求，在叉架上開有一個缺口。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)品快速設計與制造系統(tǒng)的應用產(chǎn)品快速設計與制造系統(tǒng)的應用將產(chǎn)生的離心力以面力的形式，按等效原則加到相應的面上。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：所設計叉架的強度剛度滿足要求，但支臂靠近中心圓臺處的應力較大，特別是中心圓臺與薄殼的連接處，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)生了明顯的應力集中現(xiàn)象，最大等效應力可達89.5MPa。就變形而言，支架在工作過程中，與各支臂相對的薄殼外圓周上的變形最大，最大變形