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先進制造技術之計算機輔助設計技術

作者:admin 更新時間:2019年03月19日 17:09:18

  摘要先進制造技術特別強調計算機技術、信息技術、傳感技術、自動化技術、新材料技術和現代系統管理技術在產品設計、制造等方面的應用。它不斷吸收各種高新技術成果與傳統制造技術相結合。這里主要介紹先進制造技術的發展趨勢之一,即計算機輔助設計技術。


  中圖分類號:TP39文獻標識碼:A


  計算機輔助設計技術作為先進制造技術的發展趨勢之一,因此,早在1980年左右,我國政府就已十分重視CAD技術的開發和應用。國家對國有大中型企業應用CAD技術進行產品開發設計提出了明確要求,國家的科技發展計劃也將CAD作為高新技術研究領域給予重點資助。當前,我國CAD技術已經邁入了普及應用的時期,CAD技術的理論研究和軟件系統研發已取得了明顯的進步。但工業發達國家不斷更新其設計數據和規則,應用新的設計方法,廣泛推行計算機輔助設計技術,大型企業開始著手無圖紙化的設計和生產。而在這方面我國還存在一定的差距。


  1計算機輔助設計技術的內涵


  計算機輔助設計技術包含計算機輔助設計、計算機輔助工藝規劃、計算機輔助制造、CAD/CAM集成技術等。


  (1)計算機輔助設計(ComputerAidedDesign,CAD)是指設計人員用計算機為輔助工具,利用計算機和CAD軟件對設計產品進行解析、模擬、計算、優化等。CAD通常包括建立幾何模型、受力分析、產品分析(包括方案設計、總裝設計、零部件設計)、動態仿真和自動繪圖等。


  (2)計算機輔助工藝規劃(ComputerAidedProcessPlanning,CAPP)是指利用計算機為輔助工具對制造工藝過程進行設計或計劃,以達到對工藝過程實現自動控制的目的。


  (3)計算機輔助制造(ComputerAidedManufacturing,CAM)是指利用計算機來進行產品制造的統稱。通常包括數字控制、工藝流程設計、柔性制造系統(FMS)和工廠管理等。


  (4)CAD/CAM集成技術(簡稱CAD/CAM)是指把計算機輔助制造和計算機輔助設計集成在一起的系統。CAD/CAM是伴隨著計算機技術、制造技術的不斷發展和需求,從最初的CAD、CAPP、CAM和計算機輔助工程(CAE)技術發展演化而來的。傳統的設計和制造是彼此相互分開的,而CAD/CAM是把設計與制造統一,看成一個整體任務來規劃和研發的,基本實現信息與處理的高度一體化。CAD/CAM技術雖然應用的時間不長,但發展的速度很快,當前它已成為新一代生產技術的核心,被普遍認為是提升制造業生產效率和產品核心競爭力的關鍵技術。


  2常用計算機輔助設計軟件簡介及特點


  2.1AutoCAD


  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行各種操作。其多個文檔可同時操作的界面環境,讓非專業人員也能很快地上手并使用。AutoCAD具有靈活的適應性,它可以在各種操作系統支持的微型計算機和工作站上運行,并支持分辨率由320??00到2048??024的各種圖形顯示設備,以及數字儀和鼠標器和繪圖儀和打印機。而且其進入中國市場較早,因此是目前應用面最廣的軟件和成為二維機械工程制圖軟件的代表。在大學里機械類專業、建筑類專業、電子類等專業幾乎都開設了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。根據其功能通常又將它劃分到圖形軟件系統,在此不做詳細介紹。


  2.2UG(UNIGRPHICS)


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


  2.3PRO/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,其不斷完善和發展,當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歷了2000、2000i、2001、Wildfire版本。從最初的2001版本發展到現在的Wildfire版,其中Pro/ENGINEER的界面環境發生了較大的改變,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,又大大提高了技術人員效率。現在PRO/ENGINEER已廣泛應用在電子、機械、工業設計、航空航天、家電等行業,是一個功能齊全3D產品開發設計軟件。它包括零件設計、總體裝配、模具開發、鈑金件設計、逆向工程、鑄造件設計、造型設計、機構模擬、壓力分析、產品等功能。Pro/ENGINEER具有如下的特性:(1)3D實體模型單一數據庫,整體相關性;(2)以設計特征作為數據庫存取單位;(3)參數化設計。總之,其具體全面的3D建模功能,使用戶能提升產品質量和縮短新品研發周期;通過自動生成相關聯的模具設計、裝配命令和機器代碼,能有效提高設計效率,降低工作者的勞動強度,避免人為差錯的出現;通過進行機構仿真和虛擬樣機分析,可改進產品性能和優化設計;通過與各種CAD數據轉換能夠實現與大多數數據格式兼容,生成模型文件的適應性高,方便技術人員的合作與交流。


  2.4CATIA


  Catia是IBM的子公司DassaultSystem推出的高階計算機輔助設計軟件,廣泛使用在航天、汽車、機械、電子等相關產業。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軟件的基礎模塊,是其它功能模塊的基礎,包括三維交互線框幾何建模、數據庫管理和繪圖機輸出等功能;b、曲面設計和數控加工模塊,該模塊包括三維復雜曲面設計和輸出數控加工信息;c、實體幾何造型模塊,生成圖形速度極快;d、運動學模擬模塊等。其特點是:(1)操作簡單,內含多種實體組件,如:凸塊、旋轉成形、拔模、鉆孔、圓角等;(2)組件參數修改方便,通過修改菜單的數據,即可得出結果,省略程序編寫;(3)曲面制作功能十分強大;(4)Catia的接口比較人性化,易于操作。


  2.5CAXA


  CAXA由北京航空航天大學和海爾集團聯合開發,又被稱為“電子圖版”,是一個功能齊全的計算機輔助繪圖軟件,它以交互圖形方式,可對幾何模型進行實時構造、編輯修改。自1997年問世以來,不到三年就創下5萬套的裝機量。“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。CAXA是主要面向機械行業的繪圖軟件,也可用于電子及建筑行業等。它可以進行零件圖設計、裝配圖設計、平面設計、電路圖設計及建筑圖紙設計等。當前已廣泛應用于我國各大院校,企業應用相對較少。CAXA具有“開放體系結構”,用戶可根據需要進行二次開發,以滿足不同的需求。其具體特點是:(1)智能設計、操作方便;(2)體系開放、符合國家標準;(3)參量設計、兼容性好;(4)對硬件要求較低,可運行于任何Windows操作系統下。


  3CAD技術工程應用實例


  現以三通管(如下圖1)為例說明CAD(Pro/E)技術在工程上的應用。三通管作圖步驟如下圖2所示。


  對于較復雜的曲面在完成三維建模后如果我們想計算出實體的質量,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)點擊主菜單分析→模型→質量屬性;


  (2)零件密度改為0.0078,系統默認密度單位為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”,把它當成“克”之后,現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)單擊預覽按鈕,系統出現計算結果(如圖3)。計算結果顯示質量=2.8997675e+03公噸。由于前面我們把公噸看成了“克”,于是三通管質量就是2.8997675e+03克(e是一種計數方法克,e+06代表106;同理e-06代10-6)即2.8997675千克。


  4結語


  計算機輔助設計技術是隨著計算的應用而逐漸發展起來的,它的應用可以直觀地呈現三維立體模型,二維作圖相比以前手工繪圖更易于修改。對于CAD從業者掌握CAD技術可大大提高工作效率。

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