三维CAD技术在机械设计中的应用

HEATS

　　本文就装备制造业的振兴与三维CAD技术在机械设计中的应用谈一点看法，以供业内同行借鉴参考。

$ z: F1 T( C, b5 x0 q

　　一、CAD技术应用的现状

8 g, P3 _) R4 ^* o

　　所有的设计都要画图，这是因为工程师无法完毅记住自己所作设计中的全部细节(那怕是较简单的)，用文字记载也不完整，因此图形表达就是唯一的方法。这些图首先是给设计者自己看，为了记住和研究设计构思:其次是给别的工程师看，为了互相讨论交流:最后是为了给制造者看，为了将设计意图变成实物。在设计的全过程中.原始构思是三维(3D)实体，这也是毫无疑问的。但是，在传统的设计中，这两者之间的信息传递竟然完全依靠二维(2D)的图形表达。以AutoCAD为代表的2D图形数字化软件对于CAD技术在我国的普及应用起到了重要的作用，也为今天CAD技术的发展奠定了十分必要的技术基础。

7 G, _" x% I) \) J1 `

　　然而2D机械CAD技术没能解决传统设计中的一些问题，对提高设计质量的作用有限，那么影响设计质量和效益的一些问题是什么?笔者认为有以下几点:

* V/ L3 P! F' a" R& @2 L! u) u; O

　　1、复杂的投影线生成

+ ^/ e) u$ ^+ n& O- x : K+ @, z: R. ?

　　对于绘制铸锻件毛坯的零件图，轮廓的相贯线和截交线画不明白，设计师常常在绘制2D图纸时相当头疼。

|5 }6 u* c; I1 U# | % ]1 r$ L& }6 r3 z6 T

　　2、漏标尺寸，漏画图线

0 w7 G' o' |) }3 F2 a/ [

　　即使经过几个人的审校，漏标尺寸和缺少线条的现象仍时有发生。

　　3、应力应变分析

1 o, L0 s. p9 i* t7 O

　　修改零件(如连杆)的尺寸是很容易的，问题是怎么改。要修改必须进行力学分析，否则这个连杆断了怎么办?国外的产品设计小巧轻，而我们的同类产品设计却傻大笨重，且刚度不好。

　　4、数控加工处理

) j& H9 |' U! i $ ?" G; e( I6 ^0 m* ?, }& _& {+ R

　　经常有这样的情况，按照国外的产品成型制塑料制品，一眼就看出来不一样。为什么?我们注塑模具没有给出足够的局部收缩鼻。在这些复杂的三维问题上，依赖传统的2D设计方法无法解决。

7 h3 t& ~# Z! J x+ U

　　5、设计的更新与修改

　　CAD应用中的设计工程管理工作也变得日益重要，有些CAD应用单位，已积累了成千上万张的图纸，而且在继续增多。这些文件中除了图形信息外，还有大量的设计参数等非图形信息，不仅要管理图形信息，还需要工具软件来处理这些复杂的设计参数管理问题。

　　二、关于2D图形的绘制

1 e6 h! N1 |; s

　　"CAD"的"D"是什么的问题长期以来没有共识，其原因有三:一是多年以来CAD软件属于较幼稚的系统，其能力较弱，事实上AutoCAD R9之前的版本只适于画2D图形:二是相关软件开发商中往往缺乏工程设计经验，不能深刻理解实际设计过程和具体加工方法:三是机械设计是各种设计中比较麻烦和比较不规范的，而其中比较容易做的事也就是画2D工程图。实际设计中，2D绘图工作中包括抄图，但重要的是创建新结构的图形表达方法。譬如说设计一根车床主轴，在开始构思时，说不准应有几段台阶，各有多长。开始制定的粗略数据，很可能在以后的设计过程中被修改得面目全非，只是到了设计快结束时，主轴的参数才真止明确下来，所以说实际上零件具体参数并不是在设计一开始就能确定的。一般的设计过程，总要经过方案草图、装配草图、拆零部件图、正式总装图这样的四部分绘图工作。因此说2D图形绘制的方法是辅助绘图而非辅助设计。

2 r( z5 A) H! b0 K) e

　　因此工程师盼望着CAD技术在辅助设计方面的用处。实际上AutoCAD在2D图形处理中的几何设计功能极强，精度也非常可靠，在掌握了操作技巧或者用不太复杂的AutoLISP程序辅助一下，就能解决许多数学解析法难以解决的工程数据求解问题，所以笔者认为，"Design设计"才是应用CAD的真正益处，它能有效地提高设计质量。

　　三、从三维开始设计是必然趋势

. M3 S/ _1 p2 f " [6 u1 ^7 ]& t, h

　　人在现实生活中看到的3D实体，是有颜色、材料、硬度、形状、尺寸、位置等概念的实体，甚至是带有相当复杂的运动关系的3D实体。由于以前的表达手段有限，在机械制图中人们不得不共同约定了与第一象限平行正投影的规则，用几个相关联的2D投影图表达自己的3D设计。这种信息表达是不完整的，而且绘图、读图要经过专门训练，如果能直接从3D概念开始设计，这样的3D模型就能表达出设计构思所需的全部几何参数。只有从三维开始设计，CAD软件对设计的辅助作用就会很容易扩展和贯穿到产品开发全过程。

1 o% }4 G! Z/ f) z/ W) r) J+ g% M

　　从3D开始的设计，仍然需要2D工程图的表达，而且要遵守传统设计的规范，因此作为CAD基础软件，必须具各从3D白动生成2D的工程图。并且具有双向关联的能力。以此为基础，进一步进行应力应变分析、零件质量属性分析、空间运动分析、装配千涉分析、数字控制可加工性分析、准确的2D工程图生成、外观色彩和造型效果评价、装配产品爆炸图、产品设计数据管理等一系列的需求都应能充分予以满足，这才是CAD技术对设计全过程的有效的辅助，而且是有明确技术效益和经济效益的CAD.因此，传统的以2D工程图为主的图形设计的资料管理将变成3D设计数据的保存和管理，从而使高职院校的机械制图课就可以大幅度删减，尽量保留学生的3D原始概念，随之而来的是2DC程图的画法也应随之大幅度简化。

* O' h" {! W1 V6 Z" S# l5 J . a% m: M$ n) O# S

　　美国Autodesk公司的产品INVENTOR是目前的很好用的软件之一。它是建立在AutoCAD2002的基础上，具有AutoCAD的全部2D图形处理功能，并且增加了大量针对机械设计的支持功能。它对于3D造型，是基于特征、基于尺寸约束和儿何约束的参数化造型方法，有较好的3D与2D双向关联的能力。对于3D曲面，有良好的造型、修整功能.INVENTOR的另一大特色是为其他公司的应用软件集成到特定的用户环境下提供了相当方便的二次开发接口，这也是对传统AutoCAD开放结构的有效继承和发展。

　　对于复杂的投影线生成，漏标尺寸，漏画图线的问题，在INVENTOR中是很容易解决的、在INVENTOR中，并不直接生成2D工程图，而是首先绘制草图，仅对某些标注尺寸而要人为作些修改和补充。

* W5 h4 h4 y, a* _0 u: o

　　正确可靠的2D投影线，意味若拜易画错的复杂投影和漏画图线的事不会发生了，对于标尺寸的问题，在INVENTOR中是自动解决的，如果对3D造型的尺寸约束不完格，INVENTOR会提示你缺少若干个尺寸或几何约束，因此很少会漏标尺寸。

1 P, E2 f& t) [. O

　　INVENTOR中参数化特征建模功能，在处理由切削加工方式所得到的实体时，可以说是100%成功，那怕是含有相当复杂的造型和尺寸。而对于有大量过渡圆角和拔模斜度的铸般造零件，也有相当满意的成功率。总之，对中等复杂程度的零件造型和全部尺寸驱动都是完美的。对于更加复杂的曲面设计表达与产品造型，INVENTOR中的曲面模块具有相当出色的功能，工程设计人员终于有了一个真正得力的助手。

% z% W4 E0 Y2 `5 S. i; f/ ?0 Y

　　对于部件机构的空间运动和动力学的分析讨论，在完成了3D设计的概念后，在INVENTOR中加载相关的专业应用软件就可以进行，其操作和结果都和我们很熟悉的AutoCAD用户界面相似。对于应力应变分析，我们同时结合有限元分析软件如(Dynamic Designer , Visual Nastran FEA)，可以对复杂的机械系统进行完整的运动学和动力学仿真。能够计算出机械系统零件的运动情况，包括位移、速度、加速度和作用力及反作用力，还可以作山零件的强度和结构分析。

, \. {% w( ]2 i

　　由于INVENTOR是以参数化三维特征建模为设计数据的表达，所以对于数控加工的分析处理提供了得天独厚的条件。目前基于INVENTOR开发的多种CAM软件也有许多，如从2D到3D粗加工、半精加工到最后的精加工，从刀位轨迹生成到数控(NC)代码转换，都是十分顺利的:处理速度也相当快。

　　对于设计的更新与修改，INVENTOR也有独到之处，NIVENTOR中的三维建模模块本来就是3D参数化造型系统。例如尺寸修改，可以在3D造型上修改，也可以在与之相关2D工程图上修改，然后重新生成3D模型和2D相关图纸。对于设计下程管理，这只能由中国人自己完成，因为我们的设计习惯和管理要求与国外有所不同。目前国内己有一些优秀的软件和解决方案，如(Morrowsoft,CAXA)协同管理解决方案，通过应用OA,ERP等现代信息化管理工具，将极大地提高企业资源配置和生产流程管理能力。

, [$ `+ J% K& a8 A& S5 K/ I

　　四、三维CAD技术应用的几点思考

" k6 D$ r. S- f4 H$ K! H9 v( t + R7 x" I% J6 s! D

　　1.掌握和运用3D设计软件是有难度的

* j6 K$ n( M/ f8 b2 Y! x ! T& Z8 D. n0 N; H* z$ d+ T; s

　　据笔者的经验，高职学生年轻，学得快但用得不好;面向企业经验丰富的工程师，大多数己不适应按3D概念进行设计构思，他们用平行正投影表达3D实体的思考方法己根深蒂固了。在学习3D设计软件之前，针对高职学生就是首先要解决基础知识和技术准备的问题。

* F$ V4 s0 u; y* U0 `, P2 A( D3 q 6 b2 L3 {2 g0 V& j. K

　　2、任课教师本身的水平和经验不够，这可能是教学中最致命的问题

　　比起2D图形处理来说，3D设计更需要进行培训，不少学生用AutoCAD画2D图相当熟练，但在进入3D设计时，无论从概念还是造型技巧上，都感到相当生疏。高职院校应该加人资金投入，对任课教师培训，使他们尽早成为"双师型"。

1 x6 E7 T# Y9 Q0 g

　　3、学校实训设备问题

　　在CAD系统中有三个成员:硬件、软件和使用者，使用者是这个系统中的重要因素;设备在CAD系统的应用效果上起着关键作用。必须明确使用CAD系统要解决什么问题?怎样的结果才是想要的?什么功能对学校的专业设计是最关键的?并不是软件功能越多、越强就越好，要看做什么用。所以必须结合高职院校人才培养目标、专业建设和教学实际需求，合理有效并且经济地配置资源。

　　综上所述，使用INVENTOR为主要支撑软件的3D设计系统，明显提高机械CAD应用效果的条件己经基本具备，我们应当重新对CAD技术在机械设计中的应用效果及水平和投入规模进行确认，努力提高教学质量和学生动手能力、从CAD/CAE/CAM的系统集成入手，采用合理的3D设计解决方案，正确选择代表CAD技术开发方向的专业增值软件，大力开展产学研训相结合，真正将CAD的软、硬件和师资投入转化为生产力，转化为高职院校的社会效益和经济效益。【MechNet】