基于冰箱發(fā)泡模具的一種系列化設計方法*

董玉德,丁 毅，李久成，王和升

(1.合肥工業(yè)大學 機械工程學院，合肥 230009；2.滁州科創(chuàng)模具制造有限公司，安徽 滁州 239000)

基于冰箱發(fā)泡模具的一種系列化設計方法*

董玉德1,丁 毅1，李久成1，王和升2

(1.合肥工業(yè)大學 機械工程學院，合肥 230009；2.滁州科創(chuàng)模具制造有限公司，安徽 滁州 239000)

根據(jù)冰箱生產(chǎn)中由客戶定制的關于冰箱結構的個性化設計的需要，提出了一種由客戶驅(qū)動的發(fā)泡模具中工裝部分個性化定制設計方法。采用模塊化的設計思想，將產(chǎn)品按照結構特征劃分模塊，并按照從產(chǎn)品的頂層裝配體到底層零件的參數(shù)傳遞順序設置零部件的尺寸關系，最后以SolidWorks為平臺開發(fā)出面向冰箱發(fā)泡模具中工裝的快速系列化設計系統(tǒng),并利用循環(huán)語句對工裝中零部件的屬性進行快速的選擇性的添加操作。實例分析證明，該系統(tǒng)能夠極快的對工裝進行系列化設計，用極少的步驟即可對所有的零部件添加屬性，有效的減少了設計人員的重復性工作。

工裝；模塊化；參數(shù)傳遞；尺寸關系

0 引言

發(fā)泡模具是冰箱生產(chǎn)時的主要模具，發(fā)泡模具的研發(fā)工作正越來越受到科研人員的關注。文學紅[1]運用力學分析軟件ANSYS對箱吸進行充分的力學分析和檢測，對箱體進行整體的優(yōu)化；喬旭興[2]提出將冰箱發(fā)泡生產(chǎn)線由傳統(tǒng)的旋轉夾具結構和矩形轉盤結構更改為直線式；YUANHL[3]運用熱彈塑性理論，對某種冷藏箱內(nèi)殼進行分析，改善了發(fā)泡模具和箱體之間的配合質(zhì)量。目前，對冰箱發(fā)泡模具進行系列化設計方面的研究工作較少。

產(chǎn)品系列化設計技術以基型產(chǎn)品或代表品種為基礎，不對原設計的基本原理和基本結構特征造成破壞，按照相似學原理遵循相似本質(zhì)的規(guī)律計算出系列中其他規(guī)格產(chǎn)品的尺寸、功率、性能等各種參數(shù)并進行序列擴展來滿足個性化的客戶的需求[4]。國內(nèi)眾多學者都曾對系列化設計進行過深入的研究[5-7]，但多是針對零件進行的，雖然總體設計效率有所提高，但效果依然有限，目前對裝配體自身進行系列化設計研究工作不多。

本文以冰箱發(fā)泡模具中箱吸B1530工裝裝配體為例，提出一種針對裝配體自身的快速系列化設計方法，并基于模塊化的設計思想設計出一套可在極短的時間內(nèi)對所有零部件添加所需屬性的方案。

1 工裝結構特點及系列化設計要求

1.1 工裝的結構特點

以箱吸B1530的工裝為例，其總體主要由4個部分組成，分別為底板總成、下框架、上框架以及氣管總成。上下框架各有一個開口，且開口尺寸相同。裝配時，下框架與底板總成中零件底座進行配合，且底座與下框架開口兩側留有間隙，左右間隙相等；上框架通過壓刀與下框架配合；氣管總成至于總體結構上方，橫向及縱向各分布有結構相同但數(shù)目不同的氣管接頭，如圖1所示。

1.氣管總成 2.上框架 3.下框架 4.底板總成圖1 工裝總體結構及剖視圖

1.2 工裝系列化設計要求

根據(jù)產(chǎn)品需求的不同，工裝的結構也需要進行更改。工裝在進行系列化設計時，其上下框架的開口尺寸以及上下框架和底板總成的裝配距離需要進行變動，而與此開口特征有尺寸關系和裝配關系的零件特征也需要進行相應的變動，具體如下所示：

(1)以底板總成中零件底座為主動零件，主動零件結構變動時，其他相應需要發(fā)生結構變動的零件為被動零件。主動零件需要變動數(shù)值的尺寸為主動尺寸，其他零件中因主動尺寸變動而發(fā)生變動的尺寸為被動尺寸，底座中凸臺結構的長、寬尺寸值以及底座與上下框架間的裝配距離分別為三個主動尺寸。

(2)下框架中零件板A與上框架中零件上托板分別具有一個開口，且兩個零件的開口長寬尺寸相同，開口尺寸與底座凸臺結構長寬尺寸以及裝配距離的關系為:

開口長=底座凸臺長+2×裝配距離；

開口寬=底座凸臺寬+2×裝配距離；

由一可知，零件板A和上托板都為被動零件，其各自開口尺寸相對于底座凸臺結構的長寬尺寸都為被動尺寸。

(3)氣管總成中可彎折的氣管接頭提供吹氣保持裝配體清潔的功能，但是其在沿著上框架開口結構的長寬方向上的氣管接頭數(shù)要隨著開口尺寸的改變而改變，具體要求是每隔150MM需要配置一個氣管接頭，長寬方向上的安裝位置需按照各自的中心線對稱。如圖1中左圖所示。

2 工裝系列化設計的實現(xiàn)

由工裝系列化設計要求可知，當設定好底座凸臺結構的長寬尺寸和裝配距離時，上下框架的開口尺寸以及氣管總成中的氣管接頭數(shù)目需要能夠變動到相應的數(shù)值，當對底座的凸臺結構設置一系列的尺寸后，將會相應的快速地得到一系列尺寸數(shù)值下的的工裝裝配體，這樣既可輕松的完成對工裝進行系列化設計。

2.1 系統(tǒng)的設計流程

在設計開始之前，設計人員首先需要根據(jù)客戶需求對比產(chǎn)品的現(xiàn)有數(shù)據(jù)，若存在需求相似的可以通過調(diào)用現(xiàn)有參數(shù)直接生成所需產(chǎn)品；若無法滿足新產(chǎn)品需求，則需進行產(chǎn)品的重新設計，首先根據(jù)客戶需求，輸入客戶定制的參數(shù)，在產(chǎn)品的樹形結構中選擇需要進行設計的產(chǎn)品，進入產(chǎn)品設計對話框，程序內(nèi)部讀取用戶所輸入的數(shù)值賦予主動尺寸。至此，整個設計的宏觀參數(shù)設置完畢。把實例庫中的原型模型存放到指定路徑下，點擊生成三維模型，在進行模型的驅(qū)動和模型信息修改，生成新產(chǎn)品設計。完成新產(chǎn)品模型后再對零部件屬性信息進行添加，至此完成所有設計。整個過程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)設計流程

2.2 系列化設計的兩種方式及選擇

當前利用三維設計軟件進行系列化設計比較流行兩種方式，基于零件式及基于裝配體式，由引言處可知，本文選擇基于裝配體的系列化設計方案。

基于裝配體的系列化設計是在裝配體上直接對裝配體的總體尺寸進行改變，所改變的尺寸可以是其中某一個零件的，也可以是裝配約束。基于裝配體的參數(shù)化設計優(yōu)點在于牽一發(fā)而動全身的高效性，當改變其中一個尺寸時，與該尺寸相關的其他尺寸都能做到相應的改變，使得裝配體的系列化得以快速實現(xiàn)。

基于本次設計要求以及兩種系列化設計方式的特點，本次設計系統(tǒng)在工裝系列化設計方面采用基于裝配體式的系列化設計。其參數(shù)傳遞方式如圖3所示。實線代表產(chǎn)品參數(shù)的傳遞方向，虛線代表設計過程中的信息反饋。

圖3 參數(shù)傳遞方向

2.3 工裝的模塊分類

基于模塊化設計技術的產(chǎn)品配置生產(chǎn)方式具有較強的適應性和靈活性,可以縮短產(chǎn)品的設計和制造周期[8]。一個復雜的系統(tǒng)被劃分若干個較小部分或模塊，可以降低系統(tǒng)的復雜性[9]。裝配體模塊的劃分不是簡單的將零件進行分類就行，還要充分考慮裝配體的結構特征，合理的功能模塊劃分能夠?qū)崿F(xiàn)復雜產(chǎn)品批量化、高效率、個性化[10]，在基于裝配體結構特點的基礎上，將有明顯裝配關系零件的劃分為一個模塊。本程序?qū)⒐ぱb分為四個模塊，分別為底板模塊、下框架模塊、上框架模塊和氣管模塊。

如圖4所示，以箱吸B1530工裝為例對其進行模塊劃分，該箱吸結構分為四個模塊，每個模塊的設計過程都是獨立完成的，在總裝時根據(jù)總裝的結構建立各個模塊之間的關系。各個模塊下僅含有零件，而不再含有下一級部件，如上框架模塊含有零件壓刀、橫單、斜板等，氣管模塊含有零件氣道、氣管、直角管節(jié)等等。

圖4 工裝的模塊劃分

2.4 庫文件的建立和調(diào)用

對發(fā)泡模具進行系列化設計時，需要在工裝的裝配體上進行操作，因為無法避免設計人員的操作失誤所可能引起的裝配體出錯或者導致裝配體無法使用的情況[11]。為了不出現(xiàn)上述錯誤，本系統(tǒng)采用的方法是建立一個庫文件，將產(chǎn)品設計中所需要的零部件文件全部保存在庫文件中，當需要對其中某一類發(fā)泡模具的工裝進行參數(shù)化設計時，復制該工裝的所有文件到指定的路徑下，然后再對復制過后的工裝進行各種系列化設計的操作，這就能保證在整個設計過程中不會導致因設計人員錯誤操作而造成整個系統(tǒng)后期無法使用。

2.5 零部件尺寸關系設定

由模塊化的設計思想可知，工裝的系列化設計首先給定所需的底座凸臺結構的長寬尺寸值以及裝配距離，系統(tǒng)將這三個主動尺寸傳遞給各個模塊，在每個模塊中均有兩個尺寸與這三個尺寸對應。在模塊內(nèi)部，與三個主動尺寸所對應的被動尺寸轉化為模塊自身的主動尺寸，再通過同樣的方式將主動尺寸信息傳遞至零件繼而傳遞至零件的具體特征中。表1底座凸臺結構尺寸為1500mm×500mm，裝配距離為3mm情況下的工裝裝配體總裝下部分尺寸的關系情況，表2為氣管模塊下的部分尺寸關系情況。

表1 工裝內(nèi)部各尺寸關系情況

在工裝內(nèi)部，”D3@草圖1@底座<1>.Part@底板總成<1>.Assembly”、”D3@草圖1@底座<1>.Part@底板總成<1>.Assembly”、"D1@距離2"為主動尺寸;"D1@距離6"、"D1@距離8"兩尺寸為被動尺寸。

表2 氣管模塊下的部分尺寸關系情況

在氣管模塊內(nèi)部，在工裝內(nèi)部，"D1@距離6"、"D1@距離8"兩尺寸尺寸轉化為主動尺寸，對數(shù)值"a"和"b"取整，分別得到氣管總成沿著上框架開口的長寬方向上的氣管接頭數(shù)。

2.6 基于SolidWorks平臺的系列化設計效果

基于SolidWorks三維設計軟件以VC++6.0為開發(fā)平臺按照上述設計思想開發(fā)出一套系統(tǒng)，由系統(tǒng)提供接口讓設計人員根據(jù)設計需要輸入底座凸臺結構的長寬尺寸值以及底座和框架的裝配距離，然后重建模型即可快速得到新的客戶需求下的工裝裝配體，根據(jù)檢測，完全符合設計需求。圖5顯示當輸入4組不同數(shù)據(jù)時的工裝裝配體的結構，表3列出了4種情況下所對應的數(shù)據(jù)。

圖5 工裝系列化設計效果

對應工裝底座凸臺長/mm底座凸臺寬/mm裝配距離/mm水管接頭分布(m×n)左上1900800312×5右上1900600311×3左下1200600107×3右下1200600208×4

分析圖、表可知，當設計人員根據(jù)產(chǎn)品設計需求在界面輸入相應的參數(shù)值后，系統(tǒng)通過程序?qū)⒐ぱb框架開口大小迅速的更改至相對應的參數(shù)。例如第二行數(shù)據(jù)“右上”相對于第一行數(shù)據(jù)“左上”底座凸臺的寬度值減少200mm，當改變參數(shù)后，系統(tǒng)迅速的將框架開口寬度方向尺寸縮小并且氣管接頭數(shù)由5個減為3個，具體變化可見圖5。

此種針對裝配體自身進行快速系列化的設計方法，僅僅需要用戶輸入幾個總體尺寸參數(shù)值后即可完全實現(xiàn)，而基于零件的產(chǎn)品系列化設計方法則需要對每一個尺寸或結構發(fā)生改變的零件輸入一次參數(shù)，二者相比得知，基于裝配體自身的快速系列化的設計方法操作更少也更加高效。

3 屬性的選擇性快速添加

3.1 屬性添加方法

工裝中三維模型和工程圖都是SolidWorks軟件格式的，SolidWorks的工程圖屬性是與三維模型的屬性是相關聯(lián)的。

本文提出一種對三維模型進行快速添加屬性的方法，流程如圖6所示,利用循環(huán)語句將子件依次進行打開，然后對打開的子件添加所需屬性，直到所有子件都完成對所選擇的屬性的添加。如圖7所示，勾選5個屬性，其余皆不予添加。文件類型“當前”是指為當前界面所打開的文件進行屬性添加，“子件”是為當前界面所打開文件的子件進行屬性添加，即圖6中所述操作。

圖6 屬性添加流程

圖7 屬性的選擇

用一個int型數(shù)組b[13]={……}(默認值都為0)去控制每一個屬性的添加與否。當屬性后面的勾選框處于勾選狀態(tài)時變量為1，不勾選則為0。然后利用for()語句循環(huán)和if()語句判斷變量的值來決定其所控制的屬性是否進行添加。

通過上述操作就可以非常迅速地為裝配體中所有零部件有選擇的添加所需屬性。

3.2 屬性的選擇性添加效果

箱吸B1530工裝中，在總裝界面下檢索第一級子件可以得到底板總成、下框架、上框架和水管總成四個部件，分別打開這四個部件然后對部件添加屬性信息，而后分別在各部件的界面下檢索各個部件的零件，再按順序?qū)γ恳粋€零件添加屬性。這樣通過極少的操作即可對工裝所有的零部件完成屬性添加的工作。圖8為氣管總成中零件直角彎節(jié)的屬性添加效果,從圖中可以看出，所需5項均能正確添加。

圖8 屬性添加效果

4 結論

根據(jù)冰箱發(fā)泡模具系列化設計需求中工裝部分的變參數(shù)設計要求，本文提出的按照模塊化的設計思想，基于裝配體的系列化設計方法，完美的解決了工裝的系列化設計要求，此方法相對于以往先畫好零件再進行裝配和基于零件的參數(shù)化設計操作步驟更少、更加高效。通過循環(huán)語句和判斷語句對屬性的選擇性添加，可以快速的對裝配體的所有零部件進行屬性有選擇的添加操作，相對于以往的基于dwg格式圖紙上的操作更加高效。

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ASeriesDesignMethodBasedonRefrigeratorFoamMold

DONG Yu-de1,DING Yi1,LI Jiu-cheng1,WANG He-sheng2

(1. School of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009,China;2.Chuzhou KeChuang Mold Manufacture Co.,Ltd.,Chuzhou Anhui 239000, China)

This paper presents a personalized design method about the foam mold assembly in the process of refrigerator production, which driven totally by the customer’s needs of the refrigerator structure. The fast serialized design system is developed by SolidWorks,using modularization concept which divides the product according to structural’s characteristics.Set the size relationship of parts by the parameter passing order from the top-level assembly products to the bottom part and use the loop statement to quickly and selectively add operations to the components in the assembly.The examples prove that the system can make series design in the Foam mold assembly very quickly and add attributes to all the parts in a few steps, which effectively reduced the repetitive work of the designer.

assembly; modularization; parameter passing;dimension relations

TH122;TG502

A

1001-2265(2017)12-0125-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.12.031

2017-01-10；

2017-02-24

國家自然科學基金資助項目(51275145)

董玉德(1966—)，男，安徽六安人，合肥工業(yè)大學教授、博士，研究方向為計算機輔助設計(CAD/CAE/PDM),(E-mail)dydjiaoshou@126.com；通訊作者：丁毅(1992—)，男，合肥人，合肥工業(yè)大學碩士研究生，研究方向為數(shù)字化設計與制造，(E-mail)1091540806@qq.com。

(編輯李秀敏)