陶瓷机械装备数字化设计与制造技术的应用研究

冯景华 吴南星 刘文广

（景德镇陶瓷学院机电学院，江西景德镇333403）

0引言

我国陶瓷机械装备虽然近几年来有了一定的进步，但在整个陶瓷行业的发展中仍没有发挥很好的同步发展效应，更没有起到引领行业发展的作用。当前科技迅猛发展，数字化设计技术作为一支重要的生力军，在各行各业都发挥着巨大的作用。现代陶瓷机械装备应加速向“数字”和“精确”陶瓷行业发展。推行CAD/CAE/CAN、M IS和加工柔性化系统、建立FMS示范工程、加快我国陶瓷机械装备数字化设计与制造技术的应用研究等。已成为历史赋予我国陶瓷机械装备技术人员的责任。

1 数字化设计制造技术概述

数字化（Digital）是指信息（计算机）领域的数字（二进制）技术向人类生活各个领域全面推进的过程，是基于产品描述的数字化平台，建立基于计算机的数字化产品模型，并在产品开发全程采用，达到减少或避免使用实物的一种产品开发技术。这种设计全面模拟产品的设计、分析、装配、制造等过程。数字化设计与制造技术的应用可以大大提高机械产品开发能力，缩短产品研制周期，降低开发成本，实现最佳设计目标和企业间的协作，使企业能在最短时间内组织全球范围的设计制造资源共同开发出新产品，大大提高企业的竞争能力。数字化设计与制造技术集成了现代设计制造过程中的多项先进技术，包括三维建模、装配分析、优化设计、系统集成、产品信息管理、虚拟设计与制造、多媒体和网络通讯等，是一项多学科的综合技术，其目的是通过建立数字化产品模型，利用数字模拟、仿真、干涉检查、CAE等分析技术，改进和完善设计方案。数字化设计含盖了现代设计的最新技术，同时也是现代设计的前提。涉及的主要内容有：

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

CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM CAD/CAE/CAPP/CAM分别是计算机辅助设计计算机辅助工程、计算机辅助工艺过程设计和计算机辅助制造的英文缩写，它们是制造业信息化中数字化设计与制造技术的核心，是实现计算机辅助产品开发的主要工具。PDM技术集成是管理与产品有关的信息、过程及人与组织，实现分布环境中的数据共享，为异构计算机环境提供了集成应用平台，从而支持CAD/CAPP/CAM/CAE系统过程的实现。

（2）异地、协同设计

在因特网/企业内部网的环境中，进行产品定义与建模、产品分析与设计、产品数据管理及产品数据交换等，异地、协同设计系统在网络设计环境下为多人、异地实施产品协同开发提供支持工具。

（3）基于知识的设计

将产品设计过程中需要用到的各类知识、资源和工具融入基于知识的设计（或CAD）系统之中，支持产品的设计过程，是实现产品创新开发的重要工具。设计知识包括产品设计原理、设计经验、既有设计示例和设计手册/设计标准/设计规范等，设计资源包括材料、标准件、既有零部件和工艺装备等资源。

（4）虚拟设计、虚拟制造

综合利用建模、分析、仿真以及虚拟现实等技术和工具，在网络支持下，采用群组协同工作，通过模型来模拟和预估产品功能、性能、可装配性、可加工性等各方面可能存在的问题，实现产品设计、制造的本质过程，包括产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，并进行过程管理与控制等。

2 陶瓷机械设计领域的特点

当前行业发展中存在的主要问题：（l）技术、装备水平低。大多数陶机专业厂技术力量不足，产品设计多用传统的设计方法，CAD等现代化设计方法应用还不普遍，工厂装备落后，数控机床和加工中心为数不多，计量、检测、控制手段较差，生产机械化程度低；（2）产品质量差、档次低。陶机产品外观质量落后，有的性能不稳定，机电一体化产品很少，尚有许多空白，成套性差，产品附加值低，在国际市场上缺乏竞争力；（3）产业组织结构不合理，生产专业化水平和企业管理水平低。我国陶机工业虽然己经形成一定体系，但专业化分工、集约化程度很低，标准化程度也不高，产品零件互换性差，难以满足高档瓷生产的要求。这种生产方式极大地限制了现代化科技的应用，日用陶瓷和建筑陶瓷机械始终没有赶上国际先进水平。

图1 采用三维模型与程序控制相结合的方式设计Pro/E中的真空练泥机参数Fig.1 Design of Pro/E parameters for de-airing pugm illw ith 3D modeland program control

图2 挤泥螺旋参数化设计实现过程Fig.2 Realization of parametric design for pugm illauger

陶瓷机械设计领域的特点：（1）结构类型多、型号多。例如在真空练泥机设计中，有单轴、双轴和三轴真空练泥机等；泥浆泵设计有单、双缸，立式、卧式等；（2）常用设备功能结构比较稳定，结构复杂程度较小。例如球蘑机、练泥机、滚压成型机等一般由机架、传动系统、执行机构等组成，不同型号的设备采用的部件类型和结构参数有区别，但产品功能基本相同。这种结构稳定性非常便于采用模块化变型设计技术和参数设计技术；（3）常用陶瓷机械产品受企业投产规模、陶瓷原料性能的影响，研究开发周期长，采用ICAD技术能缩短产品研究开发周期，节约成本。

基于参数设计和装配模型的智能设计框架，从上述特点可以看出，采用基于实例推理的模块化参数设计和变量设计技术可以大大提高新产品设计效率和设计水平，提高陶机产品和企业的竞争力。为此，本文基于参数设计和装配模型的智能设计框架，为解决ICAD技术中存在的问题提供一种新思路：装配模型通过建立零部件之间的几何模型及其装配信息表达并维持设计意图、产品原理和功能，是一种支持概念设计和变型设计的产品模型，而实例推理技术（CBR）以过去解决某类问题的成熟方案为基础来解决相似问题提供了一种行之有效的方法，实例库是组织已有技术的基础[11]。基于参数化设计技术和装配模型的智能设计框架的特点：概念建模和变型设计方法密切相关；装配模型是实例推理的基础，CBR是智能设计系统的核心，装配建模是在CBR运行中实现的，使装配建模可以大量使用已有资源。

3 基于Pro/ENGINEER的真空练泥机参数化设计示例

对于Pro/E中的真空练泥机参数化设计，采用一种三维模型与程序控制相结合的方式。首先建立真空练泥机三维模型样板，三维模型是在Pro/E中采用交互的方式生成的，模型建立之后，根据程序控制的要求，建立一组可以完全控制三维模型形状和尺寸的参数，设定相应的关系，建立给予参数优化的数学模型，以便计算出其它的结构和尺寸。然后，在VC++中建立一个新的程序，在这个参数化程序中完成与Pro/E的接口、界面设置（菜单和对话框等），针对设计出的参数实现检索、修改和再生等功能，从而完成对三维模型的控制。其过程如图1所示。

图2所示为其中比较重要的挤泥螺旋部分的实现界面，采用三个属性页构建出一个对话框来实现不连续螺旋绞刀、连续螺旋绞刀和螺旋推进器将不同参数的输入获得的设计效果。

4 结语

数字化技术应用于我国陶瓷机械产品设计、制造和管理全过程，标志着我国陶瓷机械化在设计制造上的重大突破和一次重要产业升级。我国数字化设计制造关键技术的应用在陶瓷机械产品开发、生产中尚处于初级阶段，作为高校和科研单位，为推进我国在陶瓷机械装备水平发展，缩短与发达国家的差距，并最终实现陶瓷工业现代化在这一领域承担着义不容辞的责任。

1阎楚良，杨方飞.机械数字化新技术.北京：机械工业出版社，2007

2李宏，张建荣.农业机械数字化设计与制造技术的应用.农业装备技术，2007，（12）

3苏金城.我国陶瓷机械装备工业的规划与展望.中国陶瓷工业，1995，（1）

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