機械產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計特點與技術(shù)進展

1、機械產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計特點與技術(shù)進展段小東,顧立志(華僑大學機電及自動化學院,福建泉州3620211引言隨著全球經(jīng)濟一體化的進程加快以及信息技術(shù)的迅猛發(fā)展,現(xiàn)代制造企業(yè)環(huán)境發(fā)生了重大的變化,其變化的主要特征為:產(chǎn)品生命周期縮短;交貨期成為主要競爭因素;大市場和大競爭已基本形成;用戶需求個性化,多品種小批量生產(chǎn)比例增大。為此,制造企業(yè)的戰(zhàn)略從1950年代和1960年代資源經(jīng)濟的“規(guī)模效益第一”,經(jīng)過1970年代和1980年代“價格競爭第一”和“質(zhì)量競爭第一”,發(fā)展到1990年代“市場響應(yīng)速度第一”及面向21世紀知識經(jīng)濟的“技術(shù)創(chuàng)新第一”。與此同時,現(xiàn)代制造業(yè)隨之出現(xiàn)了適應(yīng)這種發(fā)展的新模式和新哲理,

2、其核心在于:在制造企業(yè)中全面推行數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù),通過在產(chǎn)品全生命周期中的各個環(huán)節(jié)普及與深化計算機輔助技術(shù)、系統(tǒng)及集成技術(shù)的應(yīng)用,使企業(yè)的設(shè)計、制造、管理技術(shù)水平全面提升,促進傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)在各個方面的技術(shù)更新,使企業(yè)在持續(xù)動態(tài)多變、不可預(yù)測的全球性市場競爭環(huán)境中生存發(fā)展并不斷地擴大其競爭優(yōu)勢。解決問題的方案是數(shù)字化設(shè)計與制造。數(shù)字化設(shè)計與制造是計算機輔助技術(shù)、系統(tǒng)及集成技術(shù)的重要組成部分,它是向網(wǎng)絡(luò)化制造和虛擬化技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ),它使原有的傳統(tǒng)制造業(yè)變成了智力型的工業(yè),使企業(yè)主要通過資源要素(如勞動力、設(shè)備、資金競爭逐漸變?yōu)橐詣?chuàng)新能力知本型為焦點的競爭。這正是知識經(jīng)濟時代最重要的特征。2數(shù)字化設(shè)

3、計的內(nèi)涵數(shù)字化設(shè)計與制造主要包括用于企業(yè)的計算機輔助設(shè)計(CAD數(shù)字化仿真及其相應(yīng)文檔的建立。數(shù)字化設(shè)計的內(nèi)涵是支持企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)全過程、支持企業(yè)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計、支持產(chǎn)品相關(guān)數(shù)據(jù)管理、支持企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)流程的控制與優(yōu)化等,歸納起來就是產(chǎn)品建模是基礎(chǔ),優(yōu)化設(shè)計是主體,數(shù)控技術(shù)是工具,數(shù)據(jù)管理是核心。它們之間的關(guān)系見圖1所示。由于通過CAM及其與CAD等集成技術(shù)與工具的研究,在產(chǎn)品加工方面逐漸得到解決,具體是制造狀態(tài)與過程的數(shù)字化描述、非符號化制造知識的表述、制造信息的可靠獲取與傳遞、制造信息的定量化、質(zhì)量、分類與評價的確定以及生產(chǎn)過程的全面數(shù)字化控制等關(guān)鍵技術(shù)得到了解決,促使數(shù)字制造技術(shù)得以迅速發(fā)

4、展,這些關(guān)鍵技術(shù)之間具體關(guān)系見圖2所示。3數(shù)字化設(shè)計的歷史沿革從產(chǎn)品形成過程(產(chǎn)品規(guī)劃概念設(shè)計詳細設(shè)計生產(chǎn)準備的昨天、今天和明天發(fā)展看:由昨天的過程序列到今天過程鏈并將發(fā)展到明天的過程流。見圖3所示?？梢姰a(chǎn)品形成過程并行程度越來越高,其效率也不斷提高。摘要:概述了數(shù)字化設(shè)計技術(shù)內(nèi)涵,闡明了數(shù)字化設(shè)計在制造業(yè)中的重要性,介紹了數(shù)字化設(shè)計2DCAD-3D/實體造型-參數(shù)化/3DCAD系統(tǒng)-變量化/3DCAD系統(tǒng)-虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展歷程,論述機械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計各發(fā)展階段的的主要特點和發(fā)展趨勢,列舉了若干有代表性的數(shù)字化設(shè)計的最新成果。關(guān)鍵詞:數(shù)字化設(shè)計;計算機;CAD;3D造型中圖分類號:TP391

5、.7文獻標識碼:A文章編號:1002-2333(200712-0037-04Char acter istics and Pr ogr ess of the Digital Design for Mechanical Pr oductsDUAN Xiao-dong,GU Li-zhi(College of Mechanical Engineering and Automation,Huaqiao University,Quanzhou362021,ChinaAbstract:In this paper,the contents of the digital design for the mech

6、anical products is reviewed,the significance and function in industry is pointed out,the inventory of2DCAD-3D/solid modeling-parametric design/3DCADsystem-variavble-design/3DCADsystem-virtual reality of the technique,and characteristics of the digital design in different stages,and development trend

7、s are presented.Finally,some of the updated achievements are listed.Key words:digital design;computer;CAD;3D modeling 從產(chǎn)品設(shè)計的昨天、今天和明天的發(fā)展看,它是從手繪圖到CAD,發(fā)展到虛擬現(xiàn)實,見圖4所示。而它們在各個發(fā)展過程中的重點是不同的,過去注重的是零件,重點放在開發(fā)和制造上;今天注重的是原型,重點放在產(chǎn)品的形成過程;將來注重的是產(chǎn)品,重點放在產(chǎn)品全生命周期。即產(chǎn)品的設(shè)計由點到線再到面的發(fā)展趨勢。3.1二維CAD技術(shù)發(fā)展進入1960年代,CAD技術(shù)隨著在計算機屏幕上繪圖變

8、為可行而開始迅速發(fā)展。人們借助此項技術(shù)來擺脫繁瑣、費時、繪制精度低的傳統(tǒng)手工繪圖。這時CAD技術(shù)的出發(fā)點是用傳統(tǒng)的三視圖方法來表達零件,以圖紙為媒介進行技術(shù)交流,這就是二維計算機繪圖技術(shù),CAD的含義僅僅是圖板的替代品,即Computer Aided Drawing的縮寫。以二維繪圖為主要目標的算法一直持續(xù)到1970年代末期。隨著技術(shù)的發(fā)展,CAD系統(tǒng)參與與介入產(chǎn)品設(shè)計過程的程度越來越深,系統(tǒng)功能越來越強,逐步發(fā)展成為真正的計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)(Computer Aided Design。3.2曲面造型技術(shù)與三維CAD系統(tǒng)發(fā)展1960年代出現(xiàn)的三維CAD系統(tǒng)只是極為簡單的線框式系統(tǒng)。這種初期的線

9、框造型系統(tǒng)只能表達基本的幾何信息,不能有效表達幾何數(shù)據(jù)間的拓撲關(guān)系。由于缺乏形體的表面信息,CAM及CAE均無法實現(xiàn)。1970年代飛機和汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展給三維CAD帶來了良好的機遇,法國達索飛機制造公司在二維繪圖系統(tǒng)的CADAM 的基礎(chǔ)上,開發(fā)出以表面模型為特點的自由曲面建模方法,推出了三維曲面造型系統(tǒng)CATIA,標志著計算機輔助設(shè)計技術(shù)從單純模仿工程圖紙的三視圖模式中解放出來,首次實現(xiàn)以計算機完整描述產(chǎn)品零件的主要信息,同時也使得CAM技術(shù)的開發(fā)有了現(xiàn)實的基礎(chǔ)。曲面造型系統(tǒng)帶來了第一次CAD技術(shù)革命,改變了以往只能借助油泥模型來近似表達曲面的落后工作方式。3.3實體造型技術(shù)與三維CAD系統(tǒng)

10、發(fā)展由于表面模型技術(shù)只能表達形體的表面信息,難以準確表達零件的其它特性,如質(zhì)量、重心、慣性矩等,對CAE 十分不利。在當時星球大戰(zhàn)的背景下,為降低巨大的太空實驗費用,許多專用分析模塊得到開發(fā)?；趯AD/CAE 一體化技術(shù)發(fā)展的探索,SDRC公司于1979年發(fā)布了世界上第一個完全基于實體造型技術(shù)的大型CAD/CAE軟件I-DEAS。實體造型技術(shù)能夠精確表達零件的全部屬性,有助于統(tǒng)一CAD、CAE、CAM的模型表達,給設(shè)計帶來了方便,代表著未來CAD技術(shù)的發(fā)展方向。3.4參數(shù)化技術(shù)與三維CAD系統(tǒng)發(fā)展進入1980年代中期,CV公司提出了一種比無約束自由造型更新穎的算法:“參數(shù)化實體造型方法”。

11、其特點是:基于特征、全尺約束、全數(shù)據(jù)相關(guān)、尺寸驅(qū)動設(shè)計修改。但在參數(shù)化技術(shù)發(fā)展初期,一方面很多技術(shù)難點有待于攻克;另一方面將全部軟件重新改寫又需要大量的開發(fā)工作和投資;因而被CV公司否決。Pro/E是第一個采用參數(shù)化技術(shù)的CAD軟件,第一次實現(xiàn)了尺寸驅(qū)動零件設(shè)計修改。進入1990年代,參數(shù)化技術(shù)變得比較成熟起來,充分體現(xiàn)出其在許多通用零件、零部件設(shè)計上存在的簡便易行的優(yōu)勢。3.5變量化技術(shù)和三維CAD系統(tǒng)發(fā)展參數(shù)化技術(shù)在1990年前后幾乎成為CAD業(yè)界的標準。由于CATIA、CV、UG、EUCLID都在原來的非參數(shù)化模型基礎(chǔ)上開發(fā)或集成了許多其它應(yīng)用,重新開發(fā)一套完全參數(shù)化的造型系統(tǒng)困難很大。

12、因此,它們采用的參數(shù)化系統(tǒng)基本上都是在原有模型技術(shù)的基礎(chǔ)上進行局部、小塊的修補。CV、CATIA、UG在推出自己的參數(shù)化技術(shù)以后,均宣傳采用了復(fù)合建模技術(shù)。復(fù)合建模技術(shù)把線框模型、曲面模型及實體模型疊加在一起,難以全面應(yīng)用參數(shù)化技術(shù)。1990年代以前的SDRC公司已經(jīng)摸索了幾年參數(shù)化技術(shù),在經(jīng)歷采用逐步修補方式還是采用參數(shù)化技術(shù)的探索后,以參數(shù)化技術(shù)為藍本,提出了“變量化技術(shù)”。1990至1993年,SDRC投資1億多美元,將軟件全部重新改寫,推出了全新體系結(jié)構(gòu)的I-DEAS Master Series?？梢?實體造型技術(shù)的普及應(yīng)用標志著CAD發(fā)展史上的第二次技術(shù)革命。進入1980年代中期,C

13、V公司提出了一種比無約束自由造型更新穎、更好的算法參數(shù)化實體造型方法。它具有基于特征、全尺寸約束、全數(shù)據(jù)相關(guān)、尺寸驅(qū)動設(shè)計修改的特征?？梢哉J為,參數(shù)化技術(shù)的應(yīng)用主導(dǎo)了CAD發(fā)展史上的第三次革命。此時眾多CAD/CAM、CAE軟件開發(fā)公司群雄逐鹿。1980年代后期到1990年代,CAD向系統(tǒng)及集成化方向發(fā)展,這將引起CAD發(fā)展史的第四次革命。3.6數(shù)字原型-虛擬現(xiàn)實隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展,特別是機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術(shù)的出現(xiàn),它是1980年代隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一項計算機輔助工程(CAE技術(shù)。工程師在計算機上建立樣機模型,對模型進行各種動態(tài)性能分析,然后改進樣機設(shè)計方案,用數(shù)字化形式

14、代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實物樣機的實驗。運用虛擬樣機技術(shù),可以大大簡化機械產(chǎn)品的實際開發(fā)過程,大幅度縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,大量減少產(chǎn)品開發(fā)費用和成本,明顯提高產(chǎn)品質(zhì)量,提高產(chǎn)品的系統(tǒng)級性能,獲得最優(yōu)化和創(chuàng)新的設(shè)計產(chǎn)品。根據(jù)國際權(quán) 威人士對機械工程領(lǐng)域產(chǎn)品性能試驗和研究開發(fā)手段的統(tǒng)計和預(yù)測,傳統(tǒng)的機械系統(tǒng)實物試驗研究,將在很大程度上會被迅速發(fā)展起來的計算機數(shù)字化仿真技術(shù)取代。虛擬樣機技術(shù)的研究范圍主要是機械系統(tǒng)運動學和動力學分析,其核心是利用計算機輔助分析技術(shù)進行機械系統(tǒng)的運動學和動力學分析,以確定系統(tǒng)及其各構(gòu)件在任意時刻的位置、速度和加速度,同時,通過求解代數(shù)方程引起系統(tǒng)及其各構(gòu)件運動所需的作用力及其反作用力。

15、由于機械系統(tǒng)的種類繁多,虛擬樣機分析軟件在進行機械系統(tǒng)運動學和動力學分析時,還需要融合其它相關(guān)技術(shù)。因此為了充分發(fā)揮各種不同的大型分析軟件的特長,目前它們之間均有數(shù)據(jù)接口,支持其它機械系統(tǒng)計算機輔助工程(MCAE軟件,或者反過來,虛擬樣機軟件的輸入數(shù)據(jù)可以由其它的專用軟件產(chǎn)生。圖5給出了虛擬樣機技術(shù)的相關(guān)技術(shù)。4數(shù)字化設(shè)計技術(shù)發(fā)展趨勢先進制造技術(shù)發(fā)展的總趨勢是精密化、柔性化、虛擬化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、敏捷化、清潔化、集成化及管理的創(chuàng)新,而數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)是先進制造技術(shù)的基礎(chǔ)。隨著計算機技術(shù)的不斷提高,Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及應(yīng)用,以及用戶的需求,CAM、CAE、PDM等技術(shù)的發(fā)展,必將

16、有力促進數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的進一步發(fā)展。數(shù)字化設(shè)計技術(shù)發(fā)展趨勢主要有:(1單項技術(shù)向完善化發(fā)展。在CAD/CAM中的技術(shù)主要有:曲面建模技術(shù)、曲面與實體集成的技術(shù)、實體建模技術(shù)、大型組件設(shè)計技術(shù)等。(2PDM與CAD/CAPP/CAE/CAM、MRP/ERP、OA 的集成技術(shù)。當前和今后一個時期,主要集中在封裝、接口和集成技術(shù)。(3數(shù)字化設(shè)計與虛擬制造的無縫連接?；贑AD 技術(shù)和以計算機支持的仿真技術(shù),形成虛擬的環(huán)境、虛擬的制造過程、虛擬的產(chǎn)品、虛擬的企業(yè),從而大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,提高一次成功率。(4數(shù)字化設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)化。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使得并行協(xié)同異地設(shè)計成為可能,必將極大的拓展強化提高數(shù)字化設(shè)計的效

17、能。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展推動網(wǎng)絡(luò)設(shè)計制造技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用。企業(yè)通過國際互聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)和內(nèi)部網(wǎng),可以實現(xiàn)對世界上任何一地的用戶定單而組建動態(tài)聯(lián)盟企業(yè),進行異地設(shè)計、異地制造,然后在最接近用戶的生產(chǎn)基地制造成產(chǎn)品。(5設(shè)計中的產(chǎn)品協(xié)同商務(wù)CPC。它是基于Internet 和Web技術(shù)的全新解決方案,其內(nèi)容有包括基于Internet的動態(tài)擬實產(chǎn)品模型技術(shù)、基于Internet的數(shù)字模擬及仿真技術(shù)、基于Internet的協(xié)同設(shè)計技術(shù)、基于PDM與Web的工藝設(shè)計(CAPP技術(shù)、敏捷生產(chǎn)系統(tǒng)、基于Internet的制造規(guī)劃評估技術(shù)等。企業(yè)的CPC解決方案就是構(gòu)造一個以數(shù)字化設(shè)計為一端、數(shù)字化營銷為另一

18、端的產(chǎn)品全生命周期的數(shù)碼工廠。5結(jié)語數(shù)字化設(shè)計技術(shù)面世伊始,受到了發(fā)達工業(yè)國家、有關(guān)科研機構(gòu)和大學、世界上許多著名大公司的極大重視,許多著名制造商立即將數(shù)字化設(shè)計技術(shù)引入各自的產(chǎn)品開發(fā)中,取得了非常好的經(jīng)濟效益。我國制造與自動化領(lǐng)域“十五”計劃及2015年遠景規(guī)劃也十分重視數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用,將其列入今后攻關(guān)和推廣的重點方向和關(guān)鍵技術(shù)之一。進入21世紀,制造技術(shù)的發(fā)展將隨著市場的全球化、競爭的激烈化、需求的個性化、生產(chǎn)的人性化而體現(xiàn)出制造技術(shù)的信息化、科學化和服務(wù)化的趨勢。數(shù)字化以其柔性好、響應(yīng)快、質(zhì)量高、成本低,正在成為先進制造技術(shù)的核心。因此,必須從戰(zhàn)略的高度大力開展數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)

19、的研究開發(fā)和加速用數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)改造傳統(tǒng)制造業(yè),這必將對21世紀正在形成的“中國制造”世界制造中心乃至整個世界制造業(yè)產(chǎn)生不可估量的影響和巨大的促進作用。參考文獻1王其芳.三維CAD技術(shù)對機械設(shè)計的影響J.煤礦機械,2007(4:94-96.2徐忠.我國CAD技術(shù)在工程設(shè)計的應(yīng)用和發(fā)展J.西昌學院學院,2006(3:79-80.3程慶和,潘建輝.以數(shù)字化造船促進中國船舶工業(yè)跨越式發(fā)展J.上海造船,2005,54(1:10-12.4王莉娟,寧汝新.數(shù)字化制造中的PDM與CAPP集成技術(shù)J.航空制造技術(shù),2005,31(5:31-34.5李建成.淺析科技型中小企業(yè)的信息化J.CAD/CAM與制

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23、.數(shù)字化設(shè)計中的性能樣機技術(shù)J .飛機工程,2004(3:69-73.21戴國洪,張友良.實現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計與制造的關(guān)鍵技術(shù)J .機床與液壓,2004(3:94-96.22熊光楞,王克明,郭斌.數(shù)字化設(shè)計與虛擬樣機技術(shù)J .CAD/CAM 與制造業(yè)信息化,2004(1:33-34.(編輯昊天作者簡介:段小東(1984-,男,碩士研究生,主要研究方向為計算機應(yīng)用技術(shù),虛擬檢測。顧立志,男,工學博士學位,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向為先進制造技術(shù)。收稿日期:2007-10-24基于Pro/MECHANICA 的競速輪椅模型的有限元分析劉軍,關(guān)天民(大連交通大學,遼寧大連1160281Pr o/MECHA

24、NICA 簡介1.1Pro/MECHANICA 模塊簡介Pro/MECHANICA 是美國PTC(Parametric Technology Coporation ,參數(shù)技術(shù)公司開發(fā)的有限元軟件。Pro/MECHANICA 有集成模式和獨立模式兩種工作模式。該軟件可以實現(xiàn)和Pro/ENGINEER 的完全無縫集成。其主要模塊可以分為Pro/MECHANICA STRUCTURE (結(jié)構(gòu)分析軟件包、Pro/MECHANICA THERMAL (溫度分析軟件包和Pro/MECHANICA MOTION (運動分析軟件包三個部分。本文主要討論如何通過Pro/MECHANICA STRUCTURE 軟

25、件包,在集成工作模式下對三輪競速輪椅的模型進行有限元分析。1.2使用Pro/MECHANICA 的一般過程使用Pro/MECHANICA 進行有限元分析的基本步驟如下。(1建立幾何模型:在Pro /ENGINEER 中創(chuàng)建幾何模型。(2識別模型類型:將幾何模型由Pro/ENGINEER 導(dǎo)入Pro/MECHANICA 中,此步需要用戶確定模型的類型,默認的模型類型是實體模型。(3設(shè)定模型的材料、約束和載荷。(4設(shè)定模型的材料物性。在裝配分析中,可以為不同的零件分配不同的材料屬性。在應(yīng)力分析中,必需的材料特性是楊氏模量和泊松比。(5為模擬模型在現(xiàn)實中的功能,必須設(shè)定模型的約束。定義約束就是限制模型的自由度個數(shù)。(6設(shè)定模型載荷(載荷種類有:點載荷、邊載荷以及面壓力載荷等。(7有限元網(wǎng)格劃分:由Pro/MECHANICA 中的AutoGEM (自動網(wǎng)格劃分器工具完成有限元網(wǎng)格的自動劃分。(8定義分析任務(wù),運行分析:首先建立分析任務(wù),然后Pro/MECHANICA 進行錯誤檢查,進行計算,生成計算結(jié)果數(shù)據(jù)和計算過程信息。(9根據(jù)設(shè)計變量計算較感興趣的項目。(10圖形顯示計算結(jié)果:可以顯示變形情況、應(yīng)力分布以及模態(tài)振型等計算結(jié)果。2利用Pr o/MECHANICA 進行競速輪椅的有限元分析2.1