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先进制造技术之计算机辅助设计技术
作者：孙 传 祝 雨
来源：《科教导刊》2010年第27期
摘要先进制造技术特别强调计算机技术、信息技术、传感技术、自动化技术、新材料技术和现代系统管理技术在产品设计、制造等方面的应用。它不断吸收各种高新技术成果与传统制造技术相结合。这里主要介绍先进制造技术的发展趋势之一,即计算机辅助设计技术。 中图分类号:TP39文献标识码:A
计算机辅助设计技术作为先进制造技术的发展趋势之一,因此,早在1980年左右,我国政府就已十分重视CAD技术的开发和应用。国家对国有大中型企业应用CAD技术进行产品开发设计提出了明确要求,国家的科技发展计划也将CAD作为高新技术研究领域给予重点资助。当前,我国CAD技术已经迈入了普及应用的时期,CAD技术的理论研究和软件系统研发已取得了明显的进步。但工业发达国家不断更新其设计数据和规则,应用新的设计方法,广泛推行计算机辅助设计技术,大型企业开始着手无图纸化的设计和生产。而在这方面我国还存在一定的差距。 1 计算机辅助设计技术的内涵
计算机辅助设计技术包含计算机辅助设计、计算机辅助工艺规划、计算机辅助制造、CAD/CAM集成技术等。
(1)计算机辅助设计(Computer Aided Design,CAD) 是指设计人员用计算机为辅助工具,利用计算机和CAD软件对设计产品进行解析、模拟、计算、优化等。CAD通常包括建立几何模型、受力分析、产品分析(包括方案设计、总装设计、零部件设计)、动态仿真和自动绘图等。 (2)计算机辅助工艺规划(Computer Aided Process Planning,CAPP) 是指利用计算机为辅助工具对制造工艺过程进行设计或计划,以达到对工艺过程实现自动控制的目的。
(3)计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing,CAM) 是指利用计算机来进行产品制造的统称。通常包括数字控制、工艺流程设计、柔性制造系统(FMS)和工厂管理等。
(4)CAD/CAM集成技术(简称CAD/CAM) 是指把计算机辅助制造和计算机辅助设计集成在一起的系统。CAD/CAM是伴随着计算机技术、制造技术的不断发展和需求,从最初的CAD、CAPP、CAM和计算机辅助工程(CAE)技术发展演化而来的。传统的设计和制造是彼此相互分开的,而CAD/CAM是把设计与制造统一,看成一个整体任务来规划和研发的,基本实现信息与处理的高度一体化。CAD/CAM技术虽然应用的时间不长,但发展的速度很快,当前它已成为新一代生产技术的核心,被普遍认为是提升制造业生产效率和产品核心竞争力的关键技术。
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2 常用计算机辅助设计软件简介及特点 2.1 AutoCAD
此软件是美国Autodesk公司推出的系列交互式绘图软件。它具有较好的用户界面,可通过交互式菜单或命令行方式进行各种操作。其多个文档可同时操作的界面环境,让非专业人员也能很快地上手并使用。AutoCAD具有灵活的适应性,它可以在各种操作系统支持的微型计算机和工作站上运行,并支持分辨率由320�?00到2048�?024的各种图形显示设备,以及数字仪和鼠标器和绘图仪和打印机。而且其进入中国市场较早,因此是目前应用面最广的软件和成为二维机械工程制图软件的代表。在大学里机械类专业、建筑类专业、电子类等专业几乎都开设了AutoCAD课程。在某种意义上说熟练使用AutoCAD是从事工科的人必须具备的能力。根据其功能通常又将它划分到图形软件系统,在此不做详细介绍。 2.2 UG(UNIGRPHICS)
UG是由EDS公司推出的集CAD/CAM/CAE于一体的三维参数化设计软件,在汽车、交通、航空航天、日用消费品、通用机械及电子工业等工程设计领域得到了大规模的应用。其特点是:(1)适合于零件较大、较复杂的时候建立数模,如:大型的汽车、飞机等;(2)一个最大特点就是混合建模,在一个模型中允许存在无相关性的特征。如在建模过程中,可以通过移动、旋转坐标系创建特征构造的基点,这些特征似乎和先前创建的特征没有位置的相关性;(3)在UG中,允许Sketch中存在欠约束的情况;(4)曲面功能非常强大,不仅提供的更为丰富的曲面构造工具,而且可以通过一些另外的参数来控制曲面的精度、形状。另外,UG的曲面分析工具也极其丰富;(5)UG中将很多规格化的特征划分的非常细致,如Pocket、Slot等;(6)综合能力很强大:从产品设计到模具设计到加工到分析到渲染几乎无所不包 。 2.3 PRO/ENGINEER
三维建模代表软件之一Pro/ENGINEER是美国PTC公司1988年的成功之作。自问世以来,其不断完善和发展,当前已成为最为普及的CAD软件之一,基本上成为三维绘图的一个通用平台。此软件版本升级过程主要经历了2000、2000i、2001、Wildfire版本。从最初的2001版本发展到现在的Wildfire版,其中Pro/ENGINEER的界面环境发生了较大的改变,尤其是用直观的可交互的特征操控面板代替以往的菜单风格,这样即便于用户快速掌握此软件的使用,又大大提高了技术人员效率。现在PRO/ENGINEER已广泛应用在电子、机械、工业设计、航空航天、家电等行业,是一个功能齐全3D产品开发设计软件。它包括零件设计、总体装配、模具开发、钣金件设计、逆向工程、铸造件设计、造型设计、机构模拟、压力分析、产品等功能。Pro/ENGINEER具有如下的特性:(1)3D实体模型单一数据库,整体相关性;(2)以设计特征作为数据库存取单位;(3)参数化设计。总之,其具体全面的3D建模功能,使用户能提升产品质量和缩短新品研发周期;通过自动生成相关联的模具设计、装配命令和机器代码,能有效提高设计效率,降低工作者的劳动强度,避免人为差错的出现;通过进行机构仿真和虚拟样机分析,可改进产品性能和优化设计;通过与各种CAD数据转换能够实现与大多数数据格式兼容,生成模型文件的适应性高,方便技术人员的合作与交流。
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2.4 CATIA
Catia是IBM的子公司Dassault System推出的高阶计算机辅助设计软件,广泛使用在航天、汽车、机械、电子等相关产业。该软件由四个基本模块组成:a、三维线框几何造型模块,这是CATIA软件的基础模块,是其它功能模块的基础,包括三维交互线框几何建模、数据库管理和绘图机输出等功能;b、曲面设计和数控加工模块,该模块包括三维复杂曲面设计和输出数控加工信息;c、实体几何造型模块,生成图形速度极快;d、运动学模拟模块等。其特点是:(1)操作简单,内含多种实体组件,如:凸块、旋转成形、拔模、钻孔、圆角等;(2)组件参数修改方便,通过修改菜单的数据,即可得出结果,省略程序编写;(3)曲面制作功能十分强大;(4)Catia的接口比较人性化,易于操作。 2.5 CAXA
CAXA由北京航空航天大学和海尔集团联合开发,又被称为“电子图版”,是一个功能齐全的计算机辅助绘图软件,它以交互图形方式,可对几何模型进行实时构造、编辑修改。自1997年问世以来,不到三年就创下5万套的装机量。“电子图版”在绘图方面与AutoCAD极为相似,功能也比较全面,较之AutoCAD删繁就简,突出重点。CAXA是主要面向机械行业的绘图软件,也可用于电子及建筑行业等。它可以进行零件图设计、装配图设计、平面设计、电路图设计及建筑图纸设计等。当前已广泛应用于我国各大院校,企业应用相对较少。CAXA具有“开放体系结构”,用户可根据需要进行二次开发,以满足不同的需求。其具体特点是:(1)智能设计、操作方便;(2)体系开放、符合国家标准;(3)参量设计、兼容性好;(4)对硬件要求较低,可运行于任何Windows操作系统下。
3 CAD技术工程应用实例
现以三通管(如下图1)为例说明CAD(Pro/E)技术在工程上的应用。三通管作图步骤如下图2所示。
对于较复杂的曲面在完成三维建模后如果我们想计算出实体的质量,用手工算出是很难办到的,故可借用CAD软件来分析。具体分析步骤为: (1)点击主菜单分析→模型→质量属性;
(2)零件密度改为0.0078,系统默认密度单位为Tonne/mm3即公吨/立方毫米,可不用更改其密度单位,只要把这个公吨看成为“克”,把它当成“克”之后,现在的单位就可视为是g/mm3,由于三通管的材料是钢,因此密度对话框里把1.000000全部改为0.0078即钢的密度为0.0078g/mm3; (3)单击预览按钮,系统出现计算结果(如图3)。计算结果显示质量 =2.8997675e+03公吨。由于前面我们把公吨看成了“克”,于是三通管质量就是2.8997675e+03克(e是一种计数方法克,e+06代表106;同理e-06代10-6)即2.8997675千克。