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CAD在現(xiàn)代工程設(shè)計及虛擬制造應(yīng)用
隨著中國加入WTO,所有國內(nèi)企業(yè)都面臨著市場競爭的國際化挑戰(zhàn),如何能使企業(yè)在競爭中繼續(xù)保持優(yōu)勢,是所有企業(yè)亟待解決的問題。企業(yè)的核心競爭力最終取決于其新產(chǎn)品的市場響應(yīng)能力,要在激烈的全球化競爭中獲得生存和發(fā)展,應(yīng)用CAD/CAM/CAPP/PDM/ERP等先進的信息化工具是企業(yè)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急和根本出路。CAD技術(shù)是產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的重要工具和核心技術(shù),也是企業(yè)信息化工程的切入點,討論現(xiàn)代設(shè)計中最具活力的計算機輔助設(shè)計(CAD)技術(shù)的發(fā)展方向,對于把握現(xiàn)代機械工程設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域的新動向,開發(fā)和使用新方法、新技術(shù),改革傳統(tǒng)設(shè)計模式等,具有一定的意義。
1 虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用
目前,虛擬制造技術(shù)已經(jīng)在國外有所應(yīng)用,國內(nèi)的研究卻剛剛起步,其運用主要集中在以下三個方面。
1.1 產(chǎn)品虛擬設(shè)計技術(shù)
主要包括虛擬產(chǎn)品開發(fā)平臺、虛擬測試、虛擬裝配以及機床、模具的虛擬設(shè)計實現(xiàn)等,其中,清華大學(xué)利用美國國家儀器公司的Labview開發(fā)平臺實現(xiàn)了鎖相電路的虛擬;機械科學(xué)研究院采用c語言和OpenGL進行編程初步實現(xiàn)了立體停車庫的虛擬現(xiàn)實下的參數(shù)化設(shè)計,可以直觀地進行車庫的布局、設(shè)計、分析和運動模擬。
1.2 產(chǎn)品虛擬制造技術(shù)
主要包括材料熱加工工藝模擬、加工過程仿真、板材成型模擬、模具制造仿真等。北航與一汽用OPllRIS開發(fā)的板料成型軟件已經(jīng)基本能夠模擬類似車門的中等復(fù)雜程度的汽車覆蓋件和其他沖壓成型件的沖壓成型過程;合肥工業(yè)大學(xué)研制的雙刀架數(shù)控車床加工過程模擬軟件已經(jīng)在馬鞍山鋼鐵股份有限公司車輪輪箍廠應(yīng)用,使數(shù)控程序現(xiàn)場調(diào)試時間縮短到幾小時,并保證一次試切成功;北京機床研究所、機械科學(xué)研究院、東北大學(xué)、上海交大和長沙鐵道學(xué)院等單位也研制出了一些這方面的仿真軟件。
1.3 虛擬制造系統(tǒng)
主要包括虛擬制造技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)、技術(shù)支持、開發(fā)策略等,其中提出了比較成熟的思想并可能實現(xiàn)的是由上海同濟大學(xué)張曙教授提出的分散網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)系統(tǒng)和西安交通大學(xué)謝友柏院士組建的異地網(wǎng)絡(luò)化研究中心。
從以上的論述中可以看到,國內(nèi)外研究水平差距較大,而且由于虛擬制造技術(shù)既是并行工程的發(fā)展方向又是敏捷制造的核心,這就決定我們必須以它作為現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的中心技術(shù),以帶動相關(guān)技術(shù)的研究工作的進行,并使它們協(xié)同一致順利地發(fā)展。
2 現(xiàn)代機械工程設(shè)計的特征
機械設(shè)計是為實現(xiàn)某一使用功能,同時考慮其運動可能性、制造可能性、經(jīng)濟可能性,從而構(gòu)思一種具有一定創(chuàng)新性的機械產(chǎn)品的過程。
傳統(tǒng)的機械設(shè)計技術(shù)受低劣的設(shè)備條件和落后的技術(shù)方法所限,只能在保守的觀念下,依據(jù)粗略的驗算甚至估計,通過大量的簡化和靜止化假設(shè)完成機械工程設(shè)計,因此它必然使設(shè)計存在隨意性,對個人的經(jīng)驗和習(xí)慣的依賴性極大,極難實現(xiàn)合理、準確和高效的設(shè)計。
現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)充分利用了當(dāng)今迅速發(fā)展起來的計算機技術(shù)、計算技術(shù)、應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)、電子學(xué)、測試和分析技術(shù),使設(shè)計技術(shù)有可能從經(jīng)驗的、靜止的和隨意性很大的傳統(tǒng)設(shè)計變?yōu)榛谟嬎銛?shù)據(jù)、知識工程或?qū)<蚁到y(tǒng)的、動態(tài)的現(xiàn)代設(shè)計,這需要充分收集、分析和檢索必要的信息,快速的數(shù)值運算和方案尋優(yōu),因而必然大規(guī)模地使用CAD技術(shù)和人工智能技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等。
3 虛擬制造及其特點
由于信息技術(shù)的發(fā)展給制造業(yè)帶來了新的生機,因此各種新型制造技術(shù)應(yīng)運而出,其中,最有影響的是滿足客戶的個性化需求的敏捷制造系統(tǒng)。敏捷制造是基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)與機械制造技術(shù)的結(jié)合所產(chǎn)生的虛擬制造系統(tǒng),它利用計算機仿真和虛擬現(xiàn)實技術(shù),在計算機上模擬出產(chǎn)品的整個生命周期,即從產(chǎn)品設(shè)計、加工制造、性能分析、生產(chǎn)管理和調(diào)度、銷售及售后服務(wù)做出綜合評價,以增強制造過程各個層次的決策與控制能力。虛擬制造具有虛擬性、數(shù)字化集成性、分布性和依賴于真實制造等特性,虛擬制造技術(shù)為制造業(yè)帶來的好處是不言而喻的。
該技術(shù)生產(chǎn)前可在不消耗資源和能量的情況下,驗證生產(chǎn)方案:
①針對實際過程,建模能可靠地估計生產(chǎn)成本和費用,加深對生產(chǎn)過程和制造系統(tǒng)的認識和理解;
②建模與仿真技術(shù)的應(yīng)用可極大地提高生產(chǎn)柔性,降低固定成本;
③可靠地預(yù)測成本、風(fēng)險和進度,大大提高決策水平;
④加強企業(yè)技術(shù)人員的設(shè)計能力,提高企業(yè)競爭能力。
國內(nèi)外對虛擬制造已有大量的研究,其模型主要有三種:以設(shè)計為中心的虛擬制造模型、以生產(chǎn)制造為中心的虛擬制造模型和以控制為中心的虛擬制造模型,在現(xiàn)有的虛擬制造系統(tǒng)的設(shè)計中,大多注重虛擬現(xiàn)實中的幾何建漠,即基于特征造型的虛擬制造,或利用已有的CAD/CAM軟件進行計算機輔助設(shè)計和輔助制造的方式構(gòu)造虛擬制造系統(tǒng)。
4 產(chǎn)品對CAD軟件功能的需求
不同企業(yè)因產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)方式和組織管理形式不同,對CAD軟件的功能有不同需求,從大多數(shù)企業(yè)對CAD的應(yīng)用情況來看,其需求功能大致有如下幾種:
①計算機二維繪圖。“甩掉圖板”把科技人員從繁瑣的手工繪圖中解放出來,是CAD應(yīng)用于工程設(shè)計的主要目標,也是CAD技術(shù)的最基本功能。
②計算機輔助工藝設(shè)計(CAPP)。生產(chǎn)工藝是企業(yè)從設(shè)計到加工的橋梁,CAPP軟件應(yīng)具有工藝設(shè)計、工藝設(shè)計任務(wù)管理、材料定額管量等功能,實現(xiàn)工藝過程標準化,保證獲得高質(zhì)量的工藝規(guī)程,提高企業(yè)工藝編制的效率和標準化。
③三維設(shè)計,裝配設(shè)計,曲面設(shè)計,鈑金設(shè)計,有限元設(shè)計,機構(gòu)運動仿真,注塑分析,數(shù)控加工等三維CAD/CAM功能,可以解決企業(yè)的三維設(shè)計、虛擬設(shè)計與裝配、機構(gòu)運動分析、應(yīng)力應(yīng)變分析、鈑金件的展開和排樣等問題,使企業(yè)走向真正的CAD設(shè)計。
④產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)。復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計和開發(fā),不僅要考慮產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)結(jié)果,而且必須考慮產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程的管量與控制,管量產(chǎn)品生命周期的所有數(shù)據(jù) (包括圖紙技術(shù)文檔)以及產(chǎn)品開發(fā)的工藝過程,使用CAD、CAPP、CAM等系統(tǒng)實現(xiàn)的數(shù)據(jù)共享,可使產(chǎn)品設(shè)計工作規(guī)范化保持一致性,保證圖紙、工藝卡、加工代碼、技術(shù)資料等的安全性。
⑤企業(yè)的應(yīng)用軟件。企業(yè)在引進二維或三維CAD/CAPP/CAE/CAM/PDM的基礎(chǔ)上,還針對本企業(yè)的技術(shù)特征所進行的二次開發(fā),如漢化、廠標、行業(yè)標庫建設(shè)、圖庫的擴充等等,有的企業(yè)還根據(jù)本企業(yè)產(chǎn)品的特點,建立了分析、仿真優(yōu)化、成本分析等專用或?qū)I(yè)CAD系統(tǒng),并和CAD系統(tǒng)集成,形成本企業(yè)的CAD系統(tǒng),這使他們在產(chǎn)品設(shè)計初期,就得以了解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點和性能,并利用理論設(shè)計、經(jīng)驗設(shè)計和專家系統(tǒng)等人工智能技術(shù),將設(shè)計缺陷消除在初始階段。這使CAD設(shè)計源于傳統(tǒng)設(shè)計又高于傳統(tǒng)設(shè)計,并最終走向智能設(shè)計。
5 虛擬制造過程
5.1 虛擬設(shè)計的模型設(shè)計
虛擬制造是基于產(chǎn)品生命周期的整個過程的概念。對于客戶提出的對要購買的商品要求,設(shè)計人員在充分聽取客戶意見后進行分析歸納,了解清楚產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)、性能,根據(jù)分析的結(jié)果進行產(chǎn)品虛擬設(shè)計、虛擬加工工藝設(shè)計、虛擬生產(chǎn)加工之后,進行虛擬裝配和產(chǎn)品的仿真,然后經(jīng)客戶確認后則進行實際制造,否則修改設(shè)計方案直至客戶滿意。其過程如圖1所示。
圖1 虛擬制造加工的過程流程圖
以設(shè)計為中心的虛擬制造的核心思想是:利用制造仿真來優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計,從而在設(shè)計階段就可以對所設(shè)計的零件和整機的強度、剛度、疲勞、穩(wěn)定、動態(tài)平衡等進行綜合性能優(yōu)化設(shè)計,加工過程的工藝分析,鑄造過程的熱力學(xué)分析,運動部件的運動學(xué)分析,動力學(xué)分析及機件的可制造性分析,加工過程的人、財、物優(yōu)化組合,系統(tǒng)裝配的合理性分析等,其核心問題是虛擬設(shè)計過程的建模。其次,虛擬制造的設(shè)計工作應(yīng)該遵循人工真實設(shè)計的過程,因此,它的設(shè)計也應(yīng)該應(yīng)用自頂向下和自底向上的設(shè)計原則,可以先從整體到局部和零件,也可以從零件和局部到整體的設(shè)計。為了實現(xiàn)產(chǎn)品的虛擬設(shè)計,將設(shè)計模型的體系結(jié)構(gòu)(如圖2)設(shè)計為三層,根據(jù)機構(gòu)特點不同,機構(gòu)模型還可以分成子機構(gòu)、父機構(gòu)、……、多層機構(gòu)模型,以模塊化的設(shè)計思想來進行設(shè)計,這樣既可以有效地分散建模的難度,又能使其保持模型的完整性,各層模型的數(shù)據(jù)可共享和相互通信。由于建模中要滿足不同目的,故各層可采用集成建模方式來完成。另外,由于虛擬現(xiàn)實的需要,各層模型里都應(yīng)有交互接口,人可以隨時干預(yù)設(shè)計的生成,使模型的修改、重構(gòu)更易實現(xiàn)。
圖2 虛擬設(shè)計的體系結(jié)構(gòu)
5.2 元模型及建模方法
虛擬設(shè)計的第一層為基礎(chǔ)層,為通用零件設(shè)計,采用標準化設(shè)計方法,如齒輪、螺栓、螺紋等零部件的設(shè)計,可用理論計算、經(jīng)驗公式、循環(huán)修改、有限元法、邊界元法、分布參數(shù)、實驗推理等知識,實現(xiàn)計算機自動進行常規(guī)設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計,當(dāng)然在此設(shè)計過程中要用到各種國家標準和準則,應(yīng)將設(shè)計時用到的國標和材料參數(shù)圖表集作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫,以便進行調(diào)用。每個零件的模型實際上是一個小的專家系統(tǒng),根據(jù)不同零件設(shè)計要求進行強度、剛度、疲勞、穩(wěn)定、動態(tài)平衡等設(shè)計,其結(jié)果是形成反映零件的形狀、功能、行為、意圖等屬性的特征數(shù)據(jù)。然后,據(jù)此數(shù)據(jù)利用圖形學(xué)的不同算法,如多邊三角形的頂點法、各種曲面曲線的樣條法等,并采用適當(dāng)?shù)墓庹?,建立零件的幾何造型及物理模型,再根?jù)材料參數(shù)進行表面紋理映射、渲染,即形成某零件的元模型。如圖3所示。若將現(xiàn)有標準件和某些常用非標件的模型建立起來,即可形成一個元模型庫。
圖3 元模型的建模
5.3 機構(gòu)模型設(shè)計
有了各種零件的元模型后,與實際制造一樣,要由零件構(gòu)造機構(gòu),又由子機構(gòu)構(gòu)造父機構(gòu)。將現(xiàn)有的實際機構(gòu)分類分級,不同機構(gòu)可能有不同的類、級、層,然后對其進行機構(gòu)建模。機構(gòu)模型呈樹形,機構(gòu)模型要調(diào)用零件元模型的數(shù)據(jù),元模型為葉結(jié)點,父機構(gòu)要用到子機構(gòu)模型的數(shù)據(jù),再上層的爺結(jié)點調(diào)用父結(jié)點的數(shù)據(jù),依此類推,一直到一個獨立的部件或產(chǎn)品的獨立部分為止,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 機構(gòu)模型樹形結(jié)構(gòu)圖
5.4 產(chǎn)品模型設(shè)計
產(chǎn)品模型作為產(chǎn)品在計算機上的表示和產(chǎn)品信息的載體,是虛擬制造中虛擬設(shè)計的目標,在機構(gòu)模型的基礎(chǔ)上,建立整個產(chǎn)品系統(tǒng)模型,一般情況下,系統(tǒng)分為幾大模塊,因為不同領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品信息的視角和抽象層次不同,需根據(jù)不同類型產(chǎn)品建立不同類型的模型。如機電產(chǎn)品的模型有動力模塊、電氣控制模塊、轉(zhuǎn)動變速模塊、執(zhí)行模塊等,對產(chǎn)品模型來說,不但要求有機構(gòu)模型中要求的對各大模塊的動力學(xué)、運動學(xué)、電氣性能的描述,還要有對整個產(chǎn)品性能、運動誤差、精度、剛度、質(zhì)量評估等各種描述。雖然產(chǎn)品模型也要注意各主要零部件的性能和質(zhì)量指標,但產(chǎn)品模型主要關(guān)心的是產(chǎn)品的綜合性能、質(zhì)量和安全要求,既要反映產(chǎn)品外形的特征,又要反映產(chǎn)品的主要功能及其它次要性能特征,它是最高一層的模型。
產(chǎn)品模型既要在機構(gòu)模型基礎(chǔ)上繼承、綜合、提煉、歸納、抽象各模塊的信息,又要為產(chǎn)品的性能仿真和虛擬裝配提供直接的信息基礎(chǔ)。要檢驗產(chǎn)品是否滿足預(yù)定的要求,必須進行仿真和虛擬裝配。虛擬裝配是為了檢驗產(chǎn)品的各零部件、機構(gòu)和整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理,其可裝配性、可制造性是否滿足要求;性能仿真是為了檢驗產(chǎn)品各方面的性能是否滿足預(yù)定要求,因此,各種基于不同目的的仿真和虛擬裝配都要有自己獨立的模型。當(dāng)然,裝配模型和仿真模型與前敘的元模型、機構(gòu)模型和產(chǎn)品模型肯定有著直接的聯(lián)系,尤其是數(shù)據(jù)的共享和關(guān)聯(lián)是不可分的。
6 結(jié)論
虛擬制造是現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的基本應(yīng)用,是現(xiàn)代企業(yè)管理信息和多種制造技術(shù)信息的集成,除虛擬設(shè)計外,虛擬工藝設(shè)計、虛擬設(shè)備管理與生產(chǎn)調(diào)度、虛擬生產(chǎn)加工、虛擬裝配等都有待研究,即便是虛擬制造中虛擬設(shè)計問題也還有許多問題需深入研究,如虛擬制造的虛擬集成環(huán)境建立、各種文件的規(guī)劃管理、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的建立等,需要國家、行業(yè)和社會各方面的專家共同努力。(萬方數(shù)據(jù))
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