汪興興，倪紅軍，朱昱，呂帥帥，杲先鋒

(1.南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南通 226019； 2.南通鴻鵠信息技術(shù)有限公司，江蘇南通 226019)

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單件小批量PCB塑料盒參數(shù)化設(shè)計(jì)及快速原型制造*

汪興興1，倪紅軍1，朱昱1，呂帥帥1，杲先鋒2

(1.南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南通 226019； 2.南通鴻鵠信息技術(shù)有限公司，江蘇南通 226019)

摘要：以車(chē)載終端項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中遇到的單件小批量印刷電路板(PCB)塑料安裝盒為研究對(duì)象。根據(jù)單件小批量PCB關(guān)鍵尺寸及功能端口要求，采用三坐標(biāo)測(cè)量等方法獲取該P(yáng)CB點(diǎn)云數(shù)據(jù)。借助Imageware軟件等，提取該P(yáng)CB關(guān)鍵尺寸參數(shù)，確定該P(yáng)CB安裝盒設(shè)計(jì)參數(shù)?；赟olid Works軟件完成該P(yáng)CB塑料安裝盒參數(shù)化設(shè)計(jì)，形成三維造型，并完成虛擬裝配及干涉檢查。利用3D打印技術(shù)，完成PCB塑料安裝盒產(chǎn)品工程樣機(jī)快速原型制造。對(duì)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中單件小批量塑料安裝盒的快速和經(jīng)濟(jì)制造具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：參數(shù)化設(shè)計(jì)；快速原型；3D打印；單件小批量；塑料安裝盒；印刷電路板

聯(lián)系人：倪紅軍，博士，教授，主要研究方向?yàn)樾履茉础⑿虏牧霞皵?shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)

參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容[1]，采用這種設(shè)計(jì)方法，可以快速有效地進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。參數(shù)化設(shè)計(jì)是指通過(guò)改動(dòng)圖形某一部分或某幾部分的尺寸，自動(dòng)完成對(duì)圖形中相關(guān)部分的改動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)尺寸對(duì)圖形的驅(qū)動(dòng)，其中進(jìn)行驅(qū)動(dòng)所需的幾何信息和拓?fù)湫畔⒂捎?jì)算機(jī)自動(dòng)提取。常用的參數(shù)化設(shè)計(jì)CAD軟件中，主流的應(yīng)用軟件有Pro/Engineer，UG NX，CATIA和Solid Works四大軟件，四大軟件各有特點(diǎn)，并在不同的領(lǐng)域分別占據(jù)一定的市場(chǎng)份額?？焖僭椭圃?RPM)是將原型(或零件、部件)的幾何形狀、所選材料及構(gòu)造等有關(guān)的組合信息建立數(shù)字化描述模型，并將這些信息輸入計(jì)算機(jī)控制的機(jī)電控制制造系統(tǒng)進(jìn)行材料的“添加”，從而完成產(chǎn)品的加工過(guò)程，在塑料件成型領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛[2–5]。對(duì)于單件小批量塑料件，過(guò)去常采用傳統(tǒng)開(kāi)模方法加工，存在制造周期長(zhǎng)和加工成本高的問(wèn)題[6–7]。

針對(duì)車(chē)載終端項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中遇到的單件小批量PCB實(shí)例，借助現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)與快速原型制造技術(shù)，完成單件小批量印刷電路板(PCB)塑料安裝盒參數(shù)化設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)快速和經(jīng)濟(jì)制造。

1　需求分析與參數(shù)測(cè)量

1.1需求分析

在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程，常遇到需要設(shè)計(jì)和加工專(zhuān)用的安裝盒，往往是優(yōu)先尋找標(biāo)準(zhǔn)防水盒或標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱通過(guò)二次加工獲得；但有些項(xiàng)目開(kāi)發(fā)時(shí)，需設(shè)計(jì)出專(zhuān)用和盡量小型化的安裝盒，即針對(duì)車(chē)載終端項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程遇到的單件小批量PCB塑料安裝盒實(shí)例開(kāi)展研究工作。具體工程PCB實(shí)例如圖1所示，該P(yáng)CB塑料安裝盒主要需求包括：1)總長(zhǎng)、總寬和總高的要求尺寸盡量?。?) PCB四角安裝孔位尺寸及支撐的要求；3) PCB上表面前端接線端口及復(fù)位按鈕的位置及尺寸要求；4) PCB上表面前部3個(gè)狀態(tài)指示燈的位置及尺寸要求；5) PCB上表面左端天線接口的位置和尺寸要求；6) PCB上表面右端VGA接口的位置和尺寸要求；7) PCB底面前端SIM卡插卡口的位置和尺寸要求。

圖1　工程實(shí)例PCB實(shí)例照片

1.2參數(shù)測(cè)量

為獲取工程PCB塑料安裝盒參數(shù)化設(shè)計(jì)所需尺寸，可以借助現(xiàn)代測(cè)量方法(如三坐標(biāo)測(cè)量、二維影像測(cè)量等)和傳統(tǒng)測(cè)量方法(游標(biāo)卡尺等)測(cè)量PCB實(shí)例的關(guān)鍵尺寸。筆者采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和游標(biāo)卡尺等測(cè)量工具。

本次測(cè)量使用的設(shè)備是西安愛(ài)德華測(cè)量設(shè)備有限公司MQ8106型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。該設(shè)備主要特點(diǎn)為：采用全封閉框架移動(dòng)橋式結(jié)構(gòu)，大理石工作臺(tái)和氣懸浮導(dǎo)軌。測(cè)頭系統(tǒng)采用RENISHAW PH10T可自動(dòng)雙旋分度測(cè)頭座、RENISHAW測(cè)針組及HEADER F–Scan柔性激光掃描測(cè)頭，不僅可以進(jìn)行接觸式測(cè)量，也可以進(jìn)行非接觸激光掃描，具有基于三維模型的有模特征測(cè)量功能。

測(cè)量工作過(guò)程如下：首先需要將零件放在工作臺(tái)面上，固定零件；其次，開(kāi)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，選擇手動(dòng)測(cè)量模式；第三，通過(guò)手動(dòng)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)外形、關(guān)鍵孔位、關(guān)鍵部位等關(guān)鍵尺寸的測(cè)量；最后，測(cè)量完成后，保存所測(cè)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為“.stl”格式文件，能夠在后續(xù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理時(shí)直接調(diào)用。

此外，由于單件小批量PCB上面的零件太小并且復(fù)雜，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)球形接觸測(cè)頭具有一定的直徑尺寸，無(wú)法通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)接觸式測(cè)量方式測(cè)量一些PCB尺寸，如PCB四角安裝孔的大小等，就必須借助傳統(tǒng)的游標(biāo)卡尺等工具進(jìn)行測(cè)量。

2　點(diǎn)云處理及三維重構(gòu)

2.1點(diǎn)云處理

Imageware是最著 名的逆向工程軟件，Imageware因其強(qiáng)大的點(diǎn)云處理能力、曲面編輯能力和A級(jí)曲面的構(gòu)建能力而被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、航空、航天、消費(fèi)家電、模具、計(jì)算機(jī)零部件等設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域[8]。工程PCB的點(diǎn)云處理流程如下所述：

第一步，調(diào)入數(shù)據(jù)。首先根據(jù)三視圖，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)正確的擺放，使工程實(shí)例PCB點(diǎn)云數(shù)據(jù)在Imageware軟件視圖中顯示規(guī)則，同時(shí)便于修正位置，并且可以更好地處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

第二步，處理數(shù)據(jù)。基于Imageware軟件，利用采集到的工程實(shí)例PCB點(diǎn)云數(shù)據(jù)(如圖2a所示)進(jìn)行處理，將已知的線生成平面，并且將相應(yīng)的線和面做出標(biāo)記，如圖2b所示，以便后續(xù)測(cè)量和表征各部件的尺寸和位置關(guān)系[8]。

圖2　工程實(shí)例PCB點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖

第三步，提取參數(shù)。將工程實(shí)例PCB相關(guān)面的尺寸、線的長(zhǎng)度、以及線和面的位置關(guān)系等關(guān)鍵參數(shù)提取出來(lái)，以便在Solid Works軟件生成相應(yīng)的實(shí)體三維造型。此外，結(jié)合游標(biāo)卡尺等測(cè)量工具，把PCB原始參數(shù)數(shù)據(jù)整理出來(lái)，得到設(shè)計(jì)PCB塑料安裝盒最直接的參數(shù)，便于后續(xù)設(shè)計(jì)工作的開(kāi)展。工程實(shí)例PCB部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。

表1　工程實(shí)例PCB部分?jǐn)?shù)據(jù)

2.2三維重構(gòu)

將在Imageware軟件中所構(gòu)建的工程實(shí)例PCB線面圖元保存為“.iges”格式文件后，調(diào)入SolidWorks三維造型軟件，進(jìn)行一系列的操作，比如拉伸凸臺(tái)基體，拉伸切除等命令，結(jié)合已經(jīng)在Imageware中構(gòu)建的線面，基于Solid Works軟件重構(gòu)出該P(yáng)CB的實(shí)體模型。工程實(shí)例PCB簡(jiǎn)化三維重構(gòu)造型如圖3所示。

圖3　工程實(shí)例PCB簡(jiǎn)化三維重構(gòu)造型

3　安裝盒的參數(shù)化設(shè)計(jì)

3.1安裝盒的具體功能及要求

結(jié)合本文第1部分的分析，可知該安裝盒是用于工程實(shí)例PCB的安裝和保護(hù)，需包括底座和上蓋兩部分，底座起到支撐PCB和作為安裝盒的基座功能，要求底座四角應(yīng)設(shè)有可支撐起PCB的支撐腳，以及與PCB安裝孔相對(duì)應(yīng)的安裝孔；上蓋主要起到罩住和保護(hù)整個(gè)PCB的功能，要求在PCB各對(duì)應(yīng)面設(shè)有各種功能端口的安裝孔；此外，為簡(jiǎn)化安裝，將安裝盒的底座、上蓋和PCB四角安裝孔位統(tǒng)一為一組尺寸。

3.2安裝盒的材料選擇

由于該安裝盒屬于單件小批量的產(chǎn)品，從縮短制造周期和節(jié)約成本角度考慮，擬選擇適用于3D打印的丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料(ABS)，屬于一種典型的工程塑料，能滿足PCB安裝盒的強(qiáng)度要求，且易于加工、制品尺寸穩(wěn)定、表面光澤性好、質(zhì)量輕、成本低[9]。

3.3安裝盒的三維造型及虛擬裝配

根據(jù)上述確定的安裝盒總體兩件布局的設(shè)計(jì)方案，底座擬采用與工程實(shí)例PCB等長(zhǎng)和等寬的尺寸，即為125 mm×89 mm，以便于PCB一起套裝在上蓋內(nèi)部。此外，并在底座在四角設(shè)置支撐座及與PCB一致的安裝孔，結(jié)合前文所述的參數(shù)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)尺寸，完成PCB塑料安裝盒的底座造型設(shè)計(jì)。

根據(jù)本文第1部分所述PCB安裝盒的其它需求，開(kāi)展PCB塑料安裝盒的上蓋設(shè)計(jì)工作。首先確定了上蓋的內(nèi)部長(zhǎng)度和寬度方向尺寸略大于PCB的長(zhǎng)度和寬度尺寸(主要是預(yù)留安裝縫隙，方便安裝)，內(nèi)部長(zhǎng)度和寬度取值為125.5 mm×89.5 mm，壁厚取值2 mm，完成PCB塑料安裝盒的頂面初步造型工作；其次確定PCB安裝盒的總高尺寸，確?？梢蕴籽bPCB和底座，又不碰到PCB的上表面元器件，總高取值為30 mm，完成PCB塑料安裝盒的側(cè)面初步造型工作；第三，結(jié)合PCB各端口關(guān)鍵尺寸，在相應(yīng)側(cè)面上完成各端口安裝孔的切除造型工作，具體包括PCB上表面前端接線端口及復(fù)位按鈕安裝孔、左端天線接口安裝孔、右端VGA接口安裝孔和底面前端SIM卡安裝孔；第四，根據(jù)PCB狀態(tài)指示燈的大小及位置尺寸，通過(guò)切除、拉伸等命令完成該區(qū)域的局部造型工作；第五，為便于該車(chē)載終端部件固定安裝，創(chuàng)建安裝盒左右兩側(cè)的四個(gè)安裝耳；最后，根據(jù)PCB四角安裝孔的位置尺寸，完成安裝盒上蓋內(nèi)部的四個(gè)安裝柱的創(chuàng)建工作，至此，完成上蓋造型設(shè)計(jì)。

基于Solid Works軟件完成了PCB安裝盒和PCB三維重構(gòu)模型的虛擬裝配工作，圖4給出了工程實(shí)例PCB與安裝盒總裝的爆炸圖，自上而下依次是安裝盒的上蓋、PCB三維重構(gòu)模型、安裝盒底座。配合的條件是通過(guò)將上蓋的安裝柱、PCB三維重構(gòu)模型四角的安裝孔、安裝盒底座四角的安裝孔匹配軸對(duì)齊，以及兩組面對(duì)齊(上蓋的安裝柱與PCB模型接觸面、PCB模型與安裝盒底接觸面)，實(shí)現(xiàn)虛擬裝配，并利用Solid Works軟件自帶的干涉檢查功能，檢查發(fā)現(xiàn)無(wú)尺寸干涉現(xiàn)象，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖4　工程實(shí)例PCB及其安裝盒總裝爆炸圖

4　快速原型制造

對(duì)于單件小批量塑料件，過(guò)去常采用傳統(tǒng)開(kāi)模方法加工，存在制造周期長(zhǎng)和加工成本高的問(wèn)題，而通過(guò)快速原型制造技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)單件小批量塑料件的快速和經(jīng)濟(jì)制造。采用北京太爾時(shí)代科技有限公司的UP Plus 2型快速原型機(jī)(3D打印機(jī))完成了該工程實(shí)例PCB塑料安裝盒快速原型制造。該打印機(jī)簡(jiǎn)易、便攜，其工作原理是：將ABS材料高溫熔化擠出，并在成型后迅速凝固，因而打印出的模型結(jié)實(shí)耐用[10]。將該工程實(shí)例PCB塑料安裝盒底座和上蓋實(shí)體模型的“.stl”文件分別導(dǎo)入3D打印機(jī)，打印實(shí)體。由于3D打印機(jī)需要一層一層地逐層打印，所以整個(gè)打印過(guò)程需要數(shù)小時(shí)之久，但相對(duì)傳統(tǒng)塑件的開(kāi)模加工耗費(fèi)的時(shí)間已經(jīng)非常短。打印完成后，需要去除掉支撐材料并對(duì)得到的零件進(jìn)行適當(dāng)?shù)男藜?、打磨，才能最終完成零件的快速原型制造。

最終將快速原型制造的PCB塑料安裝盒與工程實(shí)例PCB進(jìn)行匹配安裝，安裝效果良好，滿足設(shè)計(jì)功能需求，總裝照片如圖5所示。該方法對(duì)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中單件小批量工程PCB安裝盒的快速和經(jīng)濟(jì)制造具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

圖5　工程實(shí)例PCB及其安裝盒總裝照片

5　結(jié)論

(1)針對(duì)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中遇到的單件小批量工程實(shí)例PCB，采用三坐標(biāo)測(cè)量等方法獲取PCB點(diǎn)云數(shù)據(jù)；借助Imageware軟件對(duì)PCB點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理重構(gòu)，提取PCB基本尺寸參數(shù)，確定了單件小批量PCB塑料安裝盒設(shè)計(jì)參數(shù)需求。

(2)基于Solid Works軟件完成了單件小批量PCB安裝盒的參數(shù)化設(shè)計(jì)，形成單件小批量PCB安裝盒三維造型，并完成了虛擬裝配及干涉檢查工作。

(3)利用3D打印技術(shù)，通過(guò)北京太爾公司UP Plus 2型快速原型機(jī)完成單件小批量PCB塑料安裝盒快速原型制造，加工出單件小批量PCB塑料安裝盒產(chǎn)品樣機(jī)。

(4)筆者的研究思路和方法對(duì)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中單件小批量PCB塑料安裝盒的快速和經(jīng)濟(jì)制造具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

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Parametric Design and Rapid Prototyping of Plastic Box for Small Batch PCB

Wang Xingxing1， Ni Hongjun1， Zhu Yu1， Lyu Shuaishuai1， Gao Xianfeng2
(1. School of Mechanical Engineering， Nantong University， Nantong 226019， China；2. Nantong Honghu Information Technology co.， Ltd， Nantong 226019， China)

Abstract：Plastic box for single unit and small batch printed circuit board (PCB) was taken as research object，which is encountered in the process of vehicle terminal project developing. According to the key size and functional port requirements of the PCB，point cloud data were acquired by three coordinate measuring and other methods. Imageware software was used to reconstruct the PCB model，basic size parameters of the PCB could be got and then design parameters of plastic box for the PCB could be determined. Design of the plastic box for the PCB was completed based on Solid Works software，then 3D modeling of plastic box for the PCB was gained，virtual assembly and interference checking were also finished. Up Plus 2 rapid prototype machine was used to manufacture plastic box for the PCB rapidly based on 3D printing technology，then prototype of plastic box for the PCB was obtained. It is of certain engineering significant for single unit and small batch manufacturing of plastic box.

Keywords：parametric design；rapid prototyping；3D printing；single unit and small batch；plastic box；printed circuit board

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ325.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-3539(2016)04-0061-04

doi:10.3969/j.issn.1001-3539.2016.04.014

收稿日期：2016-02-03

*國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAG02B10)，江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目[蘇政辦發(fā)(2014)37號(hào)]，南通市前沿與關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目(MS22015028)