Pro/E在家電設計中的應用研究

段家現

（梧州學院 機械與材料工程學院，廣西 梧州 543002）

0 引言

市場競爭中，家電企業需要提高產品質量，縮短設計和制造周期，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，占領市場先機。企業自身必須有規范高效的產品開發開發模式和與其相對應的Pro/ Engineer 等現代設計技術的綜合應用。

Pro/Engineer 是美國PTC 公司推出的參數化工程設計軟件，簡稱Pro/E。集零件設計、產品裝配、工程圖設計、模具設計、NC 加工、鈑金設計、造型設計、逆向工程、機械模擬、有限元分析、產品數據管理等功能于一體，廣泛應用于電子、機械、汽車、航空航天、家電、玩具等領域[1]。

1 Pro/E 參數化產品設計的特性[2]

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

（2）單一數據庫特性。不論二維或三維上修正尺寸時，與之相關的二維或三維圖形均自動修改，同時裝配組件、制造、模具等相關設計也會自動修改，保證了數據的一致性。提供了雙向關聯性的功能，符合現代產品設計中 “并行工程” 的理念。

（3）以特征作為設計的單位。特征作為設計的基本單元，可以隨時對特征做順序調整、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計。

（4）參數化設計。運用強大的數學運算方式，創建各尺寸參數之間的關系式，使得模型可自動計算出應有的外型。

2 家電產品設計的要求及內容

2.1 家電設計要求

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

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

2.2 家電設計內容

家電產品設計基本流程是： 產品調研和需要分析→產品總體方案設計→結構設計→模具設計→工藝設計→裝配設計→樣件試制等。主要內容如下：

（1） 產品總體方案設計，完成產品的造型設計

（2） 產品結構設計，完成零件設計。

（3） 零件和裝配的工程圖設計。

（4） 零件結構工藝分析，模具設計。

（5） 虛擬和優化設計。

3 Pro/E 在家電產品設計中應用特點

3.1 做好Pro/E 的系統規劃和配置

系統規劃和配置決定Pro／E 的使用環境、使用界面、各種庫文件的調用，對Pro／E 的實施和應用至關重要。主要規劃和配置內容如下：

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

（2）建立三維模板文件。利于實現設計文件的標準化。如單位設置、參數設置、層設置、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 進行家電設計

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

Top-Down 設計的基本步驟是： 定義設計意圖→定義初步的產品結構→定義骨架模型→通過裝配結構傳遞設計意圖→組織后續設計→管理元件間的相互性。

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

3.3 三維造型技術應用

家電產品主要是由塑料件、管件、鈑金件組成，外觀多以自由變化的曲線、曲面組成。Pro/E 的三維造型技術是基于特征和參數化，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構設計。

Pro/Sheetmetal 是Pro/E 鈑金模塊，包括分離壁及連續壁的設計、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、鈑金特性的設定等。適用物冰箱側幫及后板、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構設計。

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，適用于復雜的曲面設計，如：空調機造型、洗衣機造型、洗衣機波輪、攝像機造型、抽煙機造型、電風扇造型等。也可以使用Pro/E ISDX（Interactive Surface Design Extension）自由形狀曲面設計功能，快速輕松地完成準確并且具有獨特美感的產品設計。

3.4 工程圖設計

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

Pro/Detail 是Pro/E 的工程圖設計模塊，主要功能有： 自動尺寸標注、參數特征生成，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 的實體造型產品按ANSI/ISO/JIS/DIN 標準的工程圖。

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

3.5 模具CAD/CAM 的應用

家電零件多數為塑料件、鈑金件，其生產必須依靠塑料模具、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、模具布局設計、調用模具專家系統EMX （Expert Moldbase Extension）模架。然后利用Pro/Manufacturing 模塊建立加工模型、進行加工設定、加工模擬、后置處理及數控代碼生成等內容，并與數控加工中心控制系統集成[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化，直到沒有任何干涉為止[4]。

鈑金件往往結構復雜、需要有多道沖壓工序，生產批量大，常選擇連續沖壓模。而連續模設計系統 “Progressive Die Extension（PDX）”作為Pro/E 的專用掛件，提高了連續模設計效率。

3.6 裝配與優化設計

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

自頂向下（Top-down）的裝配設計模式，先確定產品的裝配結構，再確定零部件組成，然后將產品中的 “控制部件” 分發到各個零部件中，再在Pro/Assembly 環境下進行零件詳細設計。這是完整的從 “概念設計” 開始的設計過程。適合于外觀造型復雜、零件配合關系不易確定的情況，如吸塵器、掛燙機、加濕器、取暖器、豆漿機的設計。

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

Pro/Assembly 環境下的Pro/ Mechanica 和Pro/ Mechanism 模塊可以進行有限元分析和機構運動分析，實現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化設計，在家電產品優化設計中有重要意義[5]。

4 Pro/E 在家電產品設計中發展趨勢

4.1 通過PDM 與ERP 集成

PDM（Product Data Management，產品數據管理）系統用于管理與產品有關的信息和過程，包括圖檔管理、部件和產品結構管理、工程更改和配置管理、工作流和任務、零部件高級歸類管理、數據分發管理等[6]。

ERP（Enterprise Resource Planning，企業資源規劃）系統從整體優化的角度將人、財、物、信息等企業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，將上游的所有設計信息與下游的企業資源計劃信息集成，打通部門之間的管理信息通道，實現從技術開發到生產控制、品質管理、進銷存、售后服務及市場拓展等全過程的資源共享，是全面推進家電企業信息化建設的重要途徑。

4.2 變型設計與二次開發

家電產品開發時，其中70%以上的產品設計都是在原有產品基礎上通過變型設計來實現。開發并應用與Pro/E 系統集成的家電參數化變型設計系統，實現了家電產品的快速開發與設計。

Pro/Toolkit 模塊提供了二次開發工具，支持C 語言程序庫，支持Pro/E 接口，可以直接訪問數據庫。以VC++為工具,通過加載Pro/Toolkit 應用程序和SQL Server數據庫[8]，開發變型設計系統。

5 結束語

在家電開發過程，Pro/E 的完成了造型設計、零件設計、裝配組件設計、工程圖設計、模具CAD/CAM、分析及優化設計等工作，整個設計過程中其參數化設計、單一數據庫、基于特征等特性，顯現了強大的、全面的CAD/CAM/CAE 能力，體現了設計與制造同步的功能優勢，縮短了家電產品的設計和制造周期，為家電新產品的開發設計提供了強有力的保障。

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

[2] 林清安. 完全精通Pro/ENGINEER 5.0 零件設計基礎入門[M].北京：電子工業出版社，2010.

[3] 易際明，彭浩舸.Pro/ENGINEER 模具設計與數控加工[M].北京：清華大學出版社，2004.

[4] 詹建新.基于Pro/E 空調分體機面框產品設計與模具設計[J].模具制造，2008，10.

[5] 黃躍東，劉建雄.Pro/Mechanica 的有限元分析應用[J].機電產品開發與創新，2007，3.

[6] 范文慧.產品數據管理（PDM）的原理與實施[M].北京：機械工業出版社，2004.

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

[8] 沈斌，麻連榮，宮大.基于Pro/E 二次開發的零件參數化設計技術[J].機械設計與制造，2007，1.