2013年6月4日

電腦製圖與智慧型模造技術

在工程上,以人力製圖費時費力,電腦的出現為此展開新幕。

作者/夏育群(任教成功大學航空太空工程學系)

工程為一種知識與實務結合的顯學,作業的過程用圖畫語言可以得到適當的表達,所以不論是設計師或工程師,甚至現場作業員,都需要有讀圖的能力。一般草擬設計理念時大部份利用手繪,無論在何時何地都可以把突然湧現的靈感記錄下來。而在工廠因為要求精準,傳統的做法多會利用製圖工具,例如尺、筆、圓規、曲線板……等器具,去完成作業圖或組裝圖。工具製圖完成後會經過上墨,然後可以經過描圖及晒圖來複製,以藍圖記錄下大部份的工程歷史。

電腦輔助製圖
近年電腦快速發展,在現代許多比較尖端科技之工程案例中,只需利用電腦及顯視器就可以完成所有零組件之設計出圖,在過程中完全不用耗費任何紙張。一般的工程製圖乃是利用三視圖,以有效的表達幾何物件的立體幾何參數,例如常用的第四角法,就是把產品擺在第四象限,投影到另外三個象限的表示方法。

從1966年開始, 出現CAD(Computer Aided Design)之概念,利用電腦輔助製圖、分析與製造,跟隨著電腦的快速進步,越來越多各種製圖軟體問世。如圖一為某零組件之立體、上視與側視圖。1972年10月,國際資訊處理聯合會(IFIP)在荷蘭召開「CAD 原理的工作會議」,定義CAD是工程技術人員以電腦為輔助工具,對產品和工程進行總體設計、繪圖、分析和編寫技術文檔等設計活動的總稱。
圖一:平面圖(左)與立體圖(右)比較。(作者提供)

電腦製圖在整個電腦輔助設計中屬於最基礎之過程,原則上在任一製圖軟體下所繪製之圖檔,應可以在不同軟體間互通並共用,然而由於各種軟體乃是由不同公司所設計發展,因此對於較為複雜之幾何,在不同軟體間仍存在相容問題。此外由於其在效能上有所差異,因此使用者必須慎選適合其使用目的之軟體來進行電腦輔助製圖,才是降低人力物力的最佳策略。而製圖有一定的規範,我國的國家標準稱為中華民國國家標準(Chinese National Standards),其以英文縮寫CNS 表示。近年來,工程製圖已深入人們的日常生活,無論是建築、室內設計、航太工業……等方面,都必須仰賴電腦輔設計,即使在路邊所看到捷運地圖,也是工程製圖下的產物,幾乎可以說沒有工程可以不需電腦製圖,只是不同工程的圖學概念略有差異。隨著電腦的快速發展,開始有各種不同的製圖軟體一一問世, 如:SOLIDWORKS、INVENTOR、PRO/E、VISI、CATIA…… 等,只會一套製圖軟體開始顯得不足,要如何選用適當的軟體解決問題,才是現在迫切需要的能力。

以下介紹目前廣泛使用之軟體PRO/E與VERO VISI:

PRO/E
全名為Pro/Engineer,是一套將最初概念設計至最後產品生產過程,以參數化設計的概念,和基於特徵實體造型系統,結合而成的機械自動化軟體。PRO/E的應用層面很廣泛,例如機構設計、模具設計、產品設計、工業設計,或者是外觀設計,很多都會要求工程師或是設計師,必須使用PRO/E 作設計。跟AutoCAD的製圖方法不太一樣,其乃是利用約束條件及立體的顯示方式,使製圖節省30~40%的時間,目前被廣泛應用在機械、電機、航太、玩具……等模具設計上。PRO/E也內建分析功能,可以對產品的機械性質作評估,以確保設計可達到預期之功能。

VERO VISI
專門的模具設計軟體,給予使用者智慧型的設計空間,以快速找出解決方案,並有效地幫企業降低成本。VERO VISI被廣泛地應用於各種製造業包括:鞋模、衝壓模、板金、連續模、塑模製造。如圖二所示,這套軟體模擬,涵蓋從電腦輔助設計(CAD)、電腦輔助(CAM)、電腦輔助工程(CAE)到轉換成數值工具機程式碼,並製造各種公業所需之產品。

電腦輔助模具設計
電腦輔助製圖亦廣泛地應用於製造業,在現代製造業中常利用模具來大量生產我們日常所需的產品,所謂「模具」意即大量製造零件時將各種相關配件組合在一起所形成的整套工具,總共可以分成七大類——塑膠模、衝壓模、擠伸模、壓鑄模、鍛造模、粉末冶金模、其他模具。

就狹義的模具來說,是指除了塑膠模具、木模及壓鑄模具以外的衝壓機械加工使用之模具,而這些模具在所有產品中佔了70%以上,因此本文就以衝壓模具與塑膠模具設計作簡要之說明。

塑膠射出機根據塑化方式分為柱塞式塑膠射出機和螺杆式塑膠射出機,按機器的傳動方式又可分為液壓式、機械式和液壓– 機械(連桿)式,按操作方式則分為自動、半自動、手動塑膠射出機,各種之款式如下所述:

臥式塑膠射出機
這是最常見的類型,其合模部分和注射部分處於同一水準中心線上,且模具是沿水準方向打開的,其特點是:(一)機身矮並易於操作和維修,機器重心低且安裝較平穩。(二)製品頂出後可利用重力作用自動落下,而易於實現全自動操作。目前,市場上的塑膠射出機多採用此種型式。

立式塑膠射出機
其合模和注射兩部分處於同一垂直中心線上,且模具是沿垂直方向打開的。因此,其佔地面積較小,容易安放嵌件,裝卸模具較方便,自漏斗落入的物料能較均勻地進行塑化。但製品頂出後不易自動落下,必須用手取下,不易實現自動操作。立式塑膠射出機宜用於小型機,一般是在60克以下的塑膠射出機採用較多,大、中型機不宜採用。

角式塑膠射出機
其注射方向和模具分介面在同一個面上,它特別適合於加工中心部分,不允許留有澆口痕跡的平面製品。它佔地面積比臥式塑膠射出機小,但放入模具內的嵌件容易傾斜落下,這種型式的塑膠射出機宜用於小機。

多模轉盤式塑膠射出機
它是一種多工位操作的特殊塑膠射出機,其特點是合模裝置採用了轉盤式結構,模具圍繞轉軸轉動。這種型式的塑膠射出機充分發揮了注射裝置的塑化能力,可以縮短生產週期,提高機器的生產能力,因而特別適合於冷卻定型時間長,或因安放嵌件而需要較多輔助時間的大批量製品的生產。但因合模系統龐大、複雜,合模裝置的合模力往往較小,故這種塑膠射出機在塑膠鞋底等製品生產中應用較多。【更詳細的內容,請參閱第522期科學月刊】

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