自頂向下設(shè)計(jì)與快速成形技術(shù)的應(yīng)用研究

韓二豹

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

自頂向下設(shè)計(jì)與快速成形技術(shù)的應(yīng)用研究

韓二豹

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

摘要：采用自頂向下的設(shè)計(jì)理念，運(yùn)用主控件法，使用Pro/E軟件對(duì)三維模型進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)外觀造型和結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)流程。將各個(gè)零部件的三維模型保存為STL格式后，運(yùn)用熔融沉積制造工藝方法，使用三維立體打印設(shè)備對(duì)三維模型進(jìn)行快速成形。根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)物模型，可對(duì)其外觀造型和結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，并能提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率，縮短周期，節(jié)約成本。

關(guān)鍵詞：自頂向下；Pro/E；FDM；快速成形

新產(chǎn)品設(shè)計(jì)和舊產(chǎn)品改造是一項(xiàng)綜合性較強(qiáng)的工作，可手用2種設(shè)計(jì)方法，即自底向上設(shè)計(jì)(down-top)和自頂向下設(shè)計(jì)(top-down)方法。前者是先設(shè)計(jì)好零部件，再將其裝配起來，后者是先確定總體設(shè)計(jì)方案，然后再設(shè)計(jì)其中的子組件或者零件。相比較而言，后者的設(shè)計(jì)思路更符合現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法[1]。

1Pro/E軟件的自底向上和自頂向下設(shè)計(jì)方法

1.1自底向上設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法

該方法是傳統(tǒng)的組裝方法，應(yīng)用Pro/E軟件基本的3D建模技術(shù)分別進(jìn)行零件設(shè)計(jì)，然后像拼裝積木一樣來組裝產(chǎn)品，其邏輯框圖如圖1所示。這種方法在零件之間不存在任何參數(shù)關(guān)聯(lián)，僅僅存在簡(jiǎn)單的組裝關(guān)系，設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性較差，也不方便進(jìn)行延伸設(shè)計(jì)。

圖1　自底向上設(shè)計(jì)的邏輯框圖

1.2自頂向下設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)法

使用Pro/E軟件提供的設(shè)計(jì)工具來實(shí)現(xiàn)自頂向下設(shè)計(jì)是在設(shè)計(jì)過程中自頂向下逐級(jí)建立組件文件，完成總體布置方案，然后對(duì)該方案進(jìn)行評(píng)估，在方案初步通過的情況下逐步細(xì)化到零件模型。

為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和提高設(shè)計(jì)效率，Pro/E組件設(shè)計(jì)模塊提供了豐富的設(shè)計(jì)工具用于自頂向下設(shè)計(jì)，例如數(shù)據(jù)共享(包括合并和切除等)、骨架模型和主控件等[2]。

數(shù)據(jù)共享主要是指一個(gè)元件的尺寸或者參數(shù)還控制著其他元件，當(dāng)其他零部件參照控制元件的數(shù)據(jù)創(chuàng)建時(shí)，控制元件的數(shù)據(jù)就會(huì)傳遞到其他零部件上。當(dāng)控制元件發(fā)生改變時(shí)，其他零部件將會(huì)自動(dòng)跟隨那些被參照數(shù)據(jù)的改變而改變，從而達(dá)到控制設(shè)計(jì)的目的。

合并是將2個(gè)零件放置到組件中后，可將其中一個(gè)零件的材料添加到另一個(gè)零件中。通常情況下，執(zhí)行合并命令時(shí)會(huì)將材料從源零件添加到目標(biāo)零件中。切除與合并類似，兩者的主要區(qū)別是切除操作將1個(gè)零件的體積從另一個(gè)零件中減去，從而產(chǎn)生1個(gè)新的零件。骨架模型是在組件文件的模型樹區(qū)最上層，先創(chuàng)建頂層的骨架(skeleton)，然后繼承頂層骨架的次層骨架，每一層組裝都可以分別參照各自的骨架來展開系統(tǒng)設(shè)計(jì)和細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，其邏輯框圖如圖2a所示；但是，這種方法會(huì)在數(shù)據(jù)共享方面存在某些問題。主控件通過元件的合并功能使零件與參照零件合并起來，再由Pro/E的全相關(guān)性實(shí)現(xiàn)1個(gè)參照零件控制多個(gè)零件，該方法在骨架模型設(shè)計(jì)法的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，它將頂層骨架從整個(gè)組件關(guān)系中剝離出來而單獨(dú)存在，稱為主控件，需要數(shù)據(jù)共享的大零件分別參照這個(gè)主控件，在數(shù)據(jù)共享時(shí)互不干擾，其邏輯框圖如圖2b所示，當(dāng)然這個(gè)組裝關(guān)系還是由主控件控制的。目前的產(chǎn)品設(shè)計(jì)多為少量多樣，因此種類繁多，借用和互相組裝等數(shù)據(jù)共享的現(xiàn)象非常普遍，在實(shí)際情況下，顯然主控件式的自頂向下設(shè)計(jì)比較實(shí)用。該設(shè)計(jì)方法主要適用于箱體、外殼類產(chǎn)品以及一些裝配關(guān)系緊密的場(chǎng)合。

圖2　自頂向下設(shè)計(jì)法的邏輯框圖

2使用Pro/E軟件進(jìn)行三維實(shí)體設(shè)計(jì)

圖3　底座的三維實(shí)體

某個(gè)名稱為dizuo.prt的三維實(shí)體(底座)已繪制完成，如圖3所示，需要為其配1個(gè)蓋子。為了使設(shè)計(jì)的蓋子與底座配合合理，采用自頂向下設(shè)計(jì)方法中的主控件法并使用Pro/E 5.0軟件對(duì)所需的蓋子進(jìn)行三維實(shí)體設(shè)計(jì)。 具體操作步驟如下[3]。

1)打開Pro/E軟件并進(jìn)入裝配模塊。打開Pro/E 5.0軟件，在主菜單中選擇“文件”→“新建”命令，在新建窗口中選擇“組件”類型，“設(shè)計(jì)”子類型，輸入名稱zhuangpei，取消使用缺省模板，點(diǎn)擊“確定”按鈕。在新文件選項(xiàng)窗口中選擇“mmns_asm_design”，點(diǎn)擊“確定”按鈕，系統(tǒng)進(jìn)入裝配模塊。

2)創(chuàng)建主控件模型。

圖4　創(chuàng)建基準(zhǔn)平面

圖5　繪制輪廓曲線

圖6　繪制蓋子實(shí)體的曲線

圖7　鏡像曲線特征

g. 在裝配模塊特征樹中選擇“gaizi.prt”，單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“打開”命令。

圖8　邊界混合創(chuàng)　　　　圖9　曲面加厚并對(duì)　建曲面　棱邊倒圓角

圖10　繪制圓筒實(shí)體　　 圖11　蓋子與底座的　裝配效果

3使用3D打印設(shè)備對(duì)殼體和蓋子的三維模型進(jìn)行快速成形

3D打印(又稱為三維立體打印)是通過分層加工的方式來疊加出最終的立體模型?；谌廴诔练e制造(fused deposition modeling，簡(jiǎn)稱FDM)技術(shù)的三維打印機(jī)采用ABS或PC等材料進(jìn)行制作，其原理是將工程設(shè)計(jì)軟件生成的模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到三維打印機(jī)的控制軟件中，對(duì)其處理后自動(dòng)生成支承材料和加熱噴頭路徑，加熱噴頭會(huì)在計(jì)算機(jī)的控制下根據(jù)三維造型的截面輪廓信息做平面運(yùn)動(dòng)，而熱塑性絲狀材料由供給機(jī)構(gòu)送至加熱噴頭，加熱和熔化成粘流狀態(tài)并擠壓出來，涂覆在工作平臺(tái)上，待其冷卻后，平臺(tái)上會(huì)形成一層薄片輪廓。這時(shí)完成了1層截面的成形，接著工作臺(tái)下降一定高度以進(jìn)行下一層的熔覆，通過不斷重復(fù)這個(gè)過程，最終得到了三維實(shí)體模型[5]。

3.1將三維實(shí)體保存為STL格式

STL(STereoLithography)是快速成形設(shè)備所支持的通用模型文件格式，也是快速成形系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)文件類型。它是一種工業(yè)用的標(biāo)準(zhǔn)文件格式，將實(shí)體表面數(shù)位化，以三角網(wǎng)格面補(bǔ)綴構(gòu)成實(shí)體表面模型，即用大量三角網(wǎng)格面來表現(xiàn)三維模型，其中曲率變化大的模型需要較多的三角形，轉(zhuǎn)換精度設(shè)置越高，三角面的數(shù)量越多，所形成的多邊形模型也就越精確。

具體操作步驟如下：1)在Pro/E軟件組件模塊的特征樹中選擇“dizuo.prt”三維實(shí)體零件，單擊鼠標(biāo)右鍵，在快捷菜單中選擇“打開”命令，系統(tǒng)彈出實(shí)體模塊窗口，選擇主菜單中的“文件”→“保存副本”命令，系統(tǒng)彈出“保存副本”對(duì)話框，選取“STL”保存類型，輸入名稱dizuo并單擊“確定”按鈕；2)系統(tǒng)彈出“導(dǎo)出STL”對(duì)話框，設(shè)置參數(shù)后點(diǎn)擊確定，如圖12所示；3)按照上述步驟可將gaizi.prt三維實(shí)體也保存為STL格式。

圖12　導(dǎo)出STL對(duì)話框參數(shù)設(shè)置

3.2對(duì)底座和蓋子三維實(shí)體進(jìn)行3D打印

底座和蓋子三維模型的3D打印采用北京太爾時(shí)代科技有限公司的INSPIRE D255型三維打印設(shè)備，使用ABS材料進(jìn)行制作。具體操作步驟如下。

1)打開ModelWizard三維打印專家軟件，選擇“載入模型”圖標(biāo)，系統(tǒng)彈出打開對(duì)話框，選擇需要3D打印的STL文件(dizuo.stl和gaizi.stl)。

2)選擇“自動(dòng)排放”圖標(biāo)，軟件系統(tǒng)將對(duì)STL文件進(jìn)行自動(dòng)布局。

3)對(duì)排放位置不合適的底座和蓋子模型分別進(jìn)行編輯，先選擇底座模型，選擇主菜單中的“模型”→“變形”命令，系統(tǒng)彈出“幾何變換”對(duì)話框，設(shè)置參數(shù)使底座繞Y軸旋轉(zhuǎn)90°，然后選擇蓋子模型，使其繞Y軸旋轉(zhuǎn)90°，點(diǎn)擊“自動(dòng)排放”圖標(biāo)，軟件系統(tǒng)將自動(dòng)排列模型。

4)排放位置合適后，選擇主菜單中的“模型”→“合并”命令，系統(tǒng)將分散的模型合并為1個(gè)整體模型，在該軟件的模型信息中可看到模型合并后的詳細(xì)信息，如圖13所示。

圖13　ModelWizard三維打印專家軟件

5)選擇主菜單中的“模型”→“分層”命令，系統(tǒng)彈出“分層參數(shù)”對(duì)話框并設(shè)置參數(shù)，如圖14所示，點(diǎn)擊“確定”按鈕后，軟件系統(tǒng)將對(duì)三維模型進(jìn)行分層，可在模型信息中看到分層結(jié)果。

圖14　分層參數(shù)對(duì)話框

6)選擇主菜單中的“文件”→“三維打印”→“預(yù)估打印”命令，對(duì)需要3D打印的模型總打印時(shí)間做預(yù)估，從對(duì)話框中可看到總的打印時(shí)間、所使用的成形材料和支承材料的質(zhì)量等信息。

7)選擇主菜單中的“文件”→“三維打印”→“打印模型”命令，軟件系統(tǒng)將分層后的三維模型信息發(fā)送到三維打印機(jī)中，經(jīng)三維立體打印機(jī)打印后,實(shí)物模型即可生成。

4結(jié)語

基于Pro/E軟件自頂向下的設(shè)計(jì)流程具有非常高的設(shè)計(jì)效率，省略了對(duì)每個(gè)零件逐一進(jìn)行裝配設(shè)置的過程，該方法也使得產(chǎn)品裝配文件層次清晰，文件的可編輯性大大增強(qiáng)，這些優(yōu)點(diǎn)使得自頂向下的設(shè)計(jì)逐漸成為主流產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，在現(xiàn)代化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要作用。運(yùn)用FDM技術(shù)原理并采用三維立體打印對(duì)產(chǎn)品模型進(jìn)行3D立體打印，可對(duì)產(chǎn)品的實(shí)物模型進(jìn)行直觀、快速和精確的展示。從產(chǎn)品的實(shí)物模型中可對(duì)所研發(fā)的產(chǎn)品造型和結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化并能提高設(shè)計(jì)和研發(fā)效率，縮短新產(chǎn)品設(shè)計(jì)和研發(fā)的周期，節(jié)約設(shè)計(jì)和制造成本。

參考文獻(xiàn)

[1] 佟河亭，李超，王炳強(qiáng). Pro/ENGINEER 4.0 [M].北京：人民郵電出版社，2009.

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[5] 范春華.趙劍峰.董麗華.快速成形技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

責(zé)任編輯李思文

Research on Application of Top-down Design and RP Technology

HAN Erbao

(Shaanxi Polytechnic Institute, Xianyang 712000, China)

Abstract:Taking the design idea of top-down, and using principal component method of assembly design of 3D model and Pro/E software, the process integration design of appearance and structure can be realized. The 3D models of the various parts were saved as STL format by using fused deposition manufacturing process and three-dimensional printing equipment for rapid prototyping of 3D model. According to the physical model of product, its appearances were improved and optimized shape and structure were improved the efficiency, and shorten the cycle of product design with low costs.

Key words:top-down, Pro/E, FDM, rapid prototyping

收稿日期：2014-05-21

作者簡(jiǎn)介：韓二豹(1978-)，男，碩士，講師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)理論及實(shí)踐和學(xué)生教育管理等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TB 21

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A