CAD技術在機械設計中的應用

2013-05-24 by:廣州有限元分析、培訓中心-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基地服務行動方案"課題組,該課題組匯集了遼寧省各高校科研力量和企業科技部門共同圍繞遼寧老工業基地振興開展調查研究,將對應用新技術促進高職教育教學改革具有十分重大的指導意義。本文就裝備制造業的振興與三維 CAD技術在機械設計中的應用談一點看法,以供業內同行借鑒參考。

    一、CAD技術應用的現狀

所有的設計都要畫圖,這是因為工程師無法完毅記住自己所作設計中的全部細節 (那怕是較簡單的),用文字記載也不完整,因此圖形表達就是唯一的方法。這些圖首先是給設計者自己看,為了記住和研究設計構思: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,為了將設計意圖變成實物。在設計的全過程中.原始構思是三維 (3D)實體,這也是毫無疑問的。但是,在傳統的設計中,這兩者之間的信息傳遞竟然完全依靠二維(2D)的圖形表達。以AutoCAD為代表的2D圖形數字化軟件對于CAD技術在我國的普及應用起到了重要的作用,也為今天CAD技術的發展奠定了十分必要的技術基礎。

然而2D機械CAD技術沒能解決傳統設計中的一些問題,對提高設計質量的作用有限,那么影響設計質量和效益的一些問題是什么?筆者認為有以下幾點:

    1、復雜的投影線生成

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,設計師常常在繪制 2D圖紙時相當頭疼。

    2、漏標尺寸,漏畫圖線

即使經過幾個人的審校,漏標尺寸和缺少線條的現象仍時有發生。

    3、應力應變分析

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

    4、數控加工處理

經常有這樣的情況,按照國外的產品成型制塑料制品,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。在這些復雜的三維問題上,依賴傳統的 2D設計方法無法解決。

    5、設計的更新與修改

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

    二、關于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,其能力較弱,事實上AutoCAD R9之前的版本只適于畫2D圖形:二是相關軟件開發商中往往缺乏工程設計經驗,不能深刻理解實際設計過程和具體加工方法:三是機械設計是各種設計中比較麻煩和比較不規范的,而其中比較容易做的事也就是畫2D工程圖。實際設計中,2D繪圖工作中包括抄圖,但重要的是創建新結構的圖形表達方法。譬如說設計一根車床主軸,在開始構思時,說不準應有幾段臺階,各有多長。開始制定的粗略數據,很可能在以后的設計過程中被修改得面目全非,只是到了設計快結束時,主軸的參數才真止明確下來,所以說實際上零件具體參數并不是在設計一開始就能確定的。一般的設計過程,總要經過方案草圖、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計。

因此工程師盼望著 CAD技術在輔助設計方面的用處。實際上AutoCAD在2D圖形處理中的幾何設計功能極強,精度也非常可靠,在掌握了操作技巧或者用不太復雜的 AutoLISP程序輔助一下,就能解決許多數學解析法難以解決的工程數據求解問題,所以筆者認為,"Design設計"才是應用 CAD 的真正益處,它能有效地提高設計質量。

三、從三維開始設計是必然趨勢
人在現實生活中看到的3D實體,是有顏色、材料、硬度、形狀、尺寸、位置等概念的實體,甚至是帶有相當復雜的運動關系的3D實體。由于以前的表達手段有限,在機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則,用幾個相關聯的2D投影圖表達自己的3D設計。這種信息表達是不完整的,而且繪圖、讀圖要經過專門訓練,如果能直接從 3D概念開始設計,這樣的 3D模型就能表達出設計構思所需的全部幾何參數。只有從三維開始設計,CAD軟件對設計的輔助作用就會很容易擴展和貫穿到產品開發全過程。

從3D開始的設計,仍然需要2D工程圖的表達,而且要遵守傳統設計的規范,因此作為CAD基礎軟件,必須具各從3D白動生成2D的工程圖。并且具有雙向關聯的能力。以此為基礎,進一步進行應力應變分析、零件質量屬性分析、空間運動分析、裝配千涉分析、數字控制可加工性分析、準確的 2D工程圖生成、外觀色彩和造型效果評價、裝配產品爆炸圖、產品設計數據管理等一系列的需求都應能充分予以滿足,這才是 CAD技術對設計全過程的有效的輔助,而且是有明確技術效益和經濟效益的 CAD.因此,傳統的以 2D工程圖為主的圖形設計的資料管理將變成 3D設計數據的保存和管理,從而使高職院校的機械制圖課就可以大幅度刪減,盡量保留學生的3D原始概念,隨之而來的是 2DC程圖的畫法也應隨之大幅度簡化。

美國Autodesk公司的產品INVENTOR是目前的很好用的軟件之一。它是建立在 AutoCAD2002的基礎上,具有AutoCAD的全部2D圖形處理功能,并且增加了大量針對機械設計的支持功能。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化造型方法,有較好的3D與2D雙向關聯的能力。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用軟件集成到特定的用戶環境下提供了相當方便的二次開發接口,這也是對傳統 AutoCAD開放結構的有效繼承和發展。

對于復雜的投影線生成,漏標尺寸,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,僅對某些標注尺寸而要人為作些修改和補充。

正確可靠的 2D投影線,意味若拜易畫錯的復雜投影和漏畫圖線的事不會發生了,對于標尺寸的問題,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,因此很少會漏標尺寸。

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

對于部件機構的空間運動和動力學的分析討論,在完成了3D設計的概念后,在INVENTOR中加載相關的專業應用軟件就可以進行,其操作和結果都和我們很熟悉的 AutoCAD用戶界面相似。對于應力應變分析,我們同時結合有限元分析軟件如(Dynamic Designer , Visual Nastran FEA),可以對復雜的機械系統進行完整的運動學和動力學仿真。能夠計算出機械系統零件的運動情況,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度和結構分析。

由于INVENTOR是以參數化三維特征建模為設計數據的表達,所以對于數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控 (NC)代碼轉換,都是十分順利的:處理速度也相當快。

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

    四、三維CAD技術應用的幾點思考

    1.掌握和運用3D設計軟件是有難度的

據筆者的經驗,高職學生年輕,學得快但用得不好;面向企業經驗豐富的工程師,大多數己不適應按 3D概念進行設計構思,他們用平行正投影表達 3D實體的思考方法己根深蒂固了。在學習3D設計軟件之前,針對高職學生就是首先要解決基礎知識和技術準備的問題。

    2、任課教師本身的水平和經驗不夠,這可能是教學中最致命的問題

比起 2D圖形處理來說,3D設計更需要進行培訓,不少學生用AutoCAD畫2D圖相當熟練,但在進入 3D設計時,無論從概念還是造型技巧上,都感到相當生疏。高職院校應該加人資金投入,對任課教師培訓,使他們盡早成為"雙師型"。

    3、學校實訓設備問題

在 CAD系統中有三個成員:硬件、軟件和使用者,使用者是這個系統中的重要因素;設備在 CAD 系統的應用效果上起著關鍵作用。必須明確使用 CAD系統要解決什么問題?怎樣的結果才是想要的?什么功能對學校的專業設計是最關鍵的?并不是軟件功能越多、越強就越好,要看做什么用。所以必須結合高職院校人才培養目標、專業建設和教學實際需求,合理有效并且經濟地配置資源。

綜上所述,使用 INVENTOR為主要支撐軟件的3D設計系統,明顯提高機械CAD應用效果的條件己經基本具備,我們應當重新對CAD技術在機械設計中的應用效果及水平和投入規模進行確認,努力提高教學質量和學生動手能力、從CAD/CAE/CAM的系統集成入手,采用合理的3D設計解決方案,正確選擇代表 CAD技術開發方向的專業增值軟件,大力開展產學研訓相結合,真正將 CAD 的軟、硬件和師資投入轉化為生產力,轉化為高職院校的社會效益和經濟效益。