CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用

2013-05-24 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

遼寧省教育廳于2003年末成立了"教育為振興遼寧老工業(yè)基地服務(wù)行動方案"課題組,該課題組匯集了遼寧省各高校科研力量和企業(yè)科技部門共同圍繞遼寧老工業(yè)基地振興開展調(diào)查研究,將對應(yīng)用新技術(shù)促進(jìn)高職教育教學(xué)改革具有十分重大的指導(dǎo)意義。本文就裝備制造業(yè)的振興與三維 CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用談一點看法,以供業(yè)內(nèi)同行借鑒參考。

    一、CAD技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)狀

所有的設(shè)計都要畫圖,這是因為工程師無法完毅記住自己所作設(shè)計中的全部細(xì)節(jié) (那怕是較簡單的),用文字記載也不完整,因此圖形表達(dá)就是唯一的方法。這些圖首先是給設(shè)計者自己看,為了記住和研究設(shè)計構(gòu)思:其次是給別的工程師看,為了互相討論交流:最后是為了給制造者看,為了將設(shè)計意圖變成實物。在設(shè)計的全過程中.原始構(gòu)思是三維 (3D)實體,這也是毫無疑問的。但是,在傳統(tǒng)的設(shè)計中,這兩者之間的信息傳遞竟然完全依靠二維(2D)的圖形表達(dá)。以AutoCAD為代表的2D圖形數(shù)字化軟件對于CAD技術(shù)在我國的普及應(yīng)用起到了重要的作用,也為今天CAD技術(shù)的發(fā)展奠定了十分必要的技術(shù)基礎(chǔ)。

然而2D機(jī)械CAD技術(shù)沒能解決傳統(tǒng)設(shè)計中的一些問題,對提高設(shè)計質(zhì)量的作用有限,那么影響設(shè)計質(zhì)量和效益的一些問題是什么?筆者認(rèn)為有以下幾點:

    1、復(fù)雜的投影線生成

對于繪制鑄鍛件毛坯的零件圖,輪廓的相貫線和截交線畫不明白,設(shè)計師常常在繪制 2D圖紙時相當(dāng)頭疼。

    2、漏標(biāo)尺寸,漏畫圖線

即使經(jīng)過幾個人的審校,漏標(biāo)尺寸和缺少線條的現(xiàn)象仍時有發(fā)生。

    3、應(yīng)力應(yīng)變分析

修改零件 (如連桿)的尺寸是很容易的,問題是怎么改。要修改必須進(jìn)行力學(xué)分析,否則這個連桿斷了怎么辦?國外的產(chǎn)品設(shè)計小巧輕,而我們的同類產(chǎn)品設(shè)計卻傻大笨重,且剛度不好。

    4、數(shù)控加工處理

經(jīng)常有這樣的情況,按照國外的產(chǎn)品成型制塑料制品,一眼就看出來不一樣。為什么?我們注塑模具沒有給出足夠的局部收縮鼻。在這些復(fù)雜的三維問題上,依賴傳統(tǒng)的 2D設(shè)計方法無法解決。

    5、設(shè)計的更新與修改

CAD 應(yīng)用中的設(shè)計工程管理工作也變得日益重要,有些 CAD 應(yīng)用單位,已積累了成千上萬張的圖紙,而且在繼續(xù)增多。這些文件中除了圖形信息外,還有大量的設(shè)計參數(shù)等非圖形信息,不僅要管理圖形信息,還需要工具軟件來處理這些復(fù)雜的設(shè)計參數(shù)管理問題。

    二、關(guān)于2D圖形的繪制

"CAD"的 "D"是什么的問題長期以來沒有共識,其原因有三:一是多年以來 CAD軟件屬于較幼稚的系統(tǒng),其能力較弱,事實上AutoCAD R9之前的版本只適于畫2D圖形:二是相關(guān)軟件開發(fā)商中往往缺乏工程設(shè)計經(jīng)驗,不能深刻理解實際設(shè)計過程和具體加工方法:三是機(jī)械設(shè)計是各種設(shè)計中比較麻煩和比較不規(guī)范的,而其中比較容易做的事也就是畫2D工程圖。實際設(shè)計中,2D繪圖工作中包括抄圖,但重要的是創(chuàng)建新結(jié)構(gòu)的圖形表達(dá)方法。譬如說設(shè)計一根車床主軸,在開始構(gòu)思時,說不準(zhǔn)應(yīng)有幾段臺階,各有多長。開始制定的粗略數(shù)據(jù),很可能在以后的設(shè)計過程中被修改得面目全非,只是到了設(shè)計快結(jié)束時,主軸的參數(shù)才真止明確下來,所以說實際上零件具體參數(shù)并不是在設(shè)計一開始就能確定的。一般的設(shè)計過程,總要經(jīng)過方案草圖、裝配草圖、拆零部件圖、正式總裝圖這樣的四部分繪圖工作。因此說 2D 圖形繪制的方法是輔助繪圖而非輔助設(shè)計。

因此工程師盼望著 CAD技術(shù)在輔助設(shè)計方面的用處。實際上AutoCAD在2D圖形處理中的幾何設(shè)計功能極強(qiáng),精度也非?？煽?在掌握了操作技巧或者用不太復(fù)雜的 AutoLISP程序輔助一下,就能解決許多數(shù)學(xué)解析法難以解決的工程數(shù)據(jù)求解問題,所以筆者認(rèn)為,"Design設(shè)計"才是應(yīng)用 CAD 的真正益處,它能有效地提高設(shè)計質(zhì)量。

三、從三維開始設(shè)計是必然趨勢
人在現(xiàn)實生活中看到的3D實體,是有顏色、材料、硬度、形狀、尺寸、位置等概念的實體,甚至是帶有相當(dāng)復(fù)雜的運動關(guān)系的3D實體。由于以前的表達(dá)手段有限,在機(jī)械制圖中人們不得不共同約定了與第一象限平行正投影的規(guī)則,用幾個相關(guān)聯(lián)的2D投影圖表達(dá)自己的3D設(shè)計。這種信息表達(dá)是不完整的,而且繪圖、讀圖要經(jīng)過專門訓(xùn)練,如果能直接從 3D概念開始設(shè)計,這樣的 3D模型就能表達(dá)出設(shè)計構(gòu)思所需的全部幾何參數(shù)。只有從三維開始設(shè)計,CAD軟件對設(shè)計的輔助作用就會很容易擴(kuò)展和貫穿到產(chǎn)品開發(fā)全過程。

從3D開始的設(shè)計,仍然需要2D工程圖的表達(dá),而且要遵守傳統(tǒng)設(shè)計的規(guī)范,因此作為CAD基礎(chǔ)軟件,必須具各從3D白動生成2D的工程圖。并且具有雙向關(guān)聯(lián)的能力。以此為基礎(chǔ),進(jìn)一步進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析、零件質(zhì)量屬性分析、空間運動分析、裝配千涉分析、數(shù)字控制可加工性分析、準(zhǔn)確的 2D工程圖生成、外觀色彩和造型效果評價、裝配產(chǎn)品爆炸圖、產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)管理等一系列的需求都應(yīng)能充分予以滿足,這才是 CAD技術(shù)對設(shè)計全過程的有效的輔助,而且是有明確技術(shù)效益和經(jīng)濟(jì)效益的 CAD.因此,傳統(tǒng)的以 2D工程圖為主的圖形設(shè)計的資料管理將變成 3D設(shè)計數(shù)據(jù)的保存和管理,從而使高職院校的機(jī)械制圖課就可以大幅度刪減,盡量保留學(xué)生的3D原始概念,隨之而來的是 2DC程圖的畫法也應(yīng)隨之大幅度簡化。

美國Autodesk公司的產(chǎn)品INVENTOR是目前的很好用的軟件之一。它是建立在 AutoCAD2002的基礎(chǔ)上,具有AutoCAD的全部2D圖形處理功能,并且增加了大量針對機(jī)械設(shè)計的支持功能。它對于 3D造型,是基于特征、基于尺寸約束和兒何約束的參數(shù)化造型方法,有較好的3D與2D雙向關(guān)聯(lián)的能力。對于 3D曲面,有良好的造型、修整功能.INVENTOR的另一大特色是為其他公司的應(yīng)用軟件集成到特定的用戶環(huán)境下提供了相當(dāng)方便的二次開發(fā)接口,這也是對傳統(tǒng) AutoCAD開放結(jié)構(gòu)的有效繼承和發(fā)展。

對于復(fù)雜的投影線生成,漏標(biāo)尺寸,漏畫圖線的問題,在INVENTOR中是很容易解決的、在INVENTOR中,并不直接生成2D 工程圖,而是首先繪制草圖,僅對某些標(biāo)注尺寸而要人為作些修改和補(bǔ)充。

正確可靠的 2D投影線,意味若拜易畫錯的復(fù)雜投影和漏畫圖線的事不會發(fā)生了,對于標(biāo)尺寸的問題,在INVENTOR中是自動解決的,如果對 3D造型的尺寸約束不完格,INVENTOR會提示你缺少若干個尺寸或幾何約束,因此很少會漏標(biāo)尺寸。

INVENTOR中參數(shù)化特征建模功能,在處理由切削加工方式所得到的實體時,可以說是100%成功,那怕是含有相當(dāng)復(fù)雜的造型和尺寸。而對于有大量過渡圓角和拔模斜度的鑄般造零件,也有相當(dāng)滿意的成功率?？傊?對中等復(fù)雜程度的零件造型和全部尺寸驅(qū)動都是完美的。對于更加復(fù)雜的曲面設(shè)計表達(dá)與產(chǎn)品造型,INVENTOR中的曲面模塊具有相當(dāng)出色的功能,工程設(shè)計人員終于有了一個真正得力的助手。

對于部件機(jī)構(gòu)的空間運動和動力學(xué)的分析討論,在完成了3D設(shè)計的概念后,在INVENTOR中加載相關(guān)的專業(yè)應(yīng)用軟件就可以進(jìn)行,其操作和結(jié)果都和我們很熟悉的 AutoCAD用戶界面相似。對于應(yīng)力應(yīng)變分析,我們同時結(jié)合有限元分析軟件如(Dynamic Designer , Visual Nastran FEA),可以對復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行完整的運動學(xué)和動力學(xué)仿真。能夠計算出機(jī)械系統(tǒng)零件的運動情況,包括位移、速度、加速度和作用力及反作用力,還可以作山零件的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)分析。

由于INVENTOR是以參數(shù)化三維特征建模為設(shè)計數(shù)據(jù)的表達(dá),所以對于數(shù)控加工的分析處理提供了得天獨厚的條件。目前基于INVENTOR開發(fā)的多種CAM軟件也有許多,如從2D到3D粗加工、半精加工到最后的精加工,從刀位軌跡生成到數(shù)控 (NC)代碼轉(zhuǎn)換,都是十分順利的:處理速度也相當(dāng)快。

    對于設(shè)計的更新與修改,INVENTOR也有獨到之處,NIVENTOR中的三維建模模塊本來就是3D參數(shù)化造型系統(tǒng)。例如尺寸修改,可以在 3D造型上修改,也可以在與之相關(guān) 2D工程圖上修改,然后重新生成3D模型和2D相關(guān)圖紙。對于設(shè)計下程管理,這只能由中國人自己完成,因為我們的設(shè)計習(xí)慣和管理要求與國外有所不同。目前國內(nèi)己有一些優(yōu)秀的軟件和解決方案,如 (Morrowsoft,CAXA)協(xié)同管理解決方案,通過應(yīng)用 OA,ERP等現(xiàn)代信息化管理工具,將極大地提高企業(yè)資源配置和生產(chǎn)流程管理能力。

    四、三維CAD技術(shù)應(yīng)用的幾點思考

    1.掌握和運用3D設(shè)計軟件是有難度的

據(jù)筆者的經(jīng)驗,高職學(xué)生年輕,學(xué)得快但用得不好;面向企業(yè)經(jīng)驗豐富的工程師,大多數(shù)己不適應(yīng)按 3D概念進(jìn)行設(shè)計構(gòu)思,他們用平行正投影表達(dá) 3D實體的思考方法己根深蒂固了。在學(xué)習(xí)3D設(shè)計軟件之前,針對高職學(xué)生就是首先要解決基礎(chǔ)知識和技術(shù)準(zhǔn)備的問題。

    2、任課教師本身的水平和經(jīng)驗不夠,這可能是教學(xué)中最致命的問題

比起 2D圖形處理來說,3D設(shè)計更需要進(jìn)行培訓(xùn),不少學(xué)生用AutoCAD畫2D圖相當(dāng)熟練,但在進(jìn)入 3D設(shè)計時,無論從概念還是造型技巧上,都感到相當(dāng)生疏。高職院校應(yīng)該加人資金投入,對任課教師培訓(xùn),使他們盡早成為"雙師型"。

    3、學(xué)校實訓(xùn)設(shè)備問題

在 CAD系統(tǒng)中有三個成員:硬件、軟件和使用者,使用者是這個系統(tǒng)中的重要因素;設(shè)備在 CAD 系統(tǒng)的應(yīng)用效果上起著關(guān)鍵作用。必須明確使用 CAD系統(tǒng)要解決什么問題?怎樣的結(jié)果才是想要的?什么功能對學(xué)校的專業(yè)設(shè)計是最關(guān)鍵的?并不是軟件功能越多、越強(qiáng)就越好,要看做什么用。所以必須結(jié)合高職院校人才培養(yǎng)目標(biāo)、專業(yè)建設(shè)和教學(xué)實際需求,合理有效并且經(jīng)濟(jì)地配置資源。

綜上所述,使用 INVENTOR為主要支撐軟件的3D設(shè)計系統(tǒng),明顯提高機(jī)械CAD應(yīng)用效果的條件己經(jīng)基本具備,我們應(yīng)當(dāng)重新對CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用效果及水平和投入規(guī)模進(jìn)行確認(rèn),努力提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生動手能力、從CAD/CAE/CAM的系統(tǒng)集成入手,采用合理的3D設(shè)計解決方案,正確選擇代表 CAD技術(shù)開發(fā)方向的專業(yè)增值軟件,大力開展產(chǎn)學(xué)研訓(xùn)相結(jié)合,真正將 CAD 的軟、硬件和師資投入轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力,轉(zhuǎn)化為高職院校的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。