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機械設(shè)計三維CAD技術(shù)應用研究

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機械設(shè)計三維CAD技術(shù)應用研究

摘要:機械設(shè)計是較早應用計算機輔助設(shè)計的領(lǐng)域之一,隨著計算機技術(shù)的不斷進步,機械設(shè)計方法也發(fā)生了巨大的改變,特別是三維cad技術(shù)的逐漸成熟,使得利用三位維CAD技術(shù)對機械產(chǎn)品進行三維建模仿真和虛擬裝配得以實現(xiàn)并取得了優(yōu)異的效果。本文簡單介紹了三維CAD技術(shù)及其在機械設(shè)計領(lǐng)域的應用,使得人們清晰地認識三維CAD技術(shù)的優(yōu)勢及其今后的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞:三維CAD技術(shù);機械設(shè)計;三維建模仿真;虛擬裝配

機械設(shè)計是指根據(jù)市場需求,對機械的工作原理、運動方式、結(jié)構(gòu)、能量和力的傳遞方式、組成機械的各個零件的形狀尺寸和材料等進行構(gòu)思、分析和計算,然后將其組成構(gòu)件轉(zhuǎn)化成具體的描述(零件圖、裝配圖)并作為制造依據(jù)的工作過程。其間,設(shè)計對象從最初單一功能產(chǎn)品變成復雜的系統(tǒng),人們需要在設(shè)計中運用集成、系統(tǒng)方法解決設(shè)計問題。傳統(tǒng)機械設(shè)計出的產(chǎn)品往往僅存在于圖紙上,未得到制造,存在諸多不合理,使得錯誤的設(shè)計難以被及時發(fā)現(xiàn)。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展,三維CAD技術(shù)在機械設(shè)計中的重要性日益凸顯,其核心是幾何建模系統(tǒng),它是一種虛擬仿真技術(shù),被廣泛應用于機械、建筑、動漫、服裝等行業(yè)。這種技術(shù)改變了傳統(tǒng)機械設(shè)計工作過程,使得機械設(shè)計的合理性大幅提升,產(chǎn)品開發(fā)周期大大縮短,成為衡量國家科技現(xiàn)代化水平的重要標志。

1三維CAD技術(shù)的發(fā)展

三維CAD技術(shù)是通過計算機系統(tǒng)利用一組數(shù)據(jù)來描述物體空間形狀的技術(shù)。它伴隨著CAD技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展,從二維平面繪圖發(fā)展到三維產(chǎn)品建模,經(jīng)歷了如下幾個階段。第一代產(chǎn)生于20世紀50年代后期發(fā)達國家的航空和軍事工業(yè)中,1989年,美國國家工程研究院將CAD技術(shù)評為1964—1989年十項最杰出的工程技術(shù)成就之一。但該技術(shù)應用之初,只是使用計算機輔助繪圖,還沒辦法達到計算機輔助設(shè)計。第二代出現(xiàn)于20世紀70年代,這個階段的CAD系統(tǒng)解決了表面模型技術(shù)只能表達形體的外形表面信息,難以準確地表達零件其他特性的問題,發(fā)展出三維實體建模模型。這使得精確表達零件的全部屬性得以實現(xiàn),帶來了CAD技術(shù)的迅速發(fā)展。第三代始于20世紀80年代中期。CAD系統(tǒng)開始出現(xiàn)了基于特征建模和基于約束的參數(shù)化設(shè)計方法,使得二、三維模型的修改具有實時相關(guān)性。這兩種方法彼此交叉融合,使得CAD技術(shù)進一步提升,其應用場景也不斷擴大,特別是該系統(tǒng)中的二、三維模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與計算機輔助制造所需要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是相同的,實現(xiàn)了不同體系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一(CAD/CAM的信息集成)。第四代是最新系統(tǒng),目前的CAD系統(tǒng)已從一個設(shè)計系統(tǒng),發(fā)展為全面支持產(chǎn)品自動化設(shè)計、加工的方法和理論、設(shè)計工具、生產(chǎn)加工環(huán)境各相關(guān)技術(shù)高度集成的綜合系統(tǒng)。這使設(shè)計工作實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、集成化和智能化,最終達到降低產(chǎn)品成本、提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量和縮短設(shè)計周期的目的[1]。

2三維CAD技術(shù)的優(yōu)勢

2.1在設(shè)計過程中采用三維實體建模

三維實體建模使得零件設(shè)計所見即所得,能夠直觀地發(fā)現(xiàn)設(shè)計上存在的問題;三維實體具有數(shù)字體積和曲面面積,便于后續(xù)工藝設(shè)計,同時,可賦予三維實體不同的材質(zhì)特性,從而對產(chǎn)品的性能、成本進行核算。

2.2特征建模

特征作為組成零件的實體模型的基本元素,描述了產(chǎn)品的功能要素及其工程含義,是零件自身信息的集合。在機械設(shè)計過程中,依托三維CAD技術(shù),設(shè)計人員可直接用凸臺、孔、倒角等特征來表達零件的幾何結(jié)構(gòu),已不再局限于傳統(tǒng)的線條和線框,使其在設(shè)計過程中對零件的結(jié)構(gòu)把握更好,更符合設(shè)計意圖,極大地提高了設(shè)計效率[2-3]。

2.3參數(shù)化設(shè)計

參數(shù)化設(shè)計是一種基于約束的并能用尺寸驅(qū)動模型變化的設(shè)計。設(shè)計人員可在設(shè)計之初進行草圖設(shè)計,再根據(jù)設(shè)計要求逐漸在草圖上施加幾何和尺寸約束,根據(jù)約束變化驅(qū)動模型變化。這樣得到的實體模型,使得設(shè)計人員在后續(xù)優(yōu)化過程中只需要修改幾個對應的參數(shù),就可獲得更新后的實體模型,不用再像傳統(tǒng)的設(shè)計方法,只能重新計算,可大大縮短開發(fā)流程。

2.4虛擬裝配與運動仿真

三維CAD技術(shù)除了零件實體建模外,還提供了虛擬裝配[4-5]。相比傳統(tǒng)機械設(shè)計方法,通過運用三維技術(shù),設(shè)計人員已不再需要制作樣機來檢驗設(shè)計的合理性,可直接運用不同的裝配關(guān)系將各個三維實體零件裝配起來,并運用靜干涉檢查的方式,檢查設(shè)計的合理性,縮短了產(chǎn)品開發(fā)時間。同時,三維CAD技術(shù)還提供了運動仿真,除了在靜態(tài)干涉檢查通過的情況下,避免了動態(tài)干涉的出現(xiàn),還針對有一定運動行程要求的機構(gòu),可檢驗運動行程是否達到要求,以保證設(shè)計的正確性。

3三維CAD技術(shù)在機械設(shè)計中的應用

基于上述三維CAD技術(shù)的優(yōu)勢,人們不難看出其在機械設(shè)計過程中有如下應用。

3.1零部件實體建模

基于現(xiàn)代三維CAD技術(shù)的設(shè)計軟件為三維實體建模提供了多種建模方式,使得零件建模過程得以簡化。例如,對于簡單結(jié)構(gòu)的零件,可運用制圖知識,將零件分解成基本幾何體,分別建模后,再通過布爾運算進行組合,從而獲得所需的三維實體模型;對于復雜結(jié)構(gòu)的零部件,則可以采用草圖工具,繪制出平面輪廓,再通過實體編輯工具,生成所需實體模型。有了三維實體模型,設(shè)計人員即可從各個角度直觀地觀察和調(diào)整所設(shè)計的零件,能夠更好地發(fā)揮自身的創(chuàng)造能力和想象能力,機械設(shè)計效率極大地提升。

3.2交互性提升

機械設(shè)計中非標設(shè)備的設(shè)計占據(jù)了很重要的一部分,而對于非標設(shè)計過程來講,很重要的一點是與客戶進行交互,以滿足客戶需求作為出發(fā)點,在交互過程中需要進行實物的呈現(xiàn),但是,傳統(tǒng)設(shè)計階段往往無法直接進行樣機制作,會造成與客戶的溝通交流不暢。三維CAD技術(shù)就可以很好地解決這個問題,它可以通過三維技術(shù)將機械產(chǎn)品的設(shè)計理念以及樣機進行模擬展示,能直觀地展示給客戶樣機的信息,從而提高了設(shè)計人員與客戶的交互性。

3.3集成制造系統(tǒng)

隨著科技水平的不斷提升,現(xiàn)有制造行業(yè)的裝備已逐漸升級到數(shù)控機床和加工中心,這些數(shù)控加工裝備基本都可與市面上的三維設(shè)計軟件進行對接。當三維CAD軟件完成產(chǎn)品模型建模后,可直接由CAD軟件模擬出加工刀具路徑,由設(shè)計人員檢查無誤完畢后,生成數(shù)控程序,再通過數(shù)據(jù)接口同步輸送至數(shù)控設(shè)備中,完成產(chǎn)品的加工,使得三維CAD技術(shù)不停留在設(shè)計階段,而是延伸到制造過程,極大地提升了生產(chǎn)效率。

4三維CAD技術(shù)給機械設(shè)計帶來的影響

三維CAD技術(shù)在機械設(shè)計領(lǐng)域中所表現(xiàn)出來的優(yōu)勢改變了傳統(tǒng)的機械設(shè)計進程,充分發(fā)揮創(chuàng)新性設(shè)計,為實現(xiàn)制造全面信息化奠定基礎(chǔ)。具體來說,傳統(tǒng)設(shè)計偏重設(shè)計人員的工作經(jīng)驗,忽視了創(chuàng)新設(shè)計的重要性,而借助三維CAD技術(shù),可取代手工設(shè)計計算,依托機械設(shè)計原理,與其他學科交叉形成設(shè)計理論體系,使設(shè)計方案利用專家系統(tǒng)建立多種機構(gòu)對比,僅需要借助現(xiàn)有相關(guān)產(chǎn)品的資料,改變產(chǎn)品某些結(jié)構(gòu),即可激發(fā)設(shè)計人員的構(gòu)思能力,產(chǎn)生創(chuàng)新構(gòu)思方案設(shè)計。日益進步的信息處理技術(shù)不僅實現(xiàn)了機械設(shè)計、制造過程的數(shù)字化,還保證了產(chǎn)品在初步設(shè)計之后,整個建造完成之前,可利用三維CAD技術(shù)實現(xiàn)虛擬裝配及動態(tài)仿真,在產(chǎn)品生產(chǎn)加工前就找出問題的所在,避免返工,縮短了設(shè)計時間,提高了設(shè)計質(zhì)量和效率。另外,隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展,信息傳輸速度不斷提升,三維CAD技術(shù)也具備了遠程協(xié)助、協(xié)同設(shè)計等功能,使得設(shè)計人員可直接多人針對設(shè)計方案進行實時異地討論,異地現(xiàn)場修改,同樣提升了設(shè)計水平。

5三維CAD技術(shù)在機械設(shè)計中面臨的問題

三維CAD技術(shù)在機械設(shè)計領(lǐng)域已呈現(xiàn)了其強大的優(yōu)勢,使得設(shè)計效率大大提升,但目前,在我國諸多的相關(guān)企業(yè)中,三維CAD技術(shù)的推廣及應用還未完全普及,主要體現(xiàn)在如下幾個方面。

5.1未能實現(xiàn)真正的輔助設(shè)計

目前,大部分的機械設(shè)計人員還僅停留在三維設(shè)計軟件的表層應用上,即僅完成三維建模、模擬裝配、運動仿真等,僅僅只是為了追求三維表達效果。但實際上,現(xiàn)有三維CAD軟件的功能已日趨強大,三維效果的表達僅是其中的一個功能,它已經(jīng)發(fā)展成為一個集設(shè)計、加工制造、生產(chǎn)管理為一體的系統(tǒng)體系。這是大部分機械設(shè)計人員還沒有清楚認識到的,其缺乏全過程的設(shè)計思維,因此,三維CAD技術(shù)在機械設(shè)計中的應用還不夠深入。

5.2高端專業(yè)的CAD技術(shù)人員欠缺

三維CAD技術(shù)具有諸多優(yōu)勢,其應用依靠對應的三維設(shè)計軟件,而要發(fā)揮出應有的效果,還是要依靠能夠熟練應用三維CAD技術(shù)的機械設(shè)計人員,目前,我國中小型企業(yè)很少花費較大的精力去對相關(guān)設(shè)計人員進行三維軟件培訓,設(shè)計人員還是得依靠自學,使得CAD技術(shù)人員的能力達不到要求,造成高端人員的短缺。

5.3數(shù)據(jù)標準化

三維CAD技術(shù)發(fā)展至今,其行業(yè)領(lǐng)先設(shè)計軟件主要有SolidWorks、UG、Pro/Engineer等主流軟件,其都具有自己的數(shù)據(jù)格式。目前國際上一直推行CAD標準化,這幾個軟件也有對應提供數(shù)據(jù)格式,但還存在諸多轉(zhuǎn)換問題,造成軟件系統(tǒng)在數(shù)據(jù)交換等方面存在很多問題,給不同軟件使用者在進行交流協(xié)作時帶來不便。

6三維CAD技術(shù)未來發(fā)展方向

6.1集成化

生產(chǎn)制造企業(yè)中,設(shè)計制造管理構(gòu)成主要生產(chǎn)活動,三維CAD技術(shù)發(fā)展趨勢是系統(tǒng)集成化,提高產(chǎn)品設(shè)計自動化程度。集成化可以是CAD系統(tǒng)內(nèi)部模塊集成,如工程領(lǐng)域CATD與CAM集成,軟件標準化是CAD集成化的重要保證,需要制定系列標準,使軟件實現(xiàn)開放,提高CAD系統(tǒng)集成度,使設(shè)計步驟有效利用三維CAD技術(shù)形成設(shè)計自動化。

6.2信息化

隨著Internet技術(shù)迅速發(fā)展,CAD產(chǎn)品可以使企業(yè)直接將企業(yè)標準化產(chǎn)品的動態(tài)三維模型集成到自定義在線目錄中,通過互聯(lián)網(wǎng)實時交流,使得設(shè)計人員直接調(diào)用產(chǎn)品模型,有效減少重復勞動,基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作模式對提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量是十分重要的。6.3標準化產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標準的建立統(tǒng)一是實現(xiàn)三維CAD技術(shù)集成化的必要條件。復雜機械產(chǎn)品的生產(chǎn)是由不同企業(yè)、部門的協(xié)作分工完成的。機械產(chǎn)品零部件的信息存在于不同的地點、不同的PC機和不同的三維CAD系統(tǒng),使得最后在裝配制造中會出現(xiàn)產(chǎn)品信息表達的差異性。為了消除這一差異,產(chǎn)品信息在各系統(tǒng)之間必須采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式標準,即實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式標準國際化,如IG⁃ES標準、PDDI標準、PDES標準和STEP標準等,標準化是三維CAD技術(shù)的重要發(fā)展趨勢。

6.4智能化

設(shè)計是一個人類創(chuàng)造性活動領(lǐng)域,是含有高度智能的,也是傳統(tǒng)機械所無法替代的。但隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展,大數(shù)據(jù)加上機器學習,使得計算機模擬人類的思維活動,如形象思維、抽象思維和創(chuàng)造性思維等已成為可能。因此,三維CAD技術(shù)發(fā)展的一個必然方向?qū)⑹侵悄蹸AD,它不僅僅是簡單地將現(xiàn)有的三維CAD技術(shù)與人工智能技術(shù)相結(jié)合,而是要深入研究人類設(shè)計的思維過程,建立人類設(shè)計的思維模型,再用計算機信息技術(shù)來表達和模擬,只有這樣才能產(chǎn)生高效的CAD系統(tǒng),飛躍式地提升三維CAD技術(shù)的效率。

7結(jié)語

我國的制造業(yè)已逐步發(fā)展壯大,與發(fā)達國家的差距也逐步縮短,特別是在中國制造向中國創(chuàng)造轉(zhuǎn)變的過程中,三維CAD技術(shù)在機械設(shè)計領(lǐng)域的應用貢獻巨大,該技術(shù)將是今后機械智造的一個重要發(fā)展方向,也會發(fā)揮更重要的作用。

參考文獻:

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作者:蔡海毅 單位:泉州職業(yè)技術(shù)大學