三維CAD軟件在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造中的應(yīng)用分析

蔡志勇

【摘 要】在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中，交互技術(shù)是必不可少的。交互式CAD系統(tǒng)，指用戶(hù)在使用CAD系統(tǒng)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，人和機(jī)器可以及時(shí)地交換信息。隨著計(jì)算機(jī)性能的提高，CAD三維技術(shù)不斷的被開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，我國(guó)的CAD三維技術(shù)在高精機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域正向著集成、技能、和標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】三維CAD；機(jī)械設(shè)計(jì)與制造；應(yīng)用

一、CAD技術(shù)概述

CAD技術(shù)主要應(yīng)用于高精度機(jī)械設(shè)計(jì)中，是利用計(jì)算機(jī)及其圖形設(shè)備幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)工作。在設(shè)計(jì)中通常要用計(jì)算機(jī)對(duì)不同方案進(jìn)行大量的計(jì)算、分析和比較，以決定最優(yōu)方案；各種設(shè)計(jì)信息，不論是數(shù)字的、文字的或圖形的，都能存放在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存或外存里，并能快速地檢索；設(shè)計(jì)人員通常用草圖開(kāi)始設(shè)計(jì)，將草圖變?yōu)楣ぷ鲌D的繁重工作可以交給計(jì)算機(jī)完成；由計(jì)算機(jī)自動(dòng)產(chǎn)生的設(shè)計(jì)結(jié)果，可以快速作出圖形，使設(shè)計(jì)人員及時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)作出判斷和修改；利用計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行與圖形的編輯、放大、縮小、平移和旋轉(zhuǎn)等有關(guān)的圖形數(shù)據(jù)加工工作。

采用交互式系統(tǒng)，人們可以邊構(gòu)思、邊打樣、邊修改，隨時(shí)可從圖形終端屏幕上看到每一步操作的顯示結(jié)果，非常直觀。圖形變換的主要功能是把用戶(hù)坐標(biāo)系和圖形輸出設(shè)備的坐標(biāo)系聯(lián)系起來(lái)；對(duì)圖形作平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、透視變換；通過(guò)矩陣運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)圖形變換.計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)自動(dòng)化計(jì)算機(jī)自身的CAD，目的是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)在進(jìn)行機(jī)械設(shè)自身設(shè)計(jì)和研制過(guò)程的自動(dòng)化或半自動(dòng)化。研究?jī)?nèi)容包括功能設(shè)計(jì)自動(dòng)化和組裝設(shè)計(jì)自動(dòng)化，涉及計(jì)算機(jī)硬件描述語(yǔ)言、系統(tǒng)級(jí)模擬、自動(dòng)邏輯綜合、邏輯模擬、微程序設(shè)計(jì)自動(dòng)化、自動(dòng)邏輯劃分、自動(dòng)布局布線(xiàn)，以及相應(yīng)的交互圖形系統(tǒng)和工程數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。集成電路有時(shí)也列入計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)自動(dòng)化的范圍。

二、機(jī)械設(shè)計(jì)中CAD技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)

通過(guò)實(shí)際應(yīng)用三維CAD系統(tǒng)軟件機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中具有更大的優(yōu)勢(shì)具體表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

第一、零件設(shè)計(jì)更加方便使用CAD技術(shù)可以在裝配環(huán)境中設(shè)計(jì)新零件也可以利用相鄰零件的位置及形狀來(lái)設(shè)計(jì)新零件既方便又快捷避免了單獨(dú)設(shè)計(jì)零件。如果設(shè)計(jì)失敗資源查找器中的零件回放還可以把零件造型的過(guò)程通過(guò)動(dòng)畫(huà)演示出來(lái)使人一目了然，可以迅速查找失敗的原因進(jìn)行糾正和改進(jìn)。

第二、裝配零件更加直觀，在裝配過(guò)程中資源查找器中的裝配路徑查找器記錄了零件之間的裝配關(guān)系若裝配不正確即予以顯示另外零件。也可以在機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中隱藏了外部零件之后更清楚地看到內(nèi)部的裝配結(jié)構(gòu)。整個(gè)機(jī)器裝配模型完成后還能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)演示對(duì)于有一定運(yùn)動(dòng)行程要求的可檢驗(yàn)行程是否達(dá)到要求及時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行更改避免了產(chǎn)品生產(chǎn)后才發(fā)現(xiàn)需要修改甚至報(bào)廢。

第三、縮短了機(jī)械設(shè)計(jì)周期，采用CAD技術(shù)機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)間縮短了近1/3大幅度地提高了設(shè)計(jì)和生產(chǎn)效率。在運(yùn)用CAD技術(shù)進(jìn)行新機(jī)械設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)只需對(duì)其中部分零部件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和制造而大部分零部件的設(shè)計(jì)都將繼承以往的信息使機(jī)械設(shè)計(jì)的效率提高了35倍。同時(shí)CAD技術(shù)具有高度變型設(shè)計(jì)能力能夠通過(guò)快速重構(gòu)得到一種全新的機(jī)械產(chǎn)品。

三、CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

1、零件的實(shí)體建模

設(shè)計(jì)軟件為三維建模提供了多種工具，對(duì)簡(jiǎn)單的零件，可通過(guò)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，將其分解成若干基本體，對(duì)基本體進(jìn)行三維實(shí)體造型，之后再對(duì)其進(jìn)行布爾運(yùn)算，便可得出零件的三維實(shí)體模型。對(duì)于較復(fù)雜的圖形，軟件提供了草圖工具，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)它先勾勒出截桌，再拉伸出較復(fù)雜的幾何形體，并且可以根據(jù)設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)意圖任意修改幾何形體的參數(shù)和形狀。為了滿(mǎn)足人們不斷提高的審美要求，目前主要流行的幾款三維設(shè)計(jì)軟件基本上都提供桌片模塊，該模塊為設(shè)計(jì)人員提供了非常方便的曲桌設(shè)計(jì)工具。對(duì)于具有大塊曲桌的零件，設(shè)計(jì)師可以方便地對(duì)單個(gè)桌或片體進(jìn)行變形處理，以達(dá)到需要的曲桌。為了提高實(shí)體建模的效率，大部分三維軟件都提供了直接把二維圖導(dǎo)入草圖，利用三維工具很快的生成三維實(shí)體。

2、產(chǎn)品造型修改簡(jiǎn)便

企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品往往是按系列區(qū)分，各系列中每一代產(chǎn)品與上一代產(chǎn)品之間的區(qū)別較小，也許只是增加了一個(gè)功能部件或是產(chǎn)品造型尺寸上有所改動(dòng)。三維CAD可以方便地修改一些參數(shù)就能達(dá)到設(shè)計(jì)師更改造型的目的。三維CAD在建模中一般使用參數(shù)化建模，整個(gè)建模的步驟和產(chǎn)品的外型尺寸被參數(shù)化，這些參數(shù)是與產(chǎn)品的造型直接關(guān)聯(lián)的。若要對(duì)尺寸或造型進(jìn)行局部的更改，只需要更改相關(guān)參數(shù)，整個(gè)造型將被自動(dòng)更新。這樣不僅大大減少了設(shè)計(jì)人員的工作量，還保證了產(chǎn)品外造型的延續(xù)性。

3、生成實(shí)體零件圖、裝配圖

實(shí)體裝配不僅能讓設(shè)計(jì)人員直觀地看到各零件裝配后的狀態(tài)，還可以測(cè)量各零件之間的空間大小，方便零件的布置。在裝配完成后，零件可以被隱藏或設(shè)置成半透明的狀態(tài)，方便設(shè)計(jì)人員觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)。此外，在裝配狀態(tài)下，軟件提供的標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)，也方便了設(shè)計(jì)人員對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件型號(hào)的選擇。裝配狀態(tài)下的干涉分析也是常用的功能，計(jì)算機(jī)通過(guò)計(jì)算各裝配零件的體積的大小和位置來(lái)確定是否有相交的部分，并確定各零件是否干涉，自動(dòng)生成分析報(bào)告，明確指出互相干涉零件的名稱(chēng)和干涉的尺寸。方便設(shè)計(jì)師修改產(chǎn)品設(shè)計(jì)尺寸。三維CAD軟件還可以通過(guò)工程圖模塊將已經(jīng)創(chuàng)建好的零件、裝配件直接生成對(duì)應(yīng)的零件圖或裝配圖，對(duì)以圖形的常用表達(dá)方式方式也很容易生成，還可自動(dòng)生成尺寸標(biāo)注。無(wú)論是做零件圖、裝配圖、爆炸圖都是事半功倍。

4、模具CAD/CAM的集成制造

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，為了減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高產(chǎn)品的精度，制造行業(yè)裝備從普通機(jī)床逐步到數(shù)控機(jī)床和加工中心，同時(shí)，模具CAD/CAM技術(shù)、模具激光快速成型技術(shù)（RPM）等，幾乎應(yīng)用到整個(gè)制造行業(yè)。這些數(shù)控加工裝備基本都具有與各三維設(shè)計(jì)軟件的接口。當(dāng)產(chǎn)品模型在三維CAD軟件中完成后，再由CAD軟件模擬出加工刀具路徑，隨后生成數(shù)控語(yǔ)言，通過(guò)接口輸入數(shù)控設(shè)備中，再由數(shù)控設(shè)備按照模擬出的加工路徑加工產(chǎn)品。舉例說(shuō)明，模具集成系統(tǒng)接收到產(chǎn)品設(shè)計(jì)文件后，通過(guò)UG軟件的建模功能完成三維實(shí)體造型；把CAD造型轉(zhuǎn)換成各種不同的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，經(jīng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳送到ProCAST專(zhuān)業(yè)鑄造分析軟件中，對(duì)該造型進(jìn)行有限元（FEM）數(shù)學(xué)離散，根據(jù)生產(chǎn)條件，完成溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬工作，根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，最后將優(yōu)化后的設(shè)計(jì)，利用UG的CAM模塊完成數(shù)控程序的編制，傳送給數(shù)控加工中心，完成數(shù)控加工。同時(shí)，三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x可通過(guò)IGES格式讀入U(xiǎn)G造型，對(duì)所加工模具曲桌設(shè)計(jì)的精確性進(jìn)行測(cè)量，得到實(shí)際加工曲桌與理論值（CAD設(shè)計(jì)模型）之間的誤差，從而對(duì)加工曲桌品質(zhì)進(jìn)行控制，采用模具集成制造系統(tǒng)，可以正確、快捷地完成模具設(shè)計(jì)、鑄件的鑄造分析、模具制造整個(gè)過(guò)程。

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