淺析CAD由二維向三維的轉(zhuǎn)變

2013-05-16 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線

徐濤孔斌魏小平陳義厚來(lái)源:萬(wàn)方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字:二維CAD 三維CAD 轉(zhuǎn)變
CAD由二維向三維的轉(zhuǎn)變可以充分利用CAD的設(shè)計(jì)與分析功能;通過(guò)3D-CAPP系統(tǒng)采用STEP數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)能有效的解決三維CAD數(shù)據(jù)信息到CAM制造系統(tǒng)之間的順利過(guò)渡;基于三維CAD的裝配過(guò)程能夠大大提高裝配工藝的質(zhì)量和實(shí)用性。

1 引言

   CAD是工程技術(shù)人員以計(jì)算機(jī)為工具,對(duì)產(chǎn)品和工程進(jìn)行設(shè)計(jì)、繪圖、造型、分析和編寫技術(shù)文檔等設(shè)計(jì)活動(dòng)的總稱,即計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(ComputerAided Design,簡(jiǎn)稱CAD)。在機(jī)械制造行業(yè)中采用CAD技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)不但可以使設(shè)計(jì)人員"甩掉圖板",更新傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想、提高設(shè)計(jì)水平、實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自動(dòng)化、降低產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成本、增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力;還可以使企業(yè)由原來(lái)的串行式作業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿凶鳂I(yè),建立一種全新的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)技術(shù)管理體制,縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期,提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率。根據(jù)模型的不同,cAD系統(tǒng)一般分為二維CAD和三維CAD系統(tǒng)。在CAD發(fā)展的初期階段,主要都是二維CAD系統(tǒng),所繪制零件圖都是二維零件圖,表達(dá)的是"點(diǎn)、線、圓、弧、文本"等幾何元素的集合,由于二維零件圖幾乎沒有立體感,零件的形狀完全靠閱圖者想象出來(lái),工程技術(shù)人員要花費(fèi)大量的時(shí)問(wèn)去繪制一張二維圖紙,通過(guò)各種視圖來(lái)表達(dá)零件的相關(guān)特征。圖紙繪制出來(lái)后,各種復(fù)雜的線條給讀圖人員造成了麻煩,非專業(yè)人員很難讀懂;由于其文件之間不具關(guān)聯(lián)性,對(duì)圖紙迸行修改時(shí)必須修改每一張涉及的圖紙,這樣很容易造成遺漏,也不能進(jìn)行實(shí)體分析,無(wú)法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,僅是在平面上的一種表達(dá)方式。隨著cAD技術(shù)的發(fā)展,三維CAD系統(tǒng)已從早期的實(shí)體造型,發(fā)展到特征造型和基于約束的造型。三維CAD系統(tǒng)中可以很清楚的看到所設(shè)計(jì)零部件的實(shí)體效果,具有主模關(guān)聯(lián)性,只要一處修改,所有涉及的領(lǐng)域便會(huì)自動(dòng)修改;可以對(duì)整體設(shè)計(jì)或部件進(jìn)行有限元分析、應(yīng)力應(yīng)變分析、質(zhì)量屬性分析、空間運(yùn)動(dòng)分析、裝配干涉分析、NC控制可加工性分析、機(jī)構(gòu)仿真等一系列的需求。

工程技術(shù)人員用三維CAD軟件完成部件和零件的模型設(shè)計(jì)后可以直接將模型傳送到CAD軟件中進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分并進(jìn)行分析計(jì)算,如果分析的結(jié)果不滿足設(shè)計(jì)要求則重新進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析,直到滿意為止,從而極大地提高了設(shè)計(jì)水平和效率。

由以上的分析三維cAD有其二維CAD無(wú)法比擬的性能必將成為國(guó)內(nèi)外企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主流設(shè)計(jì)工具。

   2二維CAD向三維CAD轉(zhuǎn)變過(guò)程中的問(wèn)題

   2.1 優(yōu)先對(duì)重要的二維圖紙進(jìn)行三維化

目前我國(guó)機(jī)械制造行業(yè)正處于一個(gè)從二維CAD向三維CAD轉(zhuǎn)變的過(guò)程,很多企業(yè)還是兩者混合使用。二維工程圖作為工程界的交流語(yǔ)言在長(zhǎng)期使用的過(guò)程中已經(jīng)形成了使使用者共同認(rèn)可和接受的標(biāo)準(zhǔn),并且在各行各業(yè)中積累的大量極具價(jià)值的技術(shù)資料都是二維電子文檔,或者是二維的藍(lán)圖,這些目前還正在工業(yè)領(lǐng)域極其廣泛和深入地應(yīng)用著,還在很好地發(fā)揮著重要的作用。

雖然機(jī)械制造企業(yè)的二維電子圖紙存檔量巨大,但這些圖紙往往可以分成有限的幾類。從單機(jī)設(shè)備上歸類,不超過(guò)一百種;從機(jī)組形式上劃分,不超過(guò)十類,既使是不同的單設(shè)備,其零部件相互之間也存在很多相似性,甚至可互相借用。這樣提供給我們一個(gè)思路,首先由設(shè)計(jì)骨干牽頭,然后對(duì)歸檔圖紙歸類分析,盡可能將設(shè)計(jì)中典型設(shè)備,典型結(jié)構(gòu),典型零部件抽取出來(lái),對(duì)它們進(jìn)研究、建模、參數(shù)化、變量處理,并最終建立工程圖。目前有很多三維CAD軟件如:UG NX、CATIA、PR0/E、SolidWorks、SolidEdge、Inventor等都可以完成二維圖形向三維模型的轉(zhuǎn)換。

   2.2建立三維設(shè)計(jì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

如果國(guó)家或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)定依然是二維設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),而三維設(shè)計(jì)設(shè)有統(tǒng)一的要求和標(biāo)準(zhǔn)可以依據(jù),二維CAD很難向三維cAD設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變。我國(guó)國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局1998年8月28日發(fā)布的GB/T 14665-1998《機(jī)械工程cAD制圖規(guī)則》和2000年lO月17日發(fā)布了CB/T18229-2000《CAD工程制圖規(guī)則》規(guī)定依然是二維設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)的重要性勿庸置疑,盡快制訂3D CAD國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),正確把握CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),對(duì)國(guó)產(chǎn)三維CAD的開發(fā)具有很大的意義,也在一定程度上影響著三維CAD普及的步伐。三維CAD的價(jià)格薺不便宜,對(duì)于大量的國(guó)內(nèi)小型企業(yè)來(lái)講,要普及三維CAD,它們無(wú)法承擔(dān)起這么高的費(fèi)用支出,只有開發(fā)出更好、更廉價(jià)的國(guó)產(chǎn)CAD才是最好的出路。

   2.3改變?cè)O(shè)計(jì)思想

1799年。法國(guó)的G.蒙日發(fā)表《畫法幾何》一書為畫法幾何奠定了理論基礎(chǔ),它提出用多面正投影圖來(lái)表達(dá)空間形體,是基于投影法。目前國(guó)內(nèi)高校工科專業(yè)開設(shè)的《畫法幾何與工程制圖》就是在《畫法幾何》的基礎(chǔ)上形成的理論,只能反映兩個(gè)方向的形狀,設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品只能表達(dá)在二維圖紙上,因此大家的設(shè)計(jì)思維、設(shè)計(jì)習(xí)慣都是二維的,并且形成了根深蒂固的思想。二維CAD要想向三維CAD成功轉(zhuǎn)型,改變傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)思維是成功轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵,在大學(xué)階段開展三維CAD技術(shù)學(xué)習(xí),對(duì)在職工程技術(shù)人員加強(qiáng)技術(shù)培訓(xùn),鼓勵(lì)在職工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)三維CAD技術(shù),培養(yǎng)設(shè)計(jì)人員的三維設(shè)計(jì)思維,提高技術(shù)人員的素質(zhì)及企業(yè)的整體技術(shù)水平,以適應(yīng)現(xiàn)代三維設(shè)計(jì)的發(fā)展。

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   3從三維CAD設(shè)計(jì)到CAM制造之間的過(guò)渡

中國(guó)的機(jī)械制造企業(yè)已經(jīng)形成了產(chǎn)品設(shè)計(jì)使用CAD系統(tǒng),制造使用CA M系統(tǒng),而CAPP(Computer Aided Proces8 Planning,計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì))系統(tǒng)是連接設(shè)計(jì)的橋梁。但目前人們研究和開發(fā)出的許多CAPP系統(tǒng)大多數(shù)都是基于二維CAD平臺(tái)的,如武漢開目信息技術(shù)有限責(zé)任公司開發(fā)的開目CAPP。然而,CAM系統(tǒng)本身是基于三維模型的,于是便產(chǎn)生了信息傳遞的孤島。傳統(tǒng)的以圖紙傳遞信息的方式和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)制約了信息技術(shù)的有效利用,導(dǎo)致CAD,cAM系統(tǒng)在企業(yè)中獨(dú)自為戰(zhàn),各據(jù)一方脫離了信息化中最主要的信息共享原則,必然產(chǎn)生孤島。從圖

(1)中看到信息傳遞鏈條的的關(guān)鍵在3D數(shù)據(jù)的傳遞,而不應(yīng)該是圖樣信息的傳遞日。

因此解決孤島技術(shù)這一問(wèn)題的關(guān)鍵就在于如何實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)的3D化,必須由傳統(tǒng)的基于二維CAD集成的CAPP系統(tǒng)向基于三維CAD集成化發(fā)展,即大力開展基于三維CAD的CAPP系統(tǒng)的應(yīng)用及研究開發(fā)。目前我國(guó)在這方面取得的成果有:基于三維CAD的加工工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)提供基于三維CAD的加工工藝設(shè)計(jì)工具,可以基于3D模型定義加工工藝特征,自動(dòng)獲取加工特征信息,可以基于特征加工知識(shí)進(jìn)行輔助工藝決策,可以建立3D工藝裝配庫(kù),可以生成3D工序簡(jiǎn)圖,實(shí)現(xiàn)可視化的裝夾規(guī)劃等。基于三維CAD的CAPP系統(tǒng)增加了產(chǎn)品的可讀性和一致性,減少了理解圖紙的時(shí)間,進(jìn)一步提高了工藝設(shè)計(jì)方式、工藝資源及制造數(shù)據(jù)管理模式等的合理性與科學(xué)性,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳遞的及時(shí)性。

在信息傳遞的過(guò)程中各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)兼容性也是造成孤島技術(shù)的重要問(wèn)題。通過(guò)建立一個(gè)系統(tǒng)的信息結(jié)構(gòu)對(duì)CAD模型進(jìn)行CAD模型數(shù)據(jù)交換已經(jīng)成為共識(shí)嗍。目前主要采用的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)有:Autodesk公司自己制定的DxF;美國(guó)海、陸、空三軍制定的IGES;國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(IS0)制定的STEP。STEP(Standard for Exchanze of Product Model Dala,產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn))是近年來(lái)應(yīng)用最廣泛的用于不同CAD,CAM系統(tǒng)之間信息交換的一種數(shù)據(jù)交換國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)。STEP采用應(yīng)用層(信息結(jié)構(gòu))、邏輯層(數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))和物理層(數(shù)據(jù)格式)三級(jí)模式,定義ExPREss語(yǔ)言進(jìn)行描述,以中性文件作為交換媒介。它包含了幾何信息、制造信息、材料、組裝分解順序、檢驗(yàn)測(cè)試等必要的信息定義和數(shù)據(jù)交換的外部描述。應(yīng)用STEP可以使CAD,CAPP,CAM之間的數(shù)據(jù)傳遞有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),解決其信息集成問(wèn)題。

   4總結(jié)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展,計(jì)算機(jī)的性能有了很大的提高,這為三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了條件。在零件三維實(shí)體模型基礎(chǔ)上,使用CAM(Computer Aided Manufactuing,計(jì)算機(jī)輔助制造)實(shí)現(xiàn)無(wú)圖紙高效加工,已成為現(xiàn)實(shí)。由于CAM系統(tǒng)本身是基于三維模型的,因此從三維實(shí)體模型到CAM,比二維圖紙到CAM更高效。極大地提高了設(shè)計(jì)效率加快了制造業(yè)的作業(yè)生產(chǎn)控制過(guò)程,對(duì)我國(guó)由"制造大國(guó)"向"制造強(qiáng)國(guó)"轉(zhuǎn)變的發(fā)展有著至關(guān)重要的推進(jìn)作用。

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