三維軟件的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景

1、三 維 軟 件 的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景 工學(xué)院機(jī)械系 08機(jī)電一班 080105025 龐宇江 2011年6月 三維軟件CAD/CAM是在三維軟件CAD和三維軟件CAM分別發(fā)展的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它是計(jì)算機(jī)技術(shù)在三維軟件生產(chǎn)中綜合應(yīng)用的一個(gè)新的飛躍。三維軟件CAD/CAM是改造傳統(tǒng)三維軟件生產(chǎn)方式的關(guān)鍵技術(shù)，是一項(xiàng)高科技、高效益的系統(tǒng)工種。它以計(jì)算機(jī)軟件的形式，為用戶提供一種有效的輔助工具，使工種技術(shù)人員能借助于計(jì)算機(jī)對(duì)產(chǎn)品、三維軟件結(jié)構(gòu)、成形工藝、數(shù)控加工及成本等進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。三維軟件CAD/CAE在技術(shù)的迅猛發(fā)展，軟件，硬件水平的進(jìn)一步完善，為三維軟件工業(yè)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，為企業(yè)的產(chǎn)

2、品設(shè)計(jì)，制造和生產(chǎn)水平的發(fā)展帶來(lái)了質(zhì)的飛躍，已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)信息化，集成化、網(wǎng)絡(luò)化的最優(yōu)選擇。 一 、三維軟件CAD/CAM發(fā)展概況 三維軟件CAD/CAM的發(fā)展?fàn)顩r符合通用CAD/CAM 軟件的發(fā)展進(jìn)程。目前通用CAD/CAM 軟件的發(fā)展現(xiàn)狀如下:CAD技術(shù)經(jīng)歷了二維平面圖形設(shè)計(jì)，交互式圖形設(shè)計(jì)、三維線框模型設(shè)計(jì)、三維實(shí)體造型設(shè)計(jì)、自由曲面造型設(shè)計(jì)、參數(shù)化設(shè)計(jì)、特征造型設(shè)計(jì)等發(fā)展過(guò)程。近年來(lái)又出現(xiàn)了許多先進(jìn)技術(shù)，如變量化技術(shù)、虛擬產(chǎn)品建模技術(shù)等。隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，智能化(intelligent)、協(xié)同化(collaborative )、集成化(integrated)成為技術(shù)新的發(fā)展特點(diǎn)，使C

3、AD技術(shù)得以更廣泛的應(yīng)用，發(fā)展成為支持協(xié)同設(shè)計(jì)、異地設(shè)計(jì)和信息共享的網(wǎng)絡(luò)CAD。 二、三維軟件CAD/CAM的特點(diǎn) 一個(gè)穩(wěn)定的、可以滿足實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)需要的三維軟件CAD/CAM系統(tǒng)應(yīng)該具備下列特點(diǎn): (l)三維軟件CAD/CAM系統(tǒng)必須具備描述物體幾何形狀的能力。三維軟件設(shè)計(jì)中因?yàn)槿S軟件的工作部分(如拉深模、鍛模和注射模的型腔)是根據(jù)產(chǎn)品零件的形狀設(shè)計(jì)的。所以無(wú)論設(shè)計(jì)什么類型的三維軟件，開(kāi)始階段必須提供產(chǎn)品零件的幾何形狀。否則，就無(wú)法輸人關(guān)于產(chǎn)品零件的幾何信息，設(shè)計(jì)程序便無(wú)法運(yùn)行。另外，為了編制NC加工程序，計(jì)算刀具軌跡，也需要建立三維軟件零件的幾何模型。因此，幾何造型是三維軟件CAD/CA

4、M中的一個(gè)重要問(wèn)題。 (2)標(biāo)準(zhǔn)化是實(shí)現(xiàn)三維軟件CAD的必要條件。三維軟件設(shè)計(jì)一般不具有唯一性。為了便于實(shí)現(xiàn)三維軟件CAD，減少數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量，在建立三維軟件CAD系統(tǒng)時(shí)首先要解決的問(wèn)題便是標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題，包括設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的標(biāo)準(zhǔn)化、三維軟件零件和三維軟件結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化。有了標(biāo)準(zhǔn)化的三維軟件結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)三維軟件時(shí)可以選用典型的三維軟件組合，調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)三維軟件零件，需要設(shè)計(jì)的只是少數(shù)工作零件。 (3)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的處理是三維軟件CAD中的一個(gè)重要問(wèn)題。人工設(shè)計(jì)三維軟件所依據(jù)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則大部分是以數(shù)表和線圖形式給出的。 三、三維軟件CAD/CAM的優(yōu)勢(shì) 計(jì)算機(jī)與設(shè)計(jì)人員交互作用，有利于發(fā)揮人機(jī)各自的特長(zhǎng)，使三維軟件設(shè)計(jì)

5、和制造工藝更加合理化。系統(tǒng)采用的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法有助于某些工藝參數(shù)和三維軟件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。 (1) CAD/CAM可以節(jié)省時(shí)間，提高生產(chǎn)率。設(shè)計(jì)計(jì)算和圖樣繪制的自動(dòng)化大大縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間。CAD與CAM的一體化可顯著縮短從設(shè)計(jì)到制造的周期。 (2) CAD/CAM可以較大幅度地降低成本。計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算和自動(dòng)繪圖大大節(jié)省了勞動(dòng)力。優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來(lái)了原材料的節(jié)省，例如，沖壓件的毛坯優(yōu)化排樣可使材料利用率提高5?7鋝捎肅AM可加工傳統(tǒng)方法難以加工的復(fù)雜三維軟件型面，可減少三維軟件的加工和調(diào)試工時(shí)，使制造成本降低。CAD/CAM的經(jīng)濟(jì)效益有些可以估算、有些則難以估算。由于采用CAD/CAM術(shù)，生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間縮短，

6、產(chǎn)品更新?lián)Q代加快，大大增強(qiáng)了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。(3) CAE/CAM技術(shù)將技術(shù)人員從繁冗的計(jì)算、繪圖和NC編程工作中解放出來(lái)，使其可以從事更多的創(chuàng)造性勞動(dòng)。 (4) 隨著塑性成形過(guò)程計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的提高，三維軟件CAD/CAM/CAE一體化技術(shù)可以大大增加三維軟件的可靠性，減少直至不需要試模修模過(guò)程，提高三維軟件設(shè)計(jì)、制造的一次成功率。 四 、三維軟件行業(yè)采用三維軟件CAD/CAM技術(shù)的原因 傳統(tǒng)的三維軟件設(shè)計(jì)與制造方法不能適應(yīng)工業(yè)產(chǎn)品迅速更新?lián)Q代和提高質(zhì)量的要求。因此國(guó)內(nèi)外企業(yè)紛紛采用三維軟件CAD/CAM技術(shù)。三維軟件行業(yè)采用三維軟件CAD/CAM技術(shù)的主要理由是: (1) 利用幾何造型

7、技術(shù)獲得的幾何模型可供后續(xù)的設(shè)計(jì)分析和數(shù)控編程等方面使用。 (2) 可以縮短新產(chǎn)品的試制周期，例如在汽車工業(yè)中，可縮短三維軟件的設(shè)計(jì)制造周期。 (3) 提高產(chǎn)品質(zhì)量的需要，如汽車車身表面等形狀，需要利用計(jì)算機(jī)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)和完成隨后的制造工作。 (4) 三維軟件制造廠和用戶對(duì)CAD/CAM的需要增加。例如，利用磁盤進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，用戶要求三維軟件制造單位能夠交換信息和處理這些數(shù)據(jù)。 (5) 三維軟件加工設(shè)備的效率不斷提高，需要計(jì)算機(jī)輔助處理數(shù)據(jù)，以提高設(shè)備利用率。 (6) 在企業(yè)中建立聯(lián)系各個(gè)部門的信息處理系統(tǒng)。 五 、三維軟件CAD/CAM技術(shù)在模典行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀 三維軟件 CAD/CAM技術(shù)發(fā)展很

8、快。應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。在沖模、鍛模、擠壓模、注射模和壓鑄模等方面都有比較成功的CAD/CAM系統(tǒng)。采用CAD/CAM技術(shù)是三維軟件技術(shù)、生產(chǎn)革新化的措施，是三維軟件技術(shù)發(fā)展的一個(gè)顯著特點(diǎn)。 目前我國(guó)三維軟件行業(yè)應(yīng)用的三維軟件CAD/CAM軟件可以分為兩大類:一是機(jī)械行業(yè)內(nèi)通用的的CAD/CAM，如前面介紹的Unigraphics(UG)、SOLIDEDGE、AutoCAD、SolidWorks 、Pro/Engneer等。二是專門針對(duì)三維軟件行業(yè)開(kāi)發(fā)的三維軟件CAD/CAM系統(tǒng)，如:上海交大三維軟件CAD國(guó)家工程中心開(kāi)發(fā)的冷沖模CAD系統(tǒng)等。 (1) 國(guó)外三維軟件CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

9、工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家較大的三維軟件生產(chǎn)廠家在CAD/CAM上進(jìn)行了較大的投資，正大力開(kāi)發(fā)這一技術(shù)。目前，應(yīng)用CAD/CAM技術(shù)較普遍的為美、日、德等國(guó)。例如，日本豐田汽車公司于1965 年將數(shù)控用于三維軟件加工。20世紀(jì)80 年代初期開(kāi)始采用覆蓋件沖模CAD/CAM系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括設(shè)計(jì)覆蓋件的NTDFB和CADEIT軟件和加工凸、凹模的TINCA軟件。利用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量粘土模型，并將數(shù)據(jù)送人計(jì)算機(jī)。將所得圖形經(jīng)平滑處理后，再把這些數(shù)據(jù)用于覆蓋件設(shè)計(jì)、沖模的設(shè)計(jì)與制造。該系統(tǒng)有較強(qiáng)的三維圖形功能，可在屏幕上反復(fù)修改曲面形狀，使工件在沖壓成形時(shí)不致產(chǎn)生工藝缺陷，從而保證了三維軟件和工件的質(zhì)量。三維軟件型

10、面的模型保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，TINCA軟件可利用這些數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維軟件型面的數(shù)控加工。(2) 國(guó)內(nèi)三維軟件CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀 經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，在國(guó)內(nèi)的三維軟件生產(chǎn)中，CAD/CAM技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。三維軟件行業(yè)已引進(jìn)相當(dāng)數(shù)量的國(guó)外CAD/CAE系統(tǒng)， 如: Unigraphics(UG)、SOLIDEDGE、AutoCAD、SolidWorks、Pro/Engineer等。并配置了運(yùn)行速度快、性能高的計(jì)算機(jī)。 但是對(duì)于國(guó)內(nèi)一些大型三維軟件企業(yè)，它們的CAD/CAM應(yīng)用狀況多停留在從國(guó)外購(gòu)買先進(jìn)的CAD/CAM系統(tǒng)和設(shè)備，但在其上進(jìn)行的二次開(kāi)發(fā)較少，資源利用率低;對(duì)于國(guó)內(nèi)一些中小

11、型三維軟件企業(yè)，它們的CAD/CAM應(yīng)用很少，有些僅停留在以計(jì)算機(jī)代替畫板繪圖。所以有必要改善國(guó)內(nèi)三維軟件企業(yè)的CAD/CAM應(yīng)用狀況，使它們真正做到快速、準(zhǔn)確地對(duì)市場(chǎng)做出反應(yīng)，并使制造的三維軟件產(chǎn)品質(zhì)量高、成本低，即達(dá)到敏捷制造的目的。 六 、我國(guó)三維軟件CAD/CAM軟件自主開(kāi)發(fā)和二次開(kāi)發(fā)情況 我國(guó)三維軟件CAD/CAE的開(kāi)發(fā)開(kāi)始于20 世紀(jì)70年代末，發(fā)展也很迅速。在微機(jī)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)CAD/CAM軟件方面我國(guó)與國(guó)外起點(diǎn)差不多，都是使用Visual C ，OpenGL等工具進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，國(guó)內(nèi)許多高校、軟件公司和企業(yè)在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出了先進(jìn)的，有自己特色，符合中國(guó)用戶習(xí)慣的CAD/CAE軟件或模

12、塊，其中有一些成果已經(jīng)得到了推廣和使用。國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)適合三維軟件行業(yè)的CAD/CAM軟件，主要采用兩種途徑在現(xiàn)有CAD/CAM平臺(tái)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)和開(kāi)發(fā)擁有自主版權(quán)的CAD/CAM系統(tǒng)。 (1) 基于現(xiàn)有三維軟件CAD/CAM平臺(tái)二次開(kāi)發(fā)成果 華中科技大學(xué)1997推出了HSC2.0注射模CAD/CAE/CAM集成系統(tǒng)，HSC2.0系統(tǒng)以AUTOCAD 軟件包為圖形支撐平臺(tái)，包括三維軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)子系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)計(jì)算較核子系統(tǒng)，塑料流動(dòng)、冷卻等子系統(tǒng)等。合肥工業(yè)大學(xué)基于AUTOCAD與MDT的三維參數(shù)化注射模系統(tǒng)IPMCADV4.0。 (2) 自行開(kāi)發(fā)的擁有自主版權(quán)的模其CAD/CAM系統(tǒng) 由北京

13、北航海爾軟件有限公司推出的三維電子圖板和CAXAME制造工程師2000，能進(jìn)行3D零件設(shè)計(jì)與NC加工，其特點(diǎn)是基于3D參數(shù)化的特征設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)體、曲面和NC加工的協(xié)調(diào)與統(tǒng)一。上海交通大學(xué)中模公司開(kāi)發(fā)的金屬塑性成型三維有限元仿真系統(tǒng)，其剛(粘)塑性有限元分析器和動(dòng)態(tài)邊界處理技術(shù)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。吉林金網(wǎng)格三維軟件工程研究中心所開(kāi)發(fā)的沖壓三維軟件CAD/CAE/CAM一體化系統(tǒng)。浙江大天電子信息工程有限公司開(kāi)發(fā)的基于特征的參數(shù)化造型系統(tǒng)GS一CAD98。金銀花(Lonicera)系統(tǒng)是由廣州紅地技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的基于STEP標(biāo)準(zhǔn)的CAD/CAM系統(tǒng)。開(kāi)目CAD是華中理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院開(kāi)發(fā)的具有自

14、主版權(quán)的基于微機(jī)平臺(tái)的CAD和圖紙管理軟件。中科院凱思軟件集團(tuán)及北京凱思博宏應(yīng)用工程公司開(kāi)發(fā)了具有自主版權(quán)的PICAD系統(tǒng)及系列軟件。這些軟件已經(jīng)在許多三維軟件行業(yè)中的企業(yè)得到推廣和應(yīng)用。七 、我國(guó)三維軟件CAD/CAM軟件應(yīng)用與開(kāi)發(fā)中存在的主要不足 近幾年來(lái)，我 國(guó)CAD/CAM系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用取得了一些成績(jī)，國(guó)內(nèi)已初步形成了CAD/CAM 商品化軟件市場(chǎng)。在CAD/CAM軟件應(yīng)用與開(kāi)發(fā)存在的不足主要有以下幾點(diǎn): (l) 不少的企業(yè)對(duì)CAD的認(rèn)識(shí)還僅僅停留在繪圖階段，缺乏設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)理論的指導(dǎo)，從而使CAD產(chǎn)生的效益尚未得到充分發(fā)揮。 (2) CAD/CAM軟件應(yīng)用人員層次不齊，不能讓CA

15、D軟件得到的高效率應(yīng)用。 (3) 在引進(jìn)三維軟件CAD/CAM技術(shù)時(shí)存在著盲目性傾向，許多企業(yè)沒(méi)有充分考慮各種CAD/CAM軟件的特點(diǎn)，購(gòu)買回來(lái)的CAD/CAM軟件不能完全適用于本企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)工作。 (4) 引進(jìn)的三維軟件CAD/CAE系統(tǒng)的二次開(kāi)發(fā)跟不上，致使引進(jìn)軟件的效率不能完全發(fā)揮。 (5) 國(guó)內(nèi)三維軟件CAD/CAM技術(shù)水平還處于高技術(shù)集成和向產(chǎn)業(yè)化、商品化過(guò)渡的時(shí)期，自主開(kāi)發(fā)的三維軟件CAD/CAM系統(tǒng)商品化程度不夠高，功能和穩(wěn)定方面與國(guó)外先進(jìn)軟件還有很大差距。 (6) 我國(guó)CAD技術(shù)開(kāi)發(fā)創(chuàng)新少、仿制多。沒(méi)有創(chuàng)新就沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力，只仿制就不能開(kāi)發(fā)出有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。從我國(guó)二維CAD到目前研制的三維CAD都存在這一問(wèn)題。 (7) 我國(guó)CAD軟件的開(kāi)發(fā)缺乏理論和算法的研究。CAD技術(shù)是一項(xiàng)綜合性的高新技術(shù)，涉及面廣而復(fù)雜，技術(shù)變化快，競(jìng)爭(zhēng)激烈。 (8) 信息集成技術(shù)落后。信息技術(shù)的廣泛集成是以產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)和過(guò)程管理(PM)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP/CAM和ERP的有機(jī)集成，在并行工程中PDM也是重要的基礎(chǔ)。因此，這類基礎(chǔ)性軟件也被國(guó)外的系統(tǒng)占領(lǐng)了市場(chǎng)。而我們的CAD