陶瓷機械裝備數字化設計與制造技術的應用研究

馮景華 吳南星 劉文廣

（景德鎮陶瓷學院機電學院，江西景德鎮333403）

0引言

我國陶瓷機械裝備雖然近幾年來有了一定的進步，但在整個陶瓷行業的發展中仍沒有發揮很好的同步發展效應，更沒有起到引領行業發展的作用。當前科技迅猛發展，數字化設計技術作為一支重要的生力軍，在各行各業都發揮著巨大的作用。現代陶瓷機械裝備應加速向“數字”和“精確”陶瓷行業發展。推行CAD/CAE/CAN、M IS和加工柔性化系統、建立FMS示范工程、加快我國陶瓷機械裝備數字化設計與制造技術的應用研究等。已成為歷史賦予我國陶瓷機械裝備技術人員的責任。

1 數字化設計制造技術概述

數字化（Digital）是指信息（計算機）領域的數字（二進制）技術向人類生活各個領域全面推進的過程，是基于產品描述的數字化平臺，建立基于計算機的數字化產品模型，并在產品開發全程采用，達到減少或避免使用實物的一種產品開發技術。這種設計全面模擬產品的設計、分析、裝配、制造等過程。數字化設計與制造技術的應用可以大大提高機械產品開發能力，縮短產品研制周期，降低開發成本，實現最佳設計目標和企業間的協作，使企業能在最短時間內組織全球范圍的設計制造資源共同開發出新產品，大大提高企業的競爭能力。數字化設計與制造技術集成了現代設計制造過程中的多項先進技術，包括三維建模、裝配分析、優化設計、系統集成、產品信息管理、虛擬設計與制造、多媒體和網絡通訊等，是一項多學科的綜合技術，其目的是通過建立數字化產品模型，利用數字模擬、仿真、干涉檢查、CAE等分析技術，改進和完善設計方案。數字化設計含蓋了現代設計的最新技術，同時也是現代設計的前提。涉及的主要內容有：

（1）CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM CAD/CAE/CAPP/CAM

CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM CAD/CAE/CAPP/CAM分別是計算機輔助設計計算機輔助工程、計算機輔助工藝過程設計和計算機輔助制造的英文縮寫，它們是制造業信息化中數字化設計與制造技術的核心，是實現計算機輔助產品開發的主要工具。PDM技術集成是管理與產品有關的信息、過程及人與組織，實現分布環境中的數據共享，為異構計算機環境提供了集成應用平臺，從而支持CAD/CAPP/CAM/CAE系統過程的實現。

（2）異地、協同設計

在因特網/企業內部網的環境中，進行產品定義與建模、產品分析與設計、產品數據管理及產品數據交換等，異地、協同設計系統在網絡設計環境下為多人、異地實施產品協同開發提供支持工具。

（3）基于知識的設計

將產品設計過程中需要用到的各類知識、資源和工具融入基于知識的設計（或CAD）系統之中，支持產品的設計過程，是實現產品創新開發的重要工具。設計知識包括產品設計原理、設計經驗、既有設計示例和設計手冊/設計標準/設計規范等，設計資源包括材料、標準件、既有零部件和工藝裝備等資源。

（4）虛擬設計、虛擬制造

綜合利用建模、分析、仿真以及虛擬現實等技術和工具，在網絡支持下，采用群組協同工作，通過模型來模擬和預估產品功能、性能、可裝配性、可加工性等各方面可能存在的問題，實現產品設計、制造的本質過程，包括產品的設計、工藝規劃、加工制造、性能分析、質量檢驗，并進行過程管理與控制等。

2 陶瓷機械設計領域的特點

當前行業發展中存在的主要問題：（l）技術、裝備水平低。大多數陶機專業廠技術力量不足，產品設計多用傳統的設計方法，CAD等現代化設計方法應用還不普遍，工廠裝備落后，數控機床和加工中心為數不多，計量、檢測、控制手段較差，生產機械化程度低；（2）產品質量差、檔次低。陶機產品外觀質量落后，有的性能不穩定，機電一體化產品很少，尚有許多空白，成套性差，產品附加值低，在國際市場上缺乏競爭力；（3）產業組織結構不合理，生產專業化水平和企業管理水平低。我國陶機工業雖然己經形成一定體系，但專業化分工、集約化程度很低，標準化程度也不高，產品零件互換性差，難以滿足高檔瓷生產的要求。這種生產方式極大地限制了現代化科技的應用，日用陶瓷和建筑陶瓷機械始終沒有趕上國際先進水平。

圖1 采用三維模型與程序控制相結合的方式設計Pro/E中的真空練泥機參數Fig.1 Design of Pro/E parameters for de-airing pugm illw ith 3D modeland program control

圖2 擠泥螺旋參數化設計實現過程Fig.2 Realization of parametric design for pugm illauger

陶瓷機械設計領域的特點：（1）結構類型多、型號多。例如在真空練泥機設計中，有單軸、雙軸和三軸真空練泥機等；泥漿泵設計有單、雙缸，立式、臥式等；（2）常用設備功能結構比較穩定，結構復雜程度較小。例如球蘑機、練泥機、滾壓成型機等一般由機架、傳動系統、執行機構等組成，不同型號的設備采用的部件類型和結構參數有區別，但產品功能基本相同。這種結構穩定性非常便于采用模塊化變型設計技術和參數設計技術；（3）常用陶瓷機械產品受企業投產規模、陶瓷原料性能的影響，研究開發周期長，采用ICAD技術能縮短產品研究開發周期，節約成本。

基于參數設計和裝配模型的智能設計框架，從上述特點可以看出，采用基于實例推理的模塊化參數設計和變量設計技術可以大大提高新產品設計效率和設計水平，提高陶機產品和企業的競爭力。為此，本文基于參數設計和裝配模型的智能設計框架，為解決ICAD技術中存在的問題提供一種新思路：裝配模型通過建立零部件之間的幾何模型及其裝配信息表達并維持設計意圖、產品原理和功能，是一種支持概念設計和變型設計的產品模型，而實例推理技術（CBR）以過去解決某類問題的成熟方案為基礎來解決相似問題提供了一種行之有效的方法，實例庫是組織已有技術的基礎[11]?；趨祷O計技術和裝配模型的智能設計框架的特點：概念建模和變型設計方法密切相關；裝配模型是實例推理的基礎，CBR是智能設計系統的核心，裝配建模是在CBR運行中實現的，使裝配建?？梢源罅渴褂靡延匈Y源。

3 基于Pro/ENGINEER的真空練泥機參數化設計示例

對于Pro/E中的真空練泥機參數化設計，采用一種三維模型與程序控制相結合的方式。首先建立真空練泥機三維模型樣板，三維模型是在Pro/E中采用交互的方式生成的，模型建立之后，根據程序控制的要求，建立一組可以完全控制三維模型形狀和尺寸的參數，設定相應的關系，建立給予參數優化的數學模型，以便計算出其它的結構和尺寸。然后，在VC++中建立一個新的程序，在這個參數化程序中完成與Pro/E的接口、界面設置（菜單和對話框等），針對設計出的參數實現檢索、修改和再生等功能，從而完成對三維模型的控制。其過程如圖1所示。

圖2所示為其中比較重要的擠泥螺旋部分的實現界面，采用三個屬性頁構建出一個對話框來實現不連續螺旋絞刀、連續螺旋絞刀和螺旋推進器將不同參數的輸入獲得的設計效果。

4 結語

數字化技術應用于我國陶瓷機械產品設計、制造和管理全過程，標志著我國陶瓷機械化在設計制造上的重大突破和一次重要產業升級。我國數字化設計制造關鍵技術的應用在陶瓷機械產品開發、生產中尚處于初級階段，作為高校和科研單位，為推進我國在陶瓷機械裝備水平發展，縮短與發達國家的差距，并最終實現陶瓷工業現代化在這一領域承擔著義不容辭的責任。

1閻楚良，楊方飛.機械數字化新技術.北京：機械工業出版社，2007

2李宏，張建榮.農業機械數字化設計與制造技術的應用.農業裝備技術，2007，（12）

3蘇金城.我國陶瓷機械裝備工業的規劃與展望.中國陶瓷工業，1995，（1）

4馮景華.The parametric design of de-airing pug press based on Pro/ ENGINEER.CMCE 2010，Changchun，China