先進(jìn)制造技術(shù)之計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)

摘要先進(jìn)制造技術(shù)特別強(qiáng)調(diào)計算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、傳感技術(shù)、自動化技術(shù)、新材料技術(shù)和現(xiàn)代系統(tǒng)管理技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計、制造等方面的應(yīng)用。它不斷吸收各種高新技術(shù)成果與傳統(tǒng)制造技術(shù)相結(jié)合。這里主要介紹先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢之一，即計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)。

中圖分類號:TP39文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)作為先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢之一，因此，早在1980年左右，我國政府就已十分重視CAD技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。國家對國有大中型企業(yè)應(yīng)用CAD技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計提出了明確要求，國家的科技發(fā)展計劃也將CAD作為高新技術(shù)研究領(lǐng)域給予重點(diǎn)資助。當(dāng)前，我國CAD技術(shù)已經(jīng)邁入了普及應(yīng)用的時期，CAD技術(shù)的理論研究和軟件系統(tǒng)研發(fā)已取得了明顯的進(jìn)步。但工業(yè)發(fā)達(dá)國家不斷更新其設(shè)計數(shù)據(jù)和規(guī)則，應(yīng)用新的設(shè)計方法，廣泛推行計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)，大型企業(yè)開始著手無圖紙化的設(shè)計和生產(chǎn)。而在這方面我國還存在一定的差距。

1 計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)的內(nèi)涵

計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)包含計算機(jī)輔助設(shè)計、計算機(jī)輔助工藝規(guī)劃、計算機(jī)輔助制造、CAD/CAM集成技術(shù)等。

(1)計算機(jī)輔助設(shè)計(Computer Aided Design，CAD) 是指設(shè)計人員用計算機(jī)為輔助工具，利用計算機(jī)和CAD軟件對設(shè)計產(chǎn)品進(jìn)行解析、模擬、計算、優(yōu)化等。CAD通常包括建立幾何模型、受力分析、產(chǎn)品分析(包括方案設(shè)計、總裝設(shè)計、零部件設(shè)計)、動態(tài)仿真和自動繪圖等。

(2)計算機(jī)輔助工藝規(guī)劃(Computer Aided Process Planning，CAPP) 是指利用計算機(jī)為輔助工具對制造工藝過程進(jìn)行設(shè)計或計劃，以達(dá)到對工藝過程實現(xiàn)自動控制的目的。

(3)計算機(jī)輔助制造(Computer Aided Manufacturing，CAM) 是指利用計算機(jī)來進(jìn)行產(chǎn)品制造的統(tǒng)稱。通常包括數(shù)字控制、工藝流程設(shè)計、柔性制造系統(tǒng)(FMS)和工廠管理等。

(4)CAD/CAM集成技術(shù)(簡稱CAD/CAM) 是指把計算機(jī)輔助制造和計算機(jī)輔助設(shè)計集成在一起的系統(tǒng)。CAD/CAM是伴隨著計算機(jī)技術(shù)、制造技術(shù)的不斷發(fā)展和需求，從最初的CAD、CAPP、CAM和計算機(jī)輔助工程(CAE)技術(shù)發(fā)展演化而來的。傳統(tǒng)的設(shè)計和制造是彼此相互分開的，而CAD/CAM是把設(shè)計與制造統(tǒng)一，看成一個整體任務(wù)來規(guī)劃和研發(fā)的，基本實現(xiàn)信息與處理的高度一體化。CAD/CAM技術(shù)雖然應(yīng)用的時間不長，但發(fā)展的速度很快，當(dāng)前它已成為新一代生產(chǎn)技術(shù)的核心，被普遍認(rèn)為是提升制造業(yè)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品核心競爭力的關(guān)鍵技術(shù)。

2 常用計算機(jī)輔助設(shè)計軟件簡介及特點(diǎn)

2.1 AutoCAD

此軟件是美國Autodesk公司推出的系列交互式繪圖軟件。它具有較好的用戶界面，可通過交互式菜單或命令行方式進(jìn)行各種操作。其多個文檔可同時操作的界面環(huán)境，讓非專業(yè)人員也能很快地上手并使用。AutoCAD具有靈活的適應(yīng)性，它可以在各種操作系統(tǒng)支持的微型計算機(jī)和工作站上運(yùn)行，并支持分辨率由320€?00到2048€?024的各種圖形顯示設(shè)備，以及數(shù)字儀和鼠標(biāo)器和繪圖儀和打印機(jī)。而且其進(jìn)入中國市場較早，因此是目前應(yīng)用面最廣的軟件和成為二維機(jī)械工程制圖軟件的代表。在大學(xué)里機(jī)械類專業(yè)、建筑類專業(yè)、電子類等專業(yè)幾乎都開設(shè)了AutoCAD課程。在某種意義上說熟練使用AutoCAD是從事工科的人必須具備的能力。根據(jù)其功能通常又將它劃分到圖形軟件系統(tǒng)，在此不做詳細(xì)介紹。

2.2 UG(UNIGRPHICS)

UG是由EDS公司推出的集CAD/CAM/CAE于一體的三維參數(shù)化設(shè)計軟件，在汽車、交通、航空航天、日用消費(fèi)品、通用機(jī)械及電子工業(yè)等工程設(shè)計領(lǐng)域得到了大規(guī)模的應(yīng)用。其特點(diǎn)是:(1)適合于零件較大、較復(fù)雜的時候建立數(shù)模，如:大型的汽車、飛機(jī)等;(2)一個最大特點(diǎn)就是混合建模，在一個模型中允許存在無相關(guān)性的特征。如在建模過程中，可以通過移動、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系創(chuàng)建特征構(gòu)造的基點(diǎn)，這些特征似乎和先前創(chuàng)建的特征沒有位置的相關(guān)性;(3)在UG中，允許Sketch中存在欠約束的情況;(4)曲面功能非常強(qiáng)大，不僅提供的更為豐富的曲面構(gòu)造工具，而且可以通過一些另外的參數(shù)來控制曲面的精度、形狀。另外，UG的曲面分析工具也極其豐富;(5)UG中將很多規(guī)格化的特征劃分的非常細(xì)致，如Pocket、Slot等;(6)綜合能力很強(qiáng)大:從產(chǎn)品設(shè)計到模具設(shè)計到加工到分析到渲染幾乎無所不包 。

2.3 PRO/ENGINEER

三維建模代表軟件之一Pro/ENGINEER是美國PTC公司1988年的成功之作。自問世以來，其不斷完善和發(fā)展，當(dāng)前已成為最為普及的CAD軟件之一，基本上成為三維繪圖的一個通用平臺。此軟件版本升級過程主要經(jīng)歷了2000、2000i、2001、Wildfire版本。從最初的2001版本發(fā)展到現(xiàn)在的Wildfire版，其中Pro/ENGINEER的界面環(huán)境發(fā)生了較大的改變，尤其是用直觀的可交互的特征操控面板代替以往的菜單風(fēng)格，這樣即便于用戶快速掌握此軟件的使用，又大大提高了技術(shù)人員效率。現(xiàn)在PRO/ENGINEER已廣泛應(yīng)用在電子、機(jī)械、工業(yè)設(shè)計、航空航天、家電等行業(yè)，是一個功能齊全3D產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計軟件。它包括零件設(shè)計、總體裝配、模具開發(fā)、鈑金件設(shè)計、逆向工程、鑄造件設(shè)計、造型設(shè)計、機(jī)構(gòu)模擬、壓力分析、產(chǎn)品等功能。Pro/ENGINEER具有如下的特性:(1)3D實體模型單一數(shù)據(jù)庫，整體相關(guān)性;(2)以設(shè)計特征作為數(shù)據(jù)庫存取單位;(3)參數(shù)化設(shè)計。總之，其具體全面的3D建模功能，使用戶能提升產(chǎn)品質(zhì)量和縮短新品研發(fā)周期;通過自動生成相關(guān)聯(lián)的模具設(shè)計、裝配命令和機(jī)器代碼，能有效提高設(shè)計效率，降低工作者的勞動強(qiáng)度，避免人為差錯的出現(xiàn);通過進(jìn)行機(jī)構(gòu)仿真和虛擬樣機(jī)分析，可改進(jìn)產(chǎn)品性能和優(yōu)化設(shè)計;通過與各種CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換能夠?qū)崿F(xiàn)與大多數(shù)數(shù)據(jù)格式兼容，生成模型文件的適應(yīng)性高，方便技術(shù)人員的合作與交流。

2.4 CATIA

Catia是IBM的子公司Dassault System推出的高階計算機(jī)輔助設(shè)計軟件，廣泛使用在航天、汽車、機(jī)械、電子等相關(guān)產(chǎn)業(yè)。該軟件由四個基本模塊組成:a、三維線框幾何造型模塊，這是CATIA軟件的基礎(chǔ)模塊，是其它功能模塊的基礎(chǔ)，包括三維交互線框幾何建模、數(shù)據(jù)庫管理和繪圖機(jī)輸出等功能;b、曲面設(shè)計和數(shù)控加工模塊，該模塊包括三維復(fù)雜曲面設(shè)計和輸出數(shù)控加工信息;c、實體幾何造型模塊，生成圖形速度極快;d、運(yùn)動學(xué)模擬模塊等。其特點(diǎn)是:(1)操作簡單，內(nèi)含多種實體組件，如:凸塊、旋轉(zhuǎn)成形、拔模、鉆孔、圓角等;(2)組件參數(shù)修改方便，通過修改菜單的數(shù)據(jù)，即可得出結(jié)果，省略程序編寫;(3)曲面制作功能十分強(qiáng)大;(4)Catia的接口比較人性化，易于操作。

2.5 CAXA

CAXA由北京航空航天大學(xué)和海爾集團(tuán)聯(lián)合開發(fā)，又被稱為“電子圖版”，是一個功能齊全的計算機(jī)輔助繪圖軟件，它以交互圖形方式，可對幾何模型進(jìn)行實時構(gòu)造、編輯修改。自1997年問世以來，不到三年就創(chuàng)下5萬套的裝機(jī)量。“電子圖版”在繪圖方面與AutoCAD極為相似，功能也比較全面，較之AutoCAD刪繁就簡，突出重點(diǎn)。CAXA是主要面向機(jī)械行業(yè)的繪圖軟件，也可用于電子及建筑行業(yè)等。它可以進(jìn)行零件圖設(shè)計、裝配圖設(shè)計、平面設(shè)計、電路圖設(shè)計及建筑圖紙設(shè)計等。當(dāng)前已廣泛應(yīng)用于我國各大院校，企業(yè)應(yīng)用相對較少。CAXA具有“開放體系結(jié)構(gòu)”，用戶可根據(jù)需要進(jìn)行二次開發(fā)，以滿足不同的需求。其具體特點(diǎn)是:(1)智能設(shè)計、操作方便;(2)體系開放、符合國家標(biāo)準(zhǔn);(3)參量設(shè)計、兼容性好;(4)對硬件要求較低，可運(yùn)行于任何Windows操作系統(tǒng)下。

3 CAD技術(shù)工程應(yīng)用實例

現(xiàn)以三通管(如下圖1)為例說明CAD(Pro/E)技術(shù)在工程上的應(yīng)用。三通管作圖步驟如下圖2所示。

對于較復(fù)雜的曲面在完成三維建模后如果我們想計算出實體的質(zhì)量，用手工算出是很難辦到的，故可借用CAD軟件來分析。具體分析步驟為:

(1)點(diǎn)擊主菜單分析→模型→質(zhì)量屬性;

(2)零件密度改為0.0078，系統(tǒng)默認(rèn)密度單位為Tonne/mm3即公噸/立方毫米，可不用更改其密度單位，只要把這個公噸看成為“克”，把它當(dāng)成“克”之后，現(xiàn)在的單位就可視為是g/mm3，由于三通管的材料是鋼，因此密度對話框里把1.000000全部改為0.0078即鋼的密度為0.0078g/mm3;

(3)單擊預(yù)覽按鈕，系統(tǒng)出現(xiàn)計算結(jié)果(如圖3)。計算結(jié)果顯示質(zhì)量 =2.8997675e+03公噸。由于前面我們把公噸看成了“克”，于是三通管質(zhì)量就是2.8997675e+03克(e是一種計數(shù)方法克，e+06代表106;同理e-06代10-6)即2.8997675千克。

圖1 Pro/E里建立三維模型

圖2作圖步驟圖3計算結(jié)果

4 結(jié)語

計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)是隨著計算的應(yīng)用而逐漸發(fā)展起來的，它的應(yīng)用可以直觀地呈現(xiàn)三維立體模型，二維作圖相比以前手工繪圖更易于修改。對于CAD從業(yè)者掌握CAD技術(shù)可大大提高工作效率。

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