一、引言
數控彩顯玻殼屏壓機是電視機、電腦、醫療行業和電子檢測行業儀器上的顯象管玻殼壓制生產的關鍵設備。世界上著名的彩顯玻殼屏壓機生產廠家有美國的康寧公司、林奇公司，日本的NEG公司、三菱重工和旭硝子株式會社。過去的若干年里，我國深圳、咸陽、上海、成都、安陽、石家莊、大連和天津玻殼制造廠的設備大都引進自上述幾家公司。自1986年以來，沈陽中捷搖臂鉆床廠在數控彩顯玻殼屏壓機的生產制造方面經歷了合作生產——安裝調試——項修、大修——改進設計——自行設計開發小型機——走向系列化、產業化批量生產的過程。現在，該廠已是繼美國和日本之后，代表中國自主設計生產數控轉臺式彩顯玻殼屏壓機的國際第三大制造商，可以生產具有自主知識產權的14～38英寸彩顯和背投電視機玻殼數控轉臺式屏壓機，并開始為諸如國際最大的彩電玻殼制造基地安玻集團等企業提供高質量的系列裝備和優質服務，產品的技術水平也已經達到了當代國際先進水平。

隨著IT行業市場競爭的日趨激烈，為了滿足市場對更大、效率更高的彩顯玻殼屏壓機的需求和用戶對產品供貨周期的要求，沈陽中捷搖臂鉆床廠在不斷改進制造工藝和設備的同時，在設計方面又引進了先進的三維CAD/CAE技術，從而進一步加快了企業系列化產品開發的速度，并提高了設計質量，滿足了市場的需要。本文是對PY14型數控彩顯玻殼屏壓機應用SolidWorks三維設計軟件和COSMOS有限元分析軟件進行參數化設計和虛擬裝配設計工作的介紹。

二、零件3D參數化設計技術

1.3D參數化設計的基本思想

機械產品的3D設計主要包括產品零件的3D建模與設計、虛擬裝配與干涉檢查、關鍵零部件的結構有限元分析與優化、2D工程圖的轉換和參數標注等。三維參數化設計軟件的思想是零件尺寸的參數驅動，即我們在設計零件之初只要給出零件外形輪廓（零件設計尺寸變量D、R、X），后續只需通過簡單的表達式來給變量賦值，定義幾何尺寸。幾何尺寸也可以以變量的形式出現在表達式中以驅動其他幾何尺寸，也就是說SolidWorks不僅記錄了建模過程中的尺寸定義，而且將整個建模過程中的特征操作完整地記錄下來，只需給尺寸變量賦值就可以實現模型更新。當然，參數化設計也是要遵循一定規律的，并不是針對任何零部件都可以進行參數化設計，只有結構尺寸相對標準化、系列化，國標或廠標對其有準確描述的零件才可以進行參數化設計。例如屏壓機中所使用的各種墊片、鎖緊螺母、軸承以及氣缸等部件就完全可實現參數化設計，因其在14～38英寸全系列屏壓機中的結構外形沒有改變，只是幾何尺寸有相應改變。

2.基于SolidWorks的零件庫二次開發

雖然SolidWorks給我們提供了強大的三維設計手段，但它卻是一款通用性軟件，因此針對一些專業性要求較高的應用層面就略顯不足了。欲使3D設計軟件真正提高產品的設計效率，企業不僅要有相關的標準零件庫，還要有基于產品典型零部件的企業自定義零件庫。設計者只有擁有了上述兩類零件庫，才能夠快速而有效地實現產品的3D設計。

通常，標準零件庫主要由軟件供應商開發，而企業的自定義零件庫則多由企業自行開發或與相關科研單位聯合開發完成。在本項目研究中，為實現屏壓機的3D設計，企業通過產學研合作，以SolidWorks軟件為平臺，進行了針對屏壓機產品的產品自定義零件庫的二次開發。

SolidWorks軟件預留有API接口，它支持多數流行的編程語言，如VB、VC++等。該企業采用VC++對典型產品零件進行了參數化設計二次開發，包括人機交互和編程實現。所謂人機交互就是指通過建立合理的人機界面和參數選擇方式，以外部輸入的方式來獲取建模所需參數，利用設計變量賦值的改變實現模型更新，如圖1所示。編程實現即完全由程序控制來實現從VC++到應用程序的調用以及參數的調用。后者相對復雜但可以實現較復雜零件的參數化設計目的。



圖1 人機界面方式生成零件

需要強調的一點是參數化過程中初始參數的選擇一定要得當，尤其是一些相對復雜的非標件，否則會造成需要輸入十幾個甚至幾十個初始參數的尷尬局面，這也提示我們參數化設計的對象并非任意選擇的。

三、基于特征的產品虛擬裝配設計

對PY系列屏壓機產品的虛擬裝配設計（Virtual Assembly Design）過程（見圖2），即在計算機上對已經建立的產品零件按照產品的裝配關系完成部件和整機的三維裝配模型，在此基礎上應用軟件提供的功能，進行裝配零件之間的動、靜態干涉檢查。一旦發現設計不合理之處及時調整與修改設計圖紙，從而可縮短產品制造與裝配生產過程的時間，降低產品的裝配成本，提高設計質量。在本產品的3D設計與虛擬裝配過程中，發現原二維AutoCAD設計圖紙在管路設計上存在嚴重的干涉現象，通過在3D虛擬裝配圖中對個別管路位置進行調整，可有效地解決管路的干涉問題。 #p#分頁標題#e#



圖2 虛擬裝配設計流程圖

1. 確定裝配層次

裝配層次是指屏壓機總裝配體的子裝配體組成，即屏壓機裝配體由幾大部件來組成。屏壓機主要由屏壓機底座、旋轉工作臺、轉位系統、沖頭系統、完全成型、取出機構、鐵砧與夾緊系統等部分組成，幾大部件由SolidWorks分別建模而成。

2. 確定裝配順序

根據屏壓機的結構尺寸形式和各個部件間的約束關系，確定整個屏壓機的裝配順序。選定屏壓機底座為基準進行裝配，SolidWorks自動生成部件裝配順序，如圖3所示。



圖3 自動生成部件裝配順序

3. 確定裝配約束

裝配約束是確定基準件和其他組成件的定位及相互約束關系，主要由裝配特征、約束關系和裝配設計管理樹組成。

4. 干涉檢查

SolidWorks中裝配體的干涉檢查分為靜態干涉檢查和動態干涉檢查。靜態干涉檢查是指在特定裝配結構形式下，檢查裝配體的各個零部件之間的相對位置關系，是否存在干涉；而動態干涉檢查是檢查裝配體或裝配體的零部件在運動過程中是否存在零部件之間的運動干涉。14英寸屏壓機管路安排干涉檢查的情況如圖4所示。按照原來的設計尺寸，屏壓機油路管道與取出機發生干涉（如圖4箭頭所示），系統此時顯示動態干涉，因此調整油管路走向，以使干涉現象消失。



圖4 油路設置干涉檢查

在SolidWorks 軟件平臺上設計完成的PY14型數控彩顯玻殼屏壓機3D虛擬裝配圖如圖5所示。



圖5 PY14型屏壓機3D虛擬裝配設計

四、關鍵零件結構的有限元分析

有限元分析（Finite Element Analysis）技術已發展成為工程和產品結構設計與分析中必不可少的數值計算工具，廣泛應用于航空航天、機械、土木結構等領域。把有限元技術應用到PY系列屏壓機關鍵部件的設計過程中，為實現產品的高可靠性和耐用性（設備需要24小時運轉并耐高溫）提供了有價值的理論依據，是實現提高設計質量、縮短開發周期和降低設計成本的另一有效途徑。

目前比較流行的基于3D的機械零件和部件有限元分析軟件有ANSYS和COSMOS等，ANSYS功能強大，可以分別對熱力場、電磁場、流體場等進行有限元分析，而COSMOS則是內嵌到SolidWorks中的工程分析軟件，主要用來分析工件受力以及對工件的熱力學分析。COSMOS的內嵌使得SolidWorks具有了在三維建模基礎上進行工程分析的能力，使其應用范圍更廣，其優勢主要體現在以下幾點：

（1）有限元分析軟件COSMOS/Works與CAD軟件SolidWorks能夠實現良好的無縫集成，從而保證了基于特征的有限元分析技術的實施。

（2）降低設計成本。相對于實物模型試驗，有限元分析技術的應用可以節省大量設計、試驗費用。

（3）縮短新產品開發時間和周期。在建模和分析過程中采用實體造型和參數化造型，方便修改原設計，縮短了確定最終合理的結構參數的時間。

（4）有限元分析技術是實現CAD/CAE/CAPP/CAM集成化的關鍵技術，也是實現產品的并行設計和優化設計的有效途徑。

在本產品設計中主要對取出機懸臂梁結構應用COSMOS軟件進行了有限元分析，得到的應力云圖如圖6所示。



圖6 屏壓機取出機懸臂梁應力云圖

五、數控彩顯玻殼屏壓機整機的3D設計與動態仿真

轉臺式數控彩顯玻殼屏壓機是一個集機電液控為一體、造價昂貴的大型精密復雜設備，為避免設備制造裝配后在運行過程中發生干涉現象，確保設備研制和試車運行一次成功，同時也為今后產品的市場推廣宣傳奠定良好的基礎，筆者應用SolidWorks三維CAD軟件建立了設備的整機3D模型，應用3D技術對所設計的產品及其運行全過程進行了三維動態仿真與模擬，很好地再現了設備的運行狀況。屏壓機的整機仿真結果如圖7 a）所示，圖7 b）為設備轉臺運行過程的局部放大圖。



a) b)

圖7 PY14型屏壓機3D動態仿真結果

六、結論

通過在SolidWorks軟件平臺上對數控彩顯玻殼屏壓機產品典型零件進行3D建模和參數化設計，建立企業產品自定義零件庫，確保了企業應用三維CAD技術進行產品的高效設計，進而完成了PY型數控彩顯玻殼屏壓機的3D實體建模和虛擬裝配設計，為企業方便、快捷、準確地研制開發系列產品提供了有力的技術保障，同時提高了企業技術應用的水平，為企業的后續發展奠定了堅實的基礎。#p#分頁標題#e#