段家現(xiàn)

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

0 引言

市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，家電企業(yè)需要提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短設(shè)計(jì)和制造周期，快速地推出實(shí)用新穎、先進(jìn)好用、物美價(jià)廉的家用電器，滿足市場(chǎng)需求，占領(lǐng)市場(chǎng)先機(jī)。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(duì)應(yīng)的Pro/ Engineer 等現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的綜合應(yīng)用。

Pro/Engineer 是美國(guó)PTC 公司推出的參數(shù)化工程設(shè)計(jì)軟件，簡(jiǎn)稱Pro/E。集零件設(shè)計(jì)、產(chǎn)品裝配、工程圖設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、NC 加工、鈑金設(shè)計(jì)、造型設(shè)計(jì)、逆向工程、機(jī)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(jī)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(jì)的特性[2]

（1）三維實(shí)體模型。將設(shè)計(jì)概念以最真實(shí)的數(shù)字模型在計(jì)算機(jī)上呈現(xiàn)出來，可以計(jì)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(shí)。

（2）單一數(shù)據(jù)庫(kù)特性。不論二維或三維上修正尺寸時(shí)，與之相關(guān)的二維或三維圖形均自動(dòng)修改，同時(shí)裝配組件、制造、模具等相關(guān)設(shè)計(jì)也會(huì)自動(dòng)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(jì)中 “并行工程” 的理念。

（3）以特征作為設(shè)計(jì)的單位。特征作為設(shè)計(jì)的基本單元，可以隨時(shí)對(duì)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(jìn)行設(shè)計(jì)。

（4）參數(shù)化設(shè)計(jì)。運(yùn)用強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)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(dòng)計(jì)算出應(yīng)有的外型。

2 家電產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求及內(nèi)容

2.1 家電設(shè)計(jì)要求

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

（2）精良設(shè)計(jì)。家電設(shè)計(jì)要求整個(gè)產(chǎn)品零缺陷，追求零變更，各個(gè)零部件完美組合。充分運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和先進(jìn)的CAD/CAM/CAE 集成軟件相結(jié)合的設(shè)計(jì)手段。

2.2 家電設(shè)計(jì)內(nèi)容

家電產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì)→結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)→模具設(shè)計(jì)→工藝設(shè)計(jì)→裝配設(shè)計(jì)→樣件試制等。主要內(nèi)容如下：

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

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

（3） 零件和裝配的工程圖設(shè)計(jì)。

（4） 零件結(jié)構(gòu)工藝分析，模具設(shè)計(jì)。

（5） 虛擬和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 Pro/E 在家電產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用特點(diǎn)

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(kù)文件的調(diào)用，對(duì)Pro／E 的實(shí)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(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)文件的標(biāo)準(zhǔn)化。如單位設(shè)置、參數(shù)設(shè)置、層設(shè)置、標(biāo)注樣式等。

（3）配置工程圖dtl 文件和建立標(biāo)準(zhǔn)的工程圖格式（frm）文件。

（4）庫(kù)配置。建立全面準(zhǔn)確的庫(kù)配置，配置標(biāo)準(zhǔn)件、通用件庫(kù)、材料庫(kù)、符號(hào)庫(kù)、公差表庫(kù)、鈑金表等。

3.2 利用Top-Down 進(jìn)行家電設(shè)計(jì)

Top-Down 是控制Pro/E 相關(guān)性設(shè)計(jì)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(jì)可用來管理大型裝配，組織復(fù)雜設(shè)計(jì)并與項(xiàng)目組成員共享設(shè)計(jì)信息。

Top-Down 設(shè)計(jì)的基本步驟是： 定義設(shè)計(jì)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(jì)意圖→組織后續(xù)設(shè)計(jì)→管理元件間的相互性。

家電設(shè)計(jì)的上游是造型設(shè)計(jì)，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(jìn)行結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。即Pro/E 在家電設(shè)計(jì)中常用的骨架設(shè)計(jì)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(diǎn)比較適合塑料件、管件、鈑金件等零件的設(shè)計(jì)。

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(jì)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(jì)。

Pro/Sheetmetal 是Pro/E 鈑金模塊，包括分離壁及連續(xù)壁的設(shè)計(jì)、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(jī)箱殼體、洗衣機(jī)殼體、鈑金梁等五金零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

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(yán)格的自由曲面和幾何曲面，適用于復(fù)雜的曲面設(shè)計(jì)，如：空調(diào)機(jī)造型、洗衣機(jī)造型、洗衣機(jī)波輪、攝像機(jī)造型、抽煙機(jī)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(jì)功能，快速輕松地完成準(zhǔn)確并且具有獨(dú)特美感的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

3.4 工程圖設(shè)計(jì)

家電產(chǎn)設(shè)計(jì)的上游是造型設(shè)計(jì)、三維建模，下游則是裝配和零件的工程圖設(shè)計(jì)。工程圖是將對(duì)象的形狀、大小、相對(duì)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(dá)在圖紙上[1]。

Pro/Detail 是Pro/E 的工程圖設(shè)計(jì)模塊，主要功能有： 自動(dòng)尺寸標(biāo)注、參數(shù)特征生成，全尺寸修飾，自動(dòng)生成投影面，輔助面，截面和局部視圖，允許直接從Pro/E 的實(shí)體造型產(chǎn)品按ANSI/ISO/JIS/DIN 標(biāo)準(zhǔn)的工程圖。

工程圖設(shè)計(jì)時(shí)，利用Pro/Detail 進(jìn)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(biāo)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(cè)分析、試模、開模、模流分析、模具布局設(shè)計(jì)、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(jìn)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(shí)，使用Pro/Assembly 模塊的Analysis 進(jìn)行全局干涉檢查（MoldAnalysis→Global interference→Compute），對(duì)有干涉的地方及時(shí)進(jìn)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(jì)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(jì)效率。

3.6 裝配與優(yōu)化設(shè)計(jì)

Pro/Assembly 是一個(gè)參數(shù)化組裝管理系統(tǒng)，支持家電產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)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(gè)零部件中，再在Pro/Assembly 環(huán)境下進(jìn)行零件詳細(xì)設(shè)計(jì)。這是完整的從 “概念設(shè)計(jì)” 開始的設(shè)計(jì)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(jī)、加濕器、取暖器、豆?jié){機(jī)的設(shè)計(jì)。

自底向上（Bottom-up）裝配模式從每個(gè)零部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)開始，最后進(jìn)行各個(gè)零部件裝配的設(shè)計(jì)過程。采用貼合（Mate）、對(duì)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(jī)的驅(qū)動(dòng)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(jìn)行有限元分析和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析，實(shí)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(jìn)行FEM（Finite Element Method）分析，可以方便地進(jìn)行模型的靈敏度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，在家電產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)中有重要意義[5]。

4 Pro/E 在家電產(chǎn)品設(shè)計(jì)中發(fā)展趨勢(shì)

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(jí)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(cái)、物、信息等企業(yè)資源作為一個(gè)有機(jī)整體進(jìn)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(jì)信息與下游的企業(yè)資源計(jì)劃信息集成，打通部門之間的管理信息通道，實(shí)現(xiàn)從技術(shù)開發(fā)到生產(chǎn)控制、品質(zhì)管理、進(jìn)銷存、售后服務(wù)及市場(chǎng)拓展等全過程的資源共享，是全面推進(jìn)家電企業(yè)信息化建設(shè)的重要途徑。

4.2 變型設(shè)計(jì)與二次開發(fā)

家電產(chǎn)品開發(fā)時(shí)，其中70%以上的產(chǎn)品設(shè)計(jì)都是在原有產(chǎn)品基礎(chǔ)上通過變型設(shè)計(jì)來實(shí)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(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了家電產(chǎn)品的快速開發(fā)與設(shè)計(jì)。

Pro/Toolkit 模塊提供了二次開發(fā)工具，支持C 語言程序庫(kù)，支持Pro/E 接口，可以直接訪問數(shù)據(jù)庫(kù)。以VC++為工具,通過加載Pro/Toolkit 應(yīng)用程序和SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)[8]，開發(fā)變型設(shè)計(jì)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(jì)、零件設(shè)計(jì)、裝配組件設(shè)計(jì)、工程圖設(shè)計(jì)、模具CAD/CAM、分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)等工作，整個(gè)設(shè)計(jì)過程中其參數(shù)化設(shè)計(jì)、單一數(shù)據(jù)庫(kù)、基于特征等特性，顯現(xiàn)了強(qiáng)大的、全面的CAD/CAM/CAE 能力，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)與制造同步的功能優(yōu)勢(shì)，縮短了家電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造周期，為家電新產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的保障。

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[3] 易際明，彭浩舸.Pro/ENGINEER 模具設(shè)計(jì)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(jī)面框產(chǎn)品設(shè)計(jì)與模具設(shè)計(jì)[J].模具制造，2008，10.

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