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三维设计软件和技术在机械设计中的应用

2020-01-24佚名

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随着计算机图形技术的发展与成熟,在机械设计中CAD三维软件作用越来越重要。它的优点是简单、准确、方便和快捷等。通过三维设计,我们可以得到产品的三维模型以及虚拟产品的效果图,还有根据三维模型输出的完美的、标准化的工程图纸。由于它的巨大优势,CAD三维设计已经成为机械设计的主要发展方向。

0 引言

    随着计算机图形学的飞速发展、数据库技术的提高,还有微型计算机性能的改善,计算机已经普及到越来越多的行业中。对于机械设计,传统的设计方法都是设计人员通过画图板,铅笔,制图工具,来设计图形。这样的设计方法不但使工作变得复杂、枯燥,而且浪费了很多的资源和时间。如今已经很少看到设计人员用纸笔画图了,取而代之的是CAD软件。通过CAD软件来设计图形使设计人员节约了很多时间,提高了设计的质量和精度,做到了传统设计方法无法做到的一些事情。目前在这个领域,模拟传统作图过程的CAD二维设计软件已经得到广泛的应用,而CAD三维设计软件也日渐红火起来。CAD三维设计技术有着和传统设计不同的思想和方法,并且有着极大的优势,它的出现和发展,是我们机械设计上的一大进步。

    本文将从各个方面介绍三维设计技术、常用的三维设计软件和它们在机械设计中的应用情况。

1 三维设计软件综述

    目前三维设计软件已经渗透到各个工程领域,并有着广阔的市场前景。三维设计软件与二维设计软件有着不同的设计思想,并且在许多功能方面有着二维设计软件不可比拟的优势。

    1.1 三维设计的主要思想

    传统2D设计中,设计者是根据对零件或装配体设计期望的结果直接绘制二维图。而在三维设计中,是从平面-草图-特征-零件-装配体这一思路出发,直接生成零件和装配体的三维模型,再导出对应的二维图纸。在三维设计中,对零件进行三维建模,实质是对零件加工过程进行模拟和对零件加工工艺过程进行描述,是在三维软件的环境下进行的虚拟加工。

    一般来说,建模常用的方法有旋转法、层叠法、加工法。

    旋转法:在一幅草图上画出零件的多个复杂外形特征,通过旋转命令“一步到位”生成零件。但此方法仅仅适合回转零件,而且仅适用于回转零件外形轮廓特征建模。

    层叠法:单独建立零件各段的每个特征,用堆积的方式,将各段堆叠起来。通过上述实例不难发现,该方法局部性强,缺乏总体布局,没有毛坯选择,没有总体的特征规划。但此方法适用于大型焊接件,其建模思想与焊接方法正好吻合。

    加工法:是模拟零件实际加工过程。首先生成零件基本特征(如拉伸、旋转、去除材料、倒角等),也就是实际加工的毛坯。然后一道道工序逐渐加工,生成成品。加工法最符合实际生产过程,它的建模顺序符合实际加工步骤,也符合专业设计者的设计过程。因此,在建模之前,有必要对产品零件进行特征规划,这样不仅使设计者对后续建模有总体把握,而且对于最后编辑修改也很方便。

    1.2 三维设计软件的优势

    利用三维软件,设计者可准确、轻松地得到想要的三维模型,并且在此基础上可以完成许多2D软件不可能完全的功能,如:

    (1)对复杂体进行体积、重量的计算。

    (2)对构件的运动进行仿真。

    (3)对零件进行应力分析。

    (4)根据用户设置的几何约束条件对零件进行装配。

    (5)演示功能。

    (6)快速导出二维图纸。

2 市场主流三维设计软件介绍

    从上一节对三维设计软件优势的分析中,我们可以大致得出结论,一个比较完善的三维设计软件应具备以下基本功能:

    (1)科学计算与分析功能:能够完成产品常规设计、优化设计、可靠性分析、有限元分析、动态分析、运动模拟仿真、应力分析等科学计算。

    (2)图形处理功能:如二维交互图形技术、三维几何造型、图形仿真模拟及其图形输入输出功能等。

    (3)数据管理与数据交换功能:如数据库管理、不同CAD系统间的数据交换和接口功能等。

    (4)其它功能:如进行文档制作、编辑及文字处理功能、二次开发功能和网络功能等。

    由于三维设计软件需要漫长的开发过程和高端的开发技术,市场上不可能出现很多三维设计软件。目前市场上较主流的软件有Autodesk Inventor、Solidworks、Pro Engineer、CATIA、UG等。

    2.1 Autodesk Inventor

    Inventor是由美国的Autodesk公司于1999年发行的一种基于特征的实体造型系统。经过多年的发展,已经成为一种包含最新技术的基于特征的参数化实体造型软件。Inventor的理念是使操作尽量简单化,一个掌握基本Windows操作的用户,经过一天的培训,就可以基本掌握Inventor三维建模技术,并应用到生产实际中去。

    作为一款中端CAD软件,Inventor以简单操作、优惠价格、人性化操作界面受到了业内的广泛支持,在机械加工、电子、码头、船舶、制造业等领域有着广泛的应用,尤其是在中小企业得到了广泛的使用。

    2.2 Solidworks

    SolidWorks是由美国SolidWorks公司发行的,是第一款基于Windows操作系统开发的三维CAD软件,具有操作简单、易学易用、兼容性高的特点。SolidWorks是一个基于特征的、参数化的实体造型系统,这也是当前CAD软件的主体趋势。SolidWorks采用单一的数据库,用户在使用SolidWorks进行建模时,既可以创建单一的三维实体模型,也可以由三维实体自动生成各种工程视图。

    SolidWorks是应用最广泛的中端三维建模软件,在制造业领域和机械设计行业里都有应用。由于SolidWorks也是发行最早的中端三维建模软件,在国际上享有较高的声誉,国际通用性比较强,国外的许多大学、企业应用很多。

    2.3 ProEngineer

    Pro/Engineer是美国参数技术公司PTC推出的基于CAD/CAE/CAM的软件包,其最突出的特点在于它的参数化建模、基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。参数化使得产品设计过程中的各个环节联系在一起,任何一个环节中发生零件尺寸的修改都可以自动映射到整个建模环境中。

    Pro/Engineer号称“震撼业界的机械设计软件和世界最强大的模具设计软件”,自推出以来,由于其强大的功能,很快得到业内人士的普遍欢迎,并迅速成为当今世界最为流行的高端CAD软件之一。自上世纪90年代中期,国内许多大型企业开始选用,发展至今,已拥有相当大的用户群。

    2.4 CATIA

    CATIA是一款高端CAD软件,具有三维设计、结构设计、曲面造型、二维转换、运动模拟、有限元分析、逆向工程、美工设计、数控加工等功能。CATIA功能强大的同时操作也比较复杂,但从CATIA V5版本开始,受到同行业简单易用发展趋势的影响,也融入了一些Windows的风格,加强了易用性。

    CATIA作为世界著名的高端三维建模软件,在制造业、加工业、科研、教育、建筑等许多领域都有应用,其足迹遍布世界上大部分工业国家。CATIA在汽车、飞机、造船等行业的应用非常广泛,几乎世界前20强的汽车厂商都在使用,其用途主要在汽车曲面造型方面,甚至CATIA的许多功能模块就是由这些汽车厂商与达索公司合作开发的。CATIA的起源就在于飞机制造行业,世界上许多著名飞机制造公司都在使用CATIA,其中不乏像波音公司这样的飞机制造巨头企业。在我国,近年来CATIA的发展十分迅猛,大部分的汽车和飞机制造业已经引进了CATIA软件,其中许多已经完善了整个基于CATIA的设计流程。

    2.5 UG

    UG是最早的三维建模软件之一,也是应用最广的高端CAD软件,同时它的易用性较差,难以掌握,虽然近年来在易用性上投入了大量精力加以改善,但在这一方面和一些中端CAD软件相比还有很大差距。

    UG主要客户包括,通用汽车、通用电气、福特、波音麦道、洛克希德、劳斯莱斯、普惠发动机、日产、克莱斯勒以及美国军方等。几乎所有飞机发动机和大部分汽车发动机都采用UG进行设计,充分体现UG在高端工程领域的应用优势。

3 三维设计实例

    3.1 对辊式破碎机三维设计实例

    对辊式破碎机适用于冶金、建材、耐火材料等工业部门破碎中、高等硬度的物料。该系列对辊式破碎机主要由辊轮组成、辊轮支撑轴承、压紧和调节装置以及驱动装置等部分组成。

    在本文中,对辊式破碎机的工作原理和结构不做累述,主要讲如何利用三维软件对其核心结构进行设计。

    图1为对辊式破碎机的核心部件。

对辊式破碎机核心部件

图1 对辊式破碎机核心部件

    如图所示,该构件主要由轴和辊轮组成。对于轴,无论是用二维设计的方法还是三维设计的方法都可以很轻松地设计出来。但对于辊轮,由于其外表面上有特殊花纹,利用二维设计的方法很难绘出其三视图,必须用三维设计软件作为工具来完成对它的设计。

    由图中我们可以看出,辊轮的侧面展开后是按照一定规律循环的花纹,所以我们首先对该规格的辊轮选一个花纹节距进行设计,花纹草图将辊轮断面轮廓中的外表面及沟底曲线用一个花纹节距角度进行回转命令生成侧面曲面体,并将花纹草图平面定位在外表面曲面法向上,再将草图中的花纹曲线投影在外表面曲面上,得到外表面曲面上的花纹投影曲线。

    采用回转的方法生成花纹沟底曲面,并将所有三维曲线按设计要求用样条曲线连接起来,建立出花纹三维曲线框架图,这样,就绘出了环形的花纹。

    辊轮是受力复杂的零件,必须对其进行应力分析,以保证工作时零件不会失效。

    很多三维设计软件可以提供这个功能,对零件设置施加的外力后,软件自动会分析出零件受力和应力情况,并给出直观的图形。通过应力图,设计者可以很轻松地看出最大应力的大小、应力集中位置等信息,从而可以根据这些结果修改设计方案。

应力分析

图2 应力分析

    3.2 圆柱凸轮三维设计实例

    此处实例是笔者自身设计经历。在上学期一门专业课上,笔者所在的小组需要用Pro/E设计一个工业机械手装置,按照我们的设计,其中一个零件是一个圆柱凸轮。在这种时候,三维设计软件的优势就完完全全地体现出来了。

    由于凸轮的设计是为了控制我们预期的运动,故根据运动我们可以绘制出精准的凸轮位移曲线,在凸轮圆柱的展开面上将凸轮的位移曲线绘制上去,开出一个凹槽,再利用Pro/E的“环形弯折”功能,即可得到圆柱凸轮的三维模型。

    从这两个例子我们也可以看出,相对于二维设计软件,三维设计软件有着更强大的功能,有很大的优势。

    这样的优势已经使得三维设计软件日渐成为市场主流。

圆柱凸轮位移曲线

图3 圆柱凸轮位移曲线

圆柱凸轮展开面

图4 圆柱凸轮展开面

圆柱凸轮三维模型

图5 圆柱凸轮三维模型

4 基于三维设计软件的二次开发

    二次开发,简单的说就是在现有的软件上进行定制修改,功能的扩展,然后达到自己想要的功能,一般来说都不会改变原有系统的内核。

    二次开发也是三维设计软件的应用之一,但是因为其大大地拓展了软件的功能、提高了软件的灵活性和设计的效率,在本文中单独设一篇幅叙述。

    SolidWorks是基于特征的三维参数化造型软件,对其进行二次开发可以遵循参数化CAD的原则。与以往非参数化CAD系统相比,参数化技术很大程度上提高了二次开发的效率。

    这里以挤压模垫套(如图6所示)的参数化建模的二次开发为例,详细介绍SolidWorks二次开发的过程,图7为开发程序的主控页面。具体步骤如下。

垫套剖视图主要尺寸

图6 垫套剖视图主要尺寸

程序的主控页面

图7 程序的主控页面

    1、安装VC++并配置开发环境

    2、绘制零件模板模板零件的创建方法与一般三维模型的建模方式相同,但注意以下几点:

    (1)在对模板进行特征造型时,对二维截面轮廓,利用尺寸标注和施加相切、共线等关系实现对几何图形的全约束;

    (2)正确设置控制三维模型的设计参数。尺寸参数可分为两种:一是与其它参数无关的独立参数;另一种是与其它参数有关的非独立参数。前者主要用来控制三维模型的几何尺寸和拓扑关系,后者可以用独立参数为自变量的关系式表示;

    (3)正确建立设计参数与三维模型尺寸变量之间的关联。主要有两种方法:一是在创建模型模板需要输入数值时,直接输入参数名。二是利用SolidWorks的关系式功能创建新的关系式,使系统自动创建的约束参数名与设计参数关联。

    3、VC++编程

    完成以上三个步骤,即可得到如图所示的主控界面程序,这样,当要设计这种类型的不同垫套时,只需输入几个参数即可完成设计,大大提高了设计的效率。

5 三维设计软件的前沿技术和发展趋势

    5.1 图形交互技术

    三维设计软件是产品创新的工具,务求易学好用,得心应手。一个友好的、智能化的工作环境可以开拓设计师的思路,解放大脑,让他把精力集中到创造性的工作中。因此,智能化图标菜单、拖放式造型、动态导航器等一系列人性化的功能,为设计师提供了方便。此外,笔输入法草图识别、语言识别和特征手势建模等新技术也正在研究之中。

    5.2 智能CAD技术

    CAD/CAM系统应用逐步深入,逐渐提出智能化需求。设计是一个含有高度智能的人类创造性活动。智能三维设计软件是发展的必然方向。智能设计在运用知识化、信息化的基础上,建立基于知识的设计仓库,及时准确地向设计师提供产品开发所需的知识和帮助,智能地支持设计人员,同时捕获和理解设计人员意图、自动检测失误,回答问题、提出建议方案等。并具有推理功能,使设计新手也能做出好的设计来,现代设计的核心是创新设计,人们正试图把创新技法和人工智能技术相结合应用到三维设计技术中,用智能设计、智能制造系统去创造性指导解决新产品、新工程和新系统的设计制造,这样才能使我们的产品、工程和系统有创造性。

    5.3 虚拟现实技术

    虚拟现实技术在三维设计软件中已开始应用,设计人员在虚拟世界中创造新产品,可以从人机工程学角度检查设计效果,可直接操作模拟对象,检验操作是否舒适、方便,及早发现产品结构空间布局中的干涉和运动机构的碰撞等问题,及早看到新产品的外形,从多方面评价所设计的产品。虚拟产品建模就是指建立产品虚拟原理或虚拟样机的过程。虚拟制造用虚拟原型取代物理原型进行加工、测试、仿真和分析,以评价其性能,可制造性、可装配性、可维护性和成本、外观等,基于虚拟样机的试验仿真分析,可以在真实产品制造之前发现并解决问题,从而降低产品成本。虚拟制造、虚拟工厂、动态企业联盟将成为CAD技术在电子商务时代继续发展的一个重要方向。

    另外,随着协同技术、网络技术、概念设计面向产品的整个生命周期设计理论和技术的成熟和发展,利用基于网络的CAD/CAPP/CAM/PDM/ERP集成技术,实现真正的全数字化设计和制造,已成为机械设计制造业的发展趋势。

6 结语

    三维建模技术在机械行业的广泛应用,根本性地改变了产品的设计、工艺以及生产装配乃至维修等环节,大幅度提升了新产品开发效率,节约产品开发成本。在不久的将来,三维设计软件必将全面渗透到各个工程领域,成为机械设计的主流。

责任编辑:程玥
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