Pro/E在家电设计中的应用研究

段家现

（梧州学院 机械与材料工程学院，广西 梧州 543002）

0 引言

市场竞争中，家电企业需要提高产品质量，缩短设计和制造周期，快速地推出实用新颖、先进好用、物美价廉的家用电器，满足市场需求，占领市场先机。企业自身必须有规范高效的产品开发开发模式和与其相对应的Pro/ Engineer 等现代设计技术的综合应用。

Pro/Engineer 是美国PTC 公司推出的参数化工程设计软件，简称Pro/E。集零件设计、产品装配、工程图设计、模具设计、NC 加工、钣金设计、造型设计、逆向工程、机械模拟、有限元分析、产品数据管理等功能于一体，广泛应用于电子、机械、汽车、航空航天、家电、玩具等领域[1]。

1 Pro/E 参数化产品设计的特性[2]

（1）三维实体模型。将设计概念以最真实的数字模型在计算机上呈现出来，可以计算出零件或产品的体积、面积、质心、重量、惯性矩等，提高虚拟产品的真实。

（2）单一数据库特性。不论二维或三维上修正尺寸时，与之相关的二维或三维图形均自动修改，同时装配组件、制造、模具等相关设计也会自动修改，保证了数据的一致性。提供了双向关联性的功能，符合现代产品设计中 “并行工程” 的理念。

（3）以特征作为设计的单位。特征作为设计的基本单元，可以随时对特征做顺序调整、插入特征、删除特征、重新定义特征等修正操作，以最自然的思考方式进行设计。

（4）参数化设计。运用强大的数学运算方式，创建各尺寸参数之间的关系式，使得模型可自动计算出应有的外型。

2 家电产品设计的要求及内容

2.1 家电设计要求

（1）敏捷设计。根据用户消费特点和市场需求，做出快速响应，最大限度缩短产品设计和制造的周期。敏捷设计贯穿产品总体方案设计，结构设计、电气控制设计、工艺设计、模具设计与制造等整个产品设计周期。

（2）精良设计。家电设计要求整个产品零缺陷，追求零变更，各个零部件完美组合。充分运用现代设计方法和先进的CAD/CAM/CAE 集成软件相结合的设计手段。

2.2 家电设计内容

家电产品设计基本流程是： 产品调研和需要分析→产品总体方案设计→结构设计→模具设计→工艺设计→装配设计→样件试制等。主要内容如下：

（1） 产品总体方案设计，完成产品的造型设计

（2） 产品结构设计，完成零件设计。

（3） 零件和装配的工程图设计。

（4） 零件结构工艺分析，模具设计。

（5） 虚拟和优化设计。

3 Pro/E 在家电产品设计中应用特点

3.1 做好Pro/E 的系统规划和配置

系统规划和配置决定Pro／E 的使用环境、使用界面、各种库文件的调用，对Pro／E 的实施和应用至关重要。主要规划和配置内容如下：

（1）配置Config.sup、Config.pro、Config.win 等系统文件。

（2）建立三维模板文件。利于实现设计文件的标准化。如单位设置、参数设置、层设置、标注样式等。

（3）配置工程图dtl 文件和建立标准的工程图格式（frm）文件。

（4）库配置。建立全面准确的库配置，配置标准件、通用件库、材料库、符号库、公差表库、钣金表等。

3.2 利用Top-Down 进行家电设计

Top-Down 是控制Pro/E 相关性设计工具最好的方法。大型和复杂的家电产品，必须采用Top-Down 设计可用来管理大型装配，组织复杂设计并与项目组成员共享设计信息。

Top-Down 设计的基本步骤是： 定义设计意图→定义初步的产品结构→定义骨架模型→通过装配结构传递设计意图→组织后续设计→管理元件间的相互性。

家电设计的上游是造型设计，造型工具有3Dmax、UG、Rhino、Inventor 等软件，Pro/E 通过IGS 和STP 格式文件，调用造型文件，建立骨架模型，进行结构的详细设计。即Pro/E 在家电设计中常用的骨架设计法（Skeleton+Publish Geom+Copy Geom）。

3.3 三维造型技术应用

家电产品主要是由塑料件、管件、钣金件组成，外观多以自由变化的曲线、曲面组成。Pro/E 的三维造型技术是基于特征和参数化，主要三维造型模块有Pro/Feature、Pro/Sheetmetal、Pro/Surface，其建模特点比较适合塑料件、管件、钣金件等零件的设计。

Pro/ Feature 是Pro/E 的基本建模模块，包括弯面造型、零件抽空、三维式扫描造型功能、多截面造型功能、薄片设计等。适用于冰箱灯罩、接水盒、电饭煲盖、平板电视外壳等塑料件的结构设计。

Pro/Sheetmetal 是Pro/E 钣金模块，包括分离壁及连续壁的设计、钣金材料冲孔及剪边、冲模钣金成形、钣金折弯及卷曲、钣金展开、钣金特性的设定等。适用物冰箱侧帮及后板、电压锅外壳、电脑机箱壳体、洗衣机壳体、钣金梁等五金零件的结构设计。

Pro/Surface 是Pro/E 的曲面造型模块，包括曲线和曲面的生成、输入、编辑等功能，可以快速地生成严格的自由曲面和几何曲面，适用于复杂的曲面设计，如：空调机造型、洗衣机造型、洗衣机波轮、摄像机造型、抽烟机造型、电风扇造型等。也可以使用Pro/E ISDX（Interactive Surface Design Extension）自由形状曲面设计功能，快速轻松地完成准确并且具有独特美感的产品设计。

3.4 工程图设计

家电产设计的上游是造型设计、三维建模，下游则是装配和零件的工程图设计。工程图是将对象的形状、大小、相对位置、技术要求等信息，按照一定的投影方法和技术规定表达在图纸上[1]。

Pro/Detail 是Pro/E 的工程图设计模块，主要功能有： 自动尺寸标注、参数特征生成，全尺寸修饰，自动生成投影面，辅助面，截面和局部视图，允许直接从Pro/E 的实体造型产品按ANSI/ISO/JIS/DIN 标准的工程图。

工程图设计时，利用Pro/Detail 进行调用工程图模板文件和配置文件、创建工程图视图、二维草绘、工程图的标注、材料清单（BOM 表）的制作及应用等。

3.5 模具CAD/CAM 的应用

家电零件多数为塑料件、钣金件，其生产必须依靠塑料模具、冲压模具来完成。Pro/Moldesign 和Pro/Manufacturing 模块为模具CAD/CAM 提供支持。

塑料模利用Pro/Moldesign 模块创建模具模型、建立分型面、分割模具、模具检测分析、试模、开模、模流分析、模具布局设计、调用模具专家系统EMX （Expert Moldbase Extension）模架。然后利用Pro/Manufacturing 模块建立加工模型、进行加工设定、加工模拟、后置处理及数控代码生成等内容，并与数控加工中心控制系统集成[3]。同时，使用Pro/Assembly 模块的Analysis 进行全局干涉检查（MoldAnalysis→Global interference→Compute），对有干涉的地方及时进行修改与优化，直到没有任何干涉为止[4]。

钣金件往往结构复杂、需要有多道冲压工序，生产批量大，常选择连续冲压模。而连续模设计系统 “Progressive Die Extension（PDX）”作为Pro/E 的专用挂件，提高了连续模设计效率。

3.6 装配与优化设计

Pro/Assembly 是一个参数化组装管理系统，支持家电产品设计时的自顶向下（Top-down）的模式和自底向上（Bottom-up）模式。

自顶向下（Top-down）的装配设计模式，先确定产品的装配结构，再确定零部件组成，然后将产品中的 “控制部件” 分发到各个零部件中，再在Pro/Assembly 环境下进行零件详细设计。这是完整的从 “概念设计” 开始的设计过程。适合于外观造型复杂、零件配合关系不易确定的情况，如吸尘器、挂烫机、加湿器、取暖器、豆浆机的设计。

自底向上（Bottom-up）装配模式从每个零部件的详细设计开始，最后进行各个零部件装配的设计过程。采用贴合（Mate）、对齐（Align）、定向（Orient）三种方式约束相互配合的零件，并保持约束关系。适合功能性零部件，如洗衣机的驱动系统、冰箱的内置零件等。

Pro/Assembly 环境下的Pro/ Mechanica 和Pro/ Mechanism 模块可以进行有限元分析和机构运动分析，实现了几何建模和有限元分析的无缝集成，完成零件几何建模后，直接切换到Pro/Mechanica 环境进行FEM（Finite Element Method）分析，可以方便地进行模型的灵敏度分析和优化设计，在家电产品优化设计中有重要意义[5]。

4 Pro/E 在家电产品设计中发展趋势

4.1 通过PDM 与ERP 集成

PDM（Product Data Management，产品数据管理）系统用于管理与产品有关的信息和过程，包括图档管理、部件和产品结构管理、工程更改和配置管理、工作流和任务、零部件高级归类管理、数据分发管理等[6]。

ERP（Enterprise Resource Planning，企业资源规划）系统从整体优化的角度将人、财、物、信息等企业资源作为一个有机整体进行全面一体化管理[7]。

Pro/E 通过PDM 与ERP 集成，将上游的所有设计信息与下游的企业资源计划信息集成，打通部门之间的管理信息通道，实现从技术开发到生产控制、品质管理、进销存、售后服务及市场拓展等全过程的资源共享，是全面推进家电企业信息化建设的重要途径。

4.2 变型设计与二次开发

家电产品开发时，其中70%以上的产品设计都是在原有产品基础上通过变型设计来实现。开发并应用与Pro/E 系统集成的家电参数化变型设计系统，实现了家电产品的快速开发与设计。

Pro/Toolkit 模块提供了二次开发工具，支持C 语言程序库，支持Pro/E 接口，可以直接访问数据库。以VC++为工具,通过加载Pro/Toolkit 应用程序和SQL Server数据库[8]，开发变型设计系统。

5 结束语

在家电开发过程，Pro/E 的完成了造型设计、零件设计、装配组件设计、工程图设计、模具CAD/CAM、分析及优化设计等工作，整个设计过程中其参数化设计、单一数据库、基于特征等特性，显现了强大的、全面的CAD/CAM/CAE 能力，体现了设计与制造同步的功能优势，缩短了家电产品的设计和制造周期，为家电新产品的开发设计提供了强有力的保障。

[1] 吴立军，高舢，程亮.Pro/E Wildfire 4.0 三维造型技术教程[M].北京：清华大学出版社，2010.

[2] 林清安. 完全精通Pro/ENGINEER 5.0 零件设计基础入门[M].北京：电子工业出版社，2010.

[3] 易际明，彭浩舸.Pro/ENGINEER 模具设计与数控加工[M].北京：清华大学出版社，2004.

[4] 詹建新.基于Pro/E 空调分体机面框产品设计与模具设计[J].模具制造，2008，10.

[5] 黄跃东，刘建雄.Pro/Mechanica 的有限元分析应用[J].机电产品开发与创新，2007，3.

[6] 范文慧.产品数据管理（PDM）的原理与实施[M].北京：机械工业出版社，2004.

[7] 陈启申.ERP——从内部集成起步（第3 版）[M]. 北京：电子工业出版社，2012.

[8] 沈斌，麻连荣，宫大.基于Pro/E 二次开发的零件参数化设计技术[J].机械设计与制造，2007，1.