淺談Pro/E軟件在機(jī)械CAD設(shè)計(jì)中應(yīng)用

朱顯明 馬洪波

[摘要]Pro/Engineer是一套由設(shè)計(jì)至生產(chǎn)的機(jī)械自動(dòng)化軟件,是新一代的產(chǎn)品造型系統(tǒng),是一個(gè)參數(shù)化、基于特征的實(shí)體造型系統(tǒng),并且具有單一數(shù)據(jù)庫(kù)功能。因此,介紹三維CAD軟件Pro/E設(shè)計(jì)手段的優(yōu)勢(shì),闡述Pro/E參數(shù)特性及目前推廣存在的問(wèn)題。

[關(guān)鍵詞]Pro/E機(jī)械CAD參數(shù)特征

中圖分類號(hào):TH12文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-7597(2009)1210163-01

一、機(jī)械CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù),從廣義上說(shuō)包括二維繪圖、三維設(shè)計(jì)、有限元分析、數(shù)控加工、仿真模擬、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)以及上述技術(shù)(CAD/CAE/CAM)的集成技術(shù)等。目前CAD技術(shù)在機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用多數(shù)還局限于完成發(fā)傳統(tǒng)意義上的二維繪圖設(shè)計(jì),并且應(yīng)用也已相當(dāng)普遍,人們習(xí)慣將此稱之為CAD。在得到一定的普及之后,雖“甩掉圖版”的初級(jí)階段,但可以發(fā)現(xiàn)二維繪圖再許多情況下與傳統(tǒng)的手工繪圖一樣,對(duì)減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、設(shè)計(jì)更改(不是對(duì)表達(dá)“圖線”的修改而是對(duì)設(shè)計(jì)“概念”的修改)和返工現(xiàn)象并無(wú)重大影響,對(duì)企業(yè)最需要的設(shè)計(jì)質(zhì)量并沒(méi)有多大的提高。也就是說(shuō)目前CAD技術(shù)的應(yīng)用還僅僅停留在只起到代替手工繪圖的層面上。在日益激烈的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下,傳統(tǒng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方式已不再適應(yīng)企業(yè)對(duì)產(chǎn)品的時(shí)間、質(zhì)量、成本的要求,要提高制造業(yè)水平,必須要有先進(jìn)的設(shè)計(jì)工具,因而CAD在企業(yè)中的應(yīng)用內(nèi)涵應(yīng)擴(kuò)大,CAD中的D應(yīng)不僅僅是Drawing,而應(yīng)為Design。要充分發(fā)揮CAD技術(shù)中Design的作用,就CAD技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)看,從二維繪圖到三維設(shè)計(jì)是歷史發(fā)展的必然。目前國(guó)際上流行的三維CAD(多數(shù)包含CAE和CAM等模塊)軟件有數(shù)十種,基本功能大體相同,但也各有所長(zhǎng)。本文主要解析Pro/E的特性。

二、Pro/E參數(shù)式設(shè)計(jì)特性

(一)3D實(shí)體模型的形象、直觀

設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)人員零件時(shí)原始設(shè)想是三維實(shí)體,甚至是帶有相當(dāng)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)關(guān)系的三維實(shí)體。由于以前的繪圖手段有限,人們很難在圖紙上將設(shè)想的零件表達(dá)成立體圖形,不得不遵循共同的標(biāo)準(zhǔn)用正投影法形式的二維視圖來(lái)表達(dá)自己的三維設(shè)想。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)表明,雖然這種方法能表達(dá)的信息是無(wú)限的,但卻存在著一些弊端。比如無(wú)論是設(shè)計(jì)人員還是加工人員都要經(jīng)過(guò)專門訓(xùn)練才能在腦中將二維視圖轉(zhuǎn)化成三維實(shí)體,更重要是很難用二維圖紙去描繪三維空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和進(jìn)行產(chǎn)品裝配干涉檢查等工作,一旦經(jīng)驗(yàn)不足,考慮不周,空間干涉就再所難免。因?yàn)樵O(shè)計(jì)和制造工作流程是按順序進(jìn)行的。很多時(shí)候是等機(jī)械零件做出來(lái)了,對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行試裝配時(shí),才發(fā)現(xiàn)干涉或設(shè)計(jì)不合理等現(xiàn)象。由于在設(shè)計(jì)早期不能全面考慮后續(xù)過(guò)程的要求,從而使產(chǎn)品設(shè)計(jì)上存在很多缺陷,造成設(shè)計(jì)修改工作量大,開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)。現(xiàn)在隨著CAD軟件的不斷發(fā)展,現(xiàn)在能夠在軟件的支持下,直接在計(jì)算機(jī)呈現(xiàn)出設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)概念最真實(shí)的三維模型,隨時(shí)計(jì)算出產(chǎn)品的體積、面積、質(zhì)心、重心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等,其最大的好處是三維設(shè)計(jì)形象直觀,設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性讓人一目了然,且能非常直觀方便的進(jìn)行干涉檢查,甚至可以作運(yùn)動(dòng)干涉分析。在設(shè)計(jì)階段即可實(shí)現(xiàn)模擬裝配、模擬運(yùn)轉(zhuǎn),使設(shè)計(jì)更加符合實(shí)際過(guò)程。

(二)可實(shí)現(xiàn)全參數(shù)化、變量化設(shè)計(jì)

參數(shù)化及變量化設(shè)計(jì)是三維設(shè)計(jì)的基本思想。傳統(tǒng)的CAD繪圖軟件都是用固定的尺寸值定義幾何元素,要進(jìn)行圖面修改只有刪除原有的線條后重畫,而新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)不可避免地要進(jìn)行多次的修改,進(jìn)行零件形狀和尺寸綜合協(xié)調(diào)、優(yōu)化,而且大多數(shù)設(shè)計(jì)工作都是在原有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上的改進(jìn)。在現(xiàn)有的二維的繪圖軟件中,雖然有的也具有一定的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能,但實(shí)現(xiàn)不了基于裝配環(huán)境的參數(shù)化設(shè)計(jì)。三維設(shè)計(jì)中的參數(shù)化和變量化設(shè)計(jì)模塊,使得零件的設(shè)計(jì)可以隨著某些結(jié)構(gòu)尺寸的修改而自動(dòng)修改,在裝配設(shè)計(jì)中可以用參數(shù)量和變量化技術(shù)來(lái)建立裝配體中各個(gè)零部件之間的特性形狀和尺寸之間的關(guān)系,使得當(dāng)其中某個(gè)零部件的形狀和尺寸發(fā)生變化時(shí),其它相關(guān)零部件的結(jié)構(gòu)也隨之改變。支持在裝配環(huán)境下設(shè)計(jì)新零體的系統(tǒng),還可以以有零件的形狀作為參考,建立新零件與已有零件之間的形狀關(guān)聯(lián)。當(dāng)參考零件的形狀和尺寸發(fā)生變化時(shí),新零件的結(jié)構(gòu)與尺寸也隨之跟著變動(dòng)。還可以利用參數(shù)化建立裝配體中不同零部件之間的尺寸關(guān)聯(lián),定義驅(qū)動(dòng)尺寸和參考尺寸。這可以減少大量的重復(fù)勞動(dòng),減輕設(shè)計(jì)工作量。使設(shè)計(jì)人員從大量繁重而瑣碎的繪圖工作中解脫出來(lái),大大提高設(shè)計(jì)速度,并減少信息的存儲(chǔ)量。這也是Pro/E軟件與其它三維軟件最大區(qū)別。

(三)可對(duì)零件進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于形狀、受力復(fù)雜的重要零件,在運(yùn)用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),由于設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)不能做到與實(shí)際的工作狀態(tài)高度接近,為保證零件工作的可靠性,往往要加大安全系數(shù),使設(shè)計(jì)出的零件粗大笨重。目前常用的三維設(shè)計(jì)軟件都沒(méi)有與有限元分析軟件的接口,因此重要的零件經(jīng)參數(shù)化三維造型設(shè)計(jì)后,即輸入到有限元分析軟件當(dāng)中,自動(dòng)生成有限元網(wǎng)絡(luò)格并進(jìn)行應(yīng)力變形分析、熱及熱應(yīng)力偶合分析、振動(dòng)分析和形狀優(yōu)化,同時(shí)可對(duì)不同的工況進(jìn)行對(duì)比分析。如果分析的結(jié)果不符合設(shè)計(jì)要求則重新進(jìn)行造型和計(jì)算,知道滿意為止,從而極大地提高了設(shè)計(jì)水平和效率,并且做到優(yōu)化設(shè)計(jì),降低材料的消耗和成本,增加產(chǎn)品和工程的可靠性。使設(shè)計(jì)水平發(fā)生質(zhì)的飛躍。

三、Pro/E設(shè)計(jì)技術(shù)推廣存在的問(wèn)題

雖然Pro/E設(shè)計(jì)有不可比擬的優(yōu)越性,但目前多數(shù)企業(yè)的CAD應(yīng)用還只是計(jì)算機(jī)輔助制圖而不是輔助設(shè)計(jì),這其中的原因比較復(fù)雜的。

1.部分企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)和技術(shù)人員對(duì)三維設(shè)計(jì)軟件Pro/E的認(rèn)識(shí)不高,認(rèn)為二維工程圖就能滿足企業(yè)目前的實(shí)際要求,三維設(shè)計(jì)軟件Pro/E可有可無(wú)。

2.Pro/E軟件費(fèi)用較高企業(yè)難以承受也是三維設(shè)計(jì)軟件Pro/E推廣較為困難的原因之一。

3.部分設(shè)計(jì)人員對(duì)三維設(shè)計(jì)軟件Pro/E的使用有畏難情緒。對(duì)于一個(gè)成熟的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō),使用三維設(shè)計(jì)的最大障礙不是軟件應(yīng)用技術(shù),而是自己的思考方法。由于多年來(lái)養(yǎng)成的二維工程圖表達(dá)習(xí)慣和一系列制圖規(guī)則的使用經(jīng)驗(yàn),與描述三維模型特征類型和相互關(guān)系的不一致甚至沖突使使用者感到思考方法上的生疏和軟件操作的困難。對(duì)這些設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)把自己的思維式“返璞歸真”,還需要一個(gè)必須經(jīng)歷的過(guò)程,只要通過(guò)人員培訓(xùn)提高認(rèn)識(shí),才能盡可能縮短對(duì)軟件的適應(yīng)時(shí)間。

四、結(jié)束語(yǔ)

在當(dāng)今社會(huì),提高競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵是縮短產(chǎn)品從開(kāi)發(fā)到生產(chǎn)的周期,快速投入市場(chǎng),以及提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。三維CAD系統(tǒng)是技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的有效輔助工具,將是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最終出路,必然在我國(guó)企業(yè)技術(shù)改造,產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中發(fā)揮重要作用。

參考文獻(xiàn):

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