Pro/E在家電設(shè)計中的應(yīng)用研究

段家現(xiàn)

（梧州學(xué)院 機械與材料工程學(xué)院，廣西 梧州 543002）

0 引言

市場競爭中，家電企業(yè)需要提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短設(shè)計和制造周期，快速地推出實用新穎、先進好用、物美價廉的家用電器，滿足市場需求，占領(lǐng)市場先機。企業(yè)自身必須有規(guī)范高效的產(chǎn)品開發(fā)開發(fā)模式和與其相對應(yīng)的Pro/ Engineer 等現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的綜合應(yīng)用。

Pro/Engineer 是美國PTC 公司推出的參數(shù)化工程設(shè)計軟件，簡稱Pro/E。集零件設(shè)計、產(chǎn)品裝配、工程圖設(shè)計、模具設(shè)計、NC 加工、鈑金設(shè)計、造型設(shè)計、逆向工程、機械模擬、有限元分析、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等功能于一體，廣泛應(yīng)用于電子、機械、汽車、航空航天、家電、玩具等領(lǐng)域[1]。

1 Pro/E 參數(shù)化產(chǎn)品設(shè)計的特性[2]

（1）三維實體模型。將設(shè)計概念以最真實的數(shù)字模型在計算機上呈現(xiàn)出來，可以計算出零件或產(chǎn)品的體積、面積、質(zhì)心、重量、慣性矩等，提高虛擬產(chǎn)品的真實。

（2）單一數(shù)據(jù)庫特性。不論二維或三維上修正尺寸時，與之相關(guān)的二維或三維圖形均自動修改，同時裝配組件、制造、模具等相關(guān)設(shè)計也會自動修改，保證了數(shù)據(jù)的一致性。提供了雙向關(guān)聯(lián)性的功能，符合現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中 “并行工程” 的理念。

（3）以特征作為設(shè)計的單位。特征作為設(shè)計的基本單元，可以隨時對特征做順序調(diào)整、插入特征、刪除特征、重新定義特征等修正操作，以最自然的思考方式進行設(shè)計。

（4）參數(shù)化設(shè)計。運用強大的數(shù)學(xué)運算方式，創(chuàng)建各尺寸參數(shù)之間的關(guān)系式，使得模型可自動計算出應(yīng)有的外型。

2 家電產(chǎn)品設(shè)計的要求及內(nèi)容

2.1 家電設(shè)計要求

（1）敏捷設(shè)計。根據(jù)用戶消費特點和市場需求，做出快速響應(yīng)，最大限度縮短產(chǎn)品設(shè)計和制造的周期。敏捷設(shè)計貫穿產(chǎn)品總體方案設(shè)計，結(jié)構(gòu)設(shè)計、電氣控制設(shè)計、工藝設(shè)計、模具設(shè)計與制造等整個產(chǎn)品設(shè)計周期。

（2）精良設(shè)計。家電設(shè)計要求整個產(chǎn)品零缺陷，追求零變更，各個零部件完美組合。充分運用現(xiàn)代設(shè)計方法和先進的CAD/CAM/CAE 集成軟件相結(jié)合的設(shè)計手段。

2.2 家電設(shè)計內(nèi)容

家電產(chǎn)品設(shè)計基本流程是： 產(chǎn)品調(diào)研和需要分析→產(chǎn)品總體方案設(shè)計→結(jié)構(gòu)設(shè)計→模具設(shè)計→工藝設(shè)計→裝配設(shè)計→樣件試制等。主要內(nèi)容如下：

（1） 產(chǎn)品總體方案設(shè)計，完成產(chǎn)品的造型設(shè)計

（2） 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計，完成零件設(shè)計。

（3） 零件和裝配的工程圖設(shè)計。

（4） 零件結(jié)構(gòu)工藝分析，模具設(shè)計。

（5） 虛擬和優(yōu)化設(shè)計。

3 Pro/E 在家電產(chǎn)品設(shè)計中應(yīng)用特點

3.1 做好Pro/E 的系統(tǒng)規(guī)劃和配置

系統(tǒng)規(guī)劃和配置決定Pro／E 的使用環(huán)境、使用界面、各種庫文件的調(diào)用，對Pro／E 的實施和應(yīng)用至關(guān)重要。主要規(guī)劃和配置內(nèi)容如下：

（1）配置Config.sup、Config.pro、Config.win 等系統(tǒng)文件。

（2）建立三維模板文件。利于實現(xiàn)設(shè)計文件的標準化。如單位設(shè)置、參數(shù)設(shè)置、層設(shè)置、標注樣式等。

（3）配置工程圖dtl 文件和建立標準的工程圖格式（frm）文件。

（4）庫配置。建立全面準確的庫配置，配置標準件、通用件庫、材料庫、符號庫、公差表庫、鈑金表等。

3.2 利用Top-Down 進行家電設(shè)計

Top-Down 是控制Pro/E 相關(guān)性設(shè)計工具最好的方法。大型和復(fù)雜的家電產(chǎn)品，必須采用Top-Down 設(shè)計可用來管理大型裝配，組織復(fù)雜設(shè)計并與項目組成員共享設(shè)計信息。

Top-Down 設(shè)計的基本步驟是： 定義設(shè)計意圖→定義初步的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)→定義骨架模型→通過裝配結(jié)構(gòu)傳遞設(shè)計意圖→組織后續(xù)設(shè)計→管理元件間的相互性。

家電設(shè)計的上游是造型設(shè)計，造型工具有3Dmax、UG、Rhino、Inventor 等軟件，Pro/E 通過IGS 和STP 格式文件，調(diào)用造型文件，建立骨架模型，進行結(jié)構(gòu)的詳細設(shè)計。即Pro/E 在家電設(shè)計中常用的骨架設(shè)計法（Skeleton+Publish Geom+Copy Geom）。

3.3 三維造型技術(shù)應(yīng)用

家電產(chǎn)品主要是由塑料件、管件、鈑金件組成，外觀多以自由變化的曲線、曲面組成。Pro/E 的三維造型技術(shù)是基于特征和參數(shù)化，主要三維造型模塊有Pro/Feature、Pro/Sheetmetal、Pro/Surface，其建模特點比較適合塑料件、管件、鈑金件等零件的設(shè)計。

Pro/ Feature 是Pro/E 的基本建模模塊，包括彎面造型、零件抽空、三維式掃描造型功能、多截面造型功能、薄片設(shè)計等。適用于冰箱燈罩、接水盒、電飯煲蓋、平板電視外殼等塑料件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

Pro/Sheetmetal 是Pro/E 鈑金模塊，包括分離壁及連續(xù)壁的設(shè)計、鈑金材料沖孔及剪邊、沖模鈑金成形、鈑金折彎及卷曲、鈑金展開、鈑金特性的設(shè)定等。適用物冰箱側(cè)幫及后板、電壓鍋外殼、電腦機箱殼體、洗衣機殼體、鈑金梁等五金零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

Pro/Surface 是Pro/E 的曲面造型模塊，包括曲線和曲面的生成、輸入、編輯等功能，可以快速地生成嚴格的自由曲面和幾何曲面，適用于復(fù)雜的曲面設(shè)計，如：空調(diào)機造型、洗衣機造型、洗衣機波輪、攝像機造型、抽煙機造型、電風(fēng)扇造型等。也可以使用Pro/E ISDX（Interactive Surface Design Extension）自由形狀曲面設(shè)計功能，快速輕松地完成準確并且具有獨特美感的產(chǎn)品設(shè)計。

3.4 工程圖設(shè)計

家電產(chǎn)設(shè)計的上游是造型設(shè)計、三維建模，下游則是裝配和零件的工程圖設(shè)計。工程圖是將對象的形狀、大小、相對位置、技術(shù)要求等信息，按照一定的投影方法和技術(shù)規(guī)定表達在圖紙上[1]。

Pro/Detail 是Pro/E 的工程圖設(shè)計模塊，主要功能有： 自動尺寸標注、參數(shù)特征生成，全尺寸修飾，自動生成投影面，輔助面，截面和局部視圖，允許直接從Pro/E 的實體造型產(chǎn)品按ANSI/ISO/JIS/DIN 標準的工程圖。

工程圖設(shè)計時，利用Pro/Detail 進行調(diào)用工程圖模板文件和配置文件、創(chuàng)建工程圖視圖、二維草繪、工程圖的標注、材料清單（BOM 表）的制作及應(yīng)用等。

3.5 模具CAD/CAM 的應(yīng)用

家電零件多數(shù)為塑料件、鈑金件，其生產(chǎn)必須依靠塑料模具、沖壓模具來完成。Pro/Moldesign 和Pro/Manufacturing 模塊為模具CAD/CAM 提供支持。

塑料模利用Pro/Moldesign 模塊創(chuàng)建模具模型、建立分型面、分割模具、模具檢測分析、試模、開模、模流分析、模具布局設(shè)計、調(diào)用模具專家系統(tǒng)EMX （Expert Moldbase Extension）模架。然后利用Pro/Manufacturing 模塊建立加工模型、進行加工設(shè)定、加工模擬、后置處理及數(shù)控代碼生成等內(nèi)容，并與數(shù)控加工中心控制系統(tǒng)集成[3]。同時，使用Pro/Assembly 模塊的Analysis 進行全局干涉檢查（MoldAnalysis→Global interference→Compute），對有干涉的地方及時進行修改與優(yōu)化，直到?jīng)]有任何干涉為止[4]。

鈑金件往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜、需要有多道沖壓工序，生產(chǎn)批量大，常選擇連續(xù)沖壓模。而連續(xù)模設(shè)計系統(tǒng) “Progressive Die Extension（PDX）”作為Pro/E 的專用掛件，提高了連續(xù)模設(shè)計效率。

3.6 裝配與優(yōu)化設(shè)計

Pro/Assembly 是一個參數(shù)化組裝管理系統(tǒng)，支持家電產(chǎn)品設(shè)計時的自頂向下（Top-down）的模式和自底向上（Bottom-up）模式。

自頂向下（Top-down）的裝配設(shè)計模式，先確定產(chǎn)品的裝配結(jié)構(gòu)，再確定零部件組成，然后將產(chǎn)品中的 “控制部件” 分發(fā)到各個零部件中，再在Pro/Assembly 環(huán)境下進行零件詳細設(shè)計。這是完整的從 “概念設(shè)計” 開始的設(shè)計過程。適合于外觀造型復(fù)雜、零件配合關(guān)系不易確定的情況，如吸塵器、掛燙機、加濕器、取暖器、豆?jié){機的設(shè)計。

自底向上（Bottom-up）裝配模式從每個零部件的詳細設(shè)計開始，最后進行各個零部件裝配的設(shè)計過程。采用貼合（Mate）、對齊（Align）、定向（Orient）三種方式約束相互配合的零件，并保持約束關(guān)系。適合功能性零部件，如洗衣機的驅(qū)動系統(tǒng)、冰箱的內(nèi)置零件等。

Pro/Assembly 環(huán)境下的Pro/ Mechanica 和Pro/ Mechanism 模塊可以進行有限元分析和機構(gòu)運動分析，實現(xiàn)了幾何建模和有限元分析的無縫集成，完成零件幾何建模后，直接切換到Pro/Mechanica 環(huán)境進行FEM（Finite Element Method）分析，可以方便地進行模型的靈敏度分析和優(yōu)化設(shè)計，在家電產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計中有重要意義[5]。

4 Pro/E 在家電產(chǎn)品設(shè)計中發(fā)展趨勢

4.1 通過PDM 與ERP 集成

PDM（Product Data Management，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）系統(tǒng)用于管理與產(chǎn)品有關(guān)的信息和過程，包括圖檔管理、部件和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理、工程更改和配置管理、工作流和任務(wù)、零部件高級歸類管理、數(shù)據(jù)分發(fā)管理等[6]。

ERP（Enterprise Resource Planning，企業(yè)資源規(guī)劃）系統(tǒng)從整體優(yōu)化的角度將人、財、物、信息等企業(yè)資源作為一個有機整體進行全面一體化管理[7]。

Pro/E 通過PDM 與ERP 集成，將上游的所有設(shè)計信息與下游的企業(yè)資源計劃信息集成，打通部門之間的管理信息通道，實現(xiàn)從技術(shù)開發(fā)到生產(chǎn)控制、品質(zhì)管理、進銷存、售后服務(wù)及市場拓展等全過程的資源共享，是全面推進家電企業(yè)信息化建設(shè)的重要途徑。

4.2 變型設(shè)計與二次開發(fā)

家電產(chǎn)品開發(fā)時，其中70%以上的產(chǎn)品設(shè)計都是在原有產(chǎn)品基礎(chǔ)上通過變型設(shè)計來實現(xiàn)。開發(fā)并應(yīng)用與Pro/E 系統(tǒng)集成的家電參數(shù)化變型設(shè)計系統(tǒng)，實現(xiàn)了家電產(chǎn)品的快速開發(fā)與設(shè)計。

Pro/Toolkit 模塊提供了二次開發(fā)工具，支持C 語言程序庫，支持Pro/E 接口，可以直接訪問數(shù)據(jù)庫。以VC++為工具,通過加載Pro/Toolkit 應(yīng)用程序和SQL Server數(shù)據(jù)庫[8]，開發(fā)變型設(shè)計系統(tǒng)。

5 結(jié)束語

在家電開發(fā)過程，Pro/E 的完成了造型設(shè)計、零件設(shè)計、裝配組件設(shè)計、工程圖設(shè)計、模具CAD/CAM、分析及優(yōu)化設(shè)計等工作，整個設(shè)計過程中其參數(shù)化設(shè)計、單一數(shù)據(jù)庫、基于特征等特性，顯現(xiàn)了強大的、全面的CAD/CAM/CAE 能力，體現(xiàn)了設(shè)計與制造同步的功能優(yōu)勢，縮短了家電產(chǎn)品的設(shè)計和制造周期，為家電新產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計提供了強有力的保障。

[1] 吳立軍，高舢，程亮.Pro/E Wildfire 4.0 三維造型技術(shù)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[2] 林清安. 完全精通Pro/ENGINEER 5.0 零件設(shè)計基礎(chǔ)入門[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[3] 易際明，彭浩舸.Pro/ENGINEER 模具設(shè)計與數(shù)控加工[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[4] 詹建新.基于Pro/E 空調(diào)分體機面框產(chǎn)品設(shè)計與模具設(shè)計[J].模具制造，2008，10.

[5] 黃躍東，劉建雄.Pro/Mechanica 的有限元分析應(yīng)用[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2007，3.

[6] 范文慧.產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）的原理與實施[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[7] 陳啟申.ERP——從內(nèi)部集成起步（第3 版）[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[8] 沈斌，麻連榮，宮大.基于Pro/E 二次開發(fā)的零件參數(shù)化設(shè)計技術(shù)[J].機械設(shè)計與制造，2007，1.