本文就裝備制造業(yè)的振興與三維 CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用談一點(diǎn)看法，以供業(yè)內(nèi)同行借鑒參考。

一、CAD技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)狀

所有的設(shè)計(jì)都要畫圖，這是因?yàn)楣こ處煙o法完毅記住自己所作設(shè)計(jì)中的全部細(xì)節(jié) (那怕是較簡單的)，用文字記載也不完整，因此圖形表達(dá)就是唯一的方法。這些圖首先是給設(shè)計(jì)者自己看，為了記住和研究設(shè)計(jì)構(gòu)思:其次是給別的工程師看，為 了互相討論交流:最后是為了給制造者看，為了將設(shè)計(jì)意圖變成實(shí)物。在設(shè)計(jì)的全過程中.原始構(gòu)思是三維 (3D)實(shí)體，這也是毫無疑問的。但是，在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，這兩者之間的信息傳遞竟然完全依靠二維(2D)的圖形表達(dá)。以AutoCAD為代表的2D圖形數(shù)  字化軟件對于CAD技術(shù)在我國的普及應(yīng)用起到了重要的作用，也為今天CAD技術(shù)的發(fā)展奠定了十分必要的技術(shù)基礎(chǔ)。

然而2D機(jī)械CAD技術(shù)沒能解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一些問題，對提高設(shè)計(jì)質(zhì)量的作用有限，那么影響設(shè)計(jì)質(zhì)量和效益的一些問題是什么?筆者認(rèn)為有以下幾點(diǎn):

1、復(fù)雜的投影線生成

對于繪制鑄鍛件毛坯的零件圖，輪廓的相貫線和截交線畫不明白，設(shè)計(jì)師常常在繪制 2D圖紙時(shí)相當(dāng)頭疼。

2、漏標(biāo)尺寸，漏畫圖線

即使經(jīng)過幾個(gè)人的審校，漏標(biāo)尺寸和缺少線條的現(xiàn)象仍時(shí)有發(fā)生。

3、應(yīng)力應(yīng)變分析

修改零件 (如連桿)的尺寸是很容易的，問題是怎么改。要修改必須進(jìn)行力學(xué)分析，否則這個(gè)連桿斷了怎么辦?國外的產(chǎn)品設(shè)計(jì)小巧輕，而我們的同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)卻傻大笨重，且剛度不好。

4、數(shù)控加工處理

經(jīng)常有這樣的情況，按照國外的產(chǎn)品成型制塑料制品，一眼就看出來不一樣。為什么?我們注塑模具沒有給出足夠的局部收縮鼻。在這些復(fù)雜的三維問題上，依賴傳統(tǒng)的 2D設(shè)計(jì)方法無法解決。

5、設(shè)計(jì)的更新與修改

CAD 應(yīng)用中的設(shè)計(jì)工程管理工作也變得日益重要，有些 CAD 應(yīng)用單位，已積累了成千上萬張的圖紙，而且在繼續(xù)增多。這些文件中除了圖形信息外，還有大量的設(shè)計(jì)參數(shù)等非圖形信息，不僅要管理圖形信息，還需要工具軟件來處理這些復(fù)雜的設(shè)計(jì)參數(shù)管理問題。

二、關(guān)于2D圖形的繪制

"CAD"的 "D"是什么的問題長期以來沒有共識，其原因有三:一是多年以來 CAD軟件屬于較幼稚的系統(tǒng)，其能力較弱，事實(shí)上AutoCAD R9之前的版本只適于畫2D圖形:二是相關(guān)軟件開發(fā)商中往往缺乏工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，不能深刻理解實(shí)際設(shè)計(jì)過程和具體加工方法:三是機(jī)械設(shè)計(jì)是各種設(shè)計(jì)中比較麻 煩和比較不規(guī)范的，而其中比較容易做的事也就是畫2D工程圖。實(shí)際設(shè)計(jì)中，2D繪圖工作中包括抄圖，但重要的是創(chuàng)建新結(jié)構(gòu)的圖形表達(dá)方法。譬如說設(shè)計(jì)一根車床主軸，在開始構(gòu)思時(shí)，說不準(zhǔn)應(yīng)有幾段臺(tái)階，各有多長。開始制定的粗略數(shù)據(jù)，很可能在以后的設(shè)計(jì)過程中被修改得面目全非，只是到了設(shè)計(jì)快結(jié)束時(shí)，主軸的參數(shù)才 真止明確下來，所以說實(shí)際上零件具體參數(shù)并不是在設(shè)計(jì)一開始就能確定的。一般的設(shè)計(jì)過程，總要經(jīng)過方案草圖、裝配草圖、拆零部件圖、正式總裝圖這樣的四部 分繪圖工作。因此說 2D 圖形繪制的方法是輔助繪圖而非輔助設(shè)計(jì)。

因此工程師盼望著 CAD技術(shù)在輔助設(shè)計(jì)方面的用處。實(shí)際上AutoCAD在2D圖形處理中的幾何設(shè)計(jì)功能極強(qiáng)，精度也非常可靠，在掌握了操作技巧或者用不太復(fù)雜的 AutoLISP程序輔助一下，就能解決許多數(shù)學(xué)解析法難以解決的工程數(shù)據(jù)求解問題，所以筆者認(rèn)為，"Design設(shè)計(jì)"才是應(yīng)用 CAD 的真正益處，它能有效地提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

三、從三維開始設(shè)計(jì)是必然趨勢

人在現(xiàn)實(shí)生活中看到的3D實(shí)體，是有顏色、材料、硬度、形狀、尺寸、位置等概念的實(shí)體，甚至是帶有相當(dāng)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)關(guān)系的3D實(shí)體。由于以前的表達(dá)手段有 限，在機(jī)械制圖中人們不得不共同約定了與第一象限平行正投影的規(guī)則，用幾個(gè)相關(guān)聯(lián)的2D投影圖表達(dá)自己的3D設(shè)計(jì)。這種信息表達(dá)是不完整的，而且繪圖、讀 圖要經(jīng)過專門訓(xùn)練，如果能直接從 3D概念開始設(shè)計(jì)，這樣的 3D模型就能表達(dá)出設(shè)計(jì)構(gòu)思所需的全部幾何參數(shù)。只有從三維開始設(shè)計(jì)，CAD軟件對設(shè)計(jì)的輔助作用就會(huì)很容易擴(kuò)展和貫穿到產(chǎn)品開發(fā)全過程。

從3D開始的設(shè)計(jì)，仍然需要2D工程圖的表達(dá)，而且要遵守傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的規(guī)范，因此作為CAD基礎(chǔ)軟件，必須具各從3D白動(dòng)生成2D的工程圖。并且具有雙向關(guān) 聯(lián)的能力。以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析、零件質(zhì)量屬性分析、空間運(yùn)動(dòng)分析、裝配千涉分析、數(shù)字控制可加工性分析、準(zhǔn)確的 2D工程圖生成、外觀色彩和造型效果評價(jià)、裝配產(chǎn)品爆炸圖、產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理等一系列的需求都應(yīng)能充分予以滿足，這才是 CAD技術(shù)對設(shè)計(jì)全過程的有效的輔助，而且是有明確技術(shù)效益和經(jīng)濟(jì)效益的 CAD.因此，傳統(tǒng)的以 2D工程圖為主的圖形設(shè)計(jì)的資料管理將變成 3D設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的保存和管理，從而使高職院校的機(jī)械制圖課就可以大幅度刪減，盡量保留學(xué)生的3D原始概念，隨之而來的是 2DC程圖的畫法也應(yīng)隨之大幅度簡化。

美國Autodesk公司的產(chǎn)品INVENTOR是目前的很好用的軟件之一。它是建立在 AutoCAD2002的基礎(chǔ)上，具有AutoCAD的全部2D圖形處理功能，并且增加了大量針對機(jī)械設(shè)計(jì)的支持功能。它對于 3D造型，是基于特征、基于尺寸約束和兒何約束的參數(shù)化造型方法，有較好的3D與2D雙向關(guān)聯(lián)的能力。對于 3D曲面，有良好的造型、修整功能.INVENTOR的另一大特色是為其他公司的應(yīng)用軟件集成到特定的用戶環(huán)境下提供了相當(dāng)方便的二次開發(fā)接口，這也是對 傳統(tǒng) AutoCAD開放結(jié)構(gòu)的有效繼承和發(fā)展。

對于復(fù)雜的投影線生成，漏標(biāo)尺寸，漏畫圖線的問題，在INVENTOR中是很容易解決的、在INVENTOR中，并不直接生成2D 工程圖，而是首先繪制草圖，僅對某些標(biāo)注尺寸而要人為作些修改和補(bǔ)充。

正確可靠的 2D投影線，意味若拜易畫錯(cuò)的復(fù)雜投影和漏畫圖線的事不會(huì)發(fā)生了，對于標(biāo)尺寸的問題，在INVENTOR中是自動(dòng)解決的，如果對 3D造型的尺寸約束不完格，INVENTOR會(huì)提示你缺少若干個(gè)尺寸或幾何約束，因此很少會(huì)漏標(biāo)尺寸。

INVENTOR中參數(shù)化特征建模功能，在處理由切削加工方式所得到的實(shí)體時(shí)，可以說是100%成功，那怕是含有相當(dāng)復(fù)雜的造型和尺寸。而對于有大量過渡  圓角和拔模斜度的鑄般造零件，也有相當(dāng)滿意的成功率。總之，對中等復(fù)雜程度的零件造型和全部尺寸驅(qū)動(dòng)都是完美的。對于更加復(fù)雜的曲面設(shè)計(jì)表達(dá)與產(chǎn)品造 型，INVENTOR中的曲面模塊具有相當(dāng)出色的功能，工程設(shè)計(jì)人員終于有了一個(gè)真正得力的助手。

對于部件機(jī)構(gòu)的空間運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)的分析討論，在完成了3D設(shè)計(jì)的概念后，在INVENTOR中加載相關(guān)的專業(yè)應(yīng)用軟件就可以進(jìn)行，其操作和結(jié)果都和我們很 熟悉的 AutoCAD用戶界面相似。對于應(yīng)力應(yīng)變分析，我們同時(shí)結(jié)合有限元分析軟件如(Dynamic Designer , Visual Nastran FEA)，可以對復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行完整的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真。能夠計(jì)算出機(jī)械系統(tǒng)零件的運(yùn)動(dòng)情況，包括位移、速度、加速度和作用力及反作用力，還可以作 山零件的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)分析。

由于 INVENTOR是以參數(shù)化三維特征建模為設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的表達(dá)，所以對于數(shù)控加工的分析處理提供了得天獨(dú)厚的條件。目前基于INVENTOR開發(fā)的多種CAM 軟件也有許多，如從2D到3D粗加工、半精加工到最后的精加工，從刀位軌跡生成到數(shù)控 (NC)代碼轉(zhuǎn)換，都是十分順利的:處理速度也相當(dāng)快。

對于設(shè)計(jì)的更新與修改，INVENTOR也有獨(dú)到之處，NIVENTOR中的三維建模模塊本來就是3D參數(shù)化造型系統(tǒng)。例如尺寸修改，可以在 3D造型上修改，也可以在與之相關(guān) 2D工程圖上修改，然后重新生成3D模型和2D相關(guān)圖紙。對于設(shè)計(jì)下程管理，這只能由中國人自己完成，因?yàn)槲覀兊脑O(shè)計(jì)習(xí)慣和管理要求與國外有所不同。目前 國內(nèi)己有一些優(yōu)秀的軟件和解決方案，如 (Morrowsoft,CAXA)協(xié)同管理解決方案，通過應(yīng)用 OA,ERP等現(xiàn)代信息化管理工具，將極大地提高企業(yè)資源配置和生產(chǎn)流程管理能力。

四、三維CAD技術(shù)應(yīng)用的幾點(diǎn)思考

1.掌握和運(yùn)用3D設(shè)計(jì)軟件是有難度的

據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，高職學(xué)生年輕，學(xué)得快但用得不好;面向企業(yè)經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師，大多數(shù)己不適應(yīng)按 3D概念進(jìn)行設(shè)計(jì)構(gòu)思，他們用平行正投影表達(dá) 3D實(shí)體的思考方法己根深蒂固了。在學(xué)習(xí)3D設(shè)計(jì)軟件之前，針對高職學(xué)生就是首先要解決基礎(chǔ)知識和技術(shù)準(zhǔn)備的問題。

2、任課教師本身的水平和經(jīng)驗(yàn)不夠，這可能是教學(xué)中最致命的問題

比起 2D圖形處理來說，3D設(shè)計(jì)更需要進(jìn)行培訓(xùn)，不少學(xué)生用AutoCAD畫2D圖相當(dāng)熟練，但在進(jìn)入 3D設(shè)計(jì)時(shí)，無論從概念還是造型技巧上，都感到相當(dāng)生疏。高職院校應(yīng)該加人資金投入，對任課教師培訓(xùn)，使他們盡早成為"雙師型"。

3、學(xué)校實(shí)訓(xùn)設(shè)備問題

在 CAD系統(tǒng)中有三個(gè)成員:硬件、軟件和使用者，使用者是這個(gè)系統(tǒng)中的重要因素;設(shè)備在 CAD 系統(tǒng)的應(yīng)用效果上起著關(guān)鍵作用。必須明確使用 CAD系統(tǒng)要解決什么問題?怎樣的結(jié)果才是想要的?什么功能對學(xué)校的專業(yè)設(shè)計(jì)是最關(guān)鍵的?并不是軟件功能越多、越強(qiáng)就越好，要看做什么用。所以必須結(jié)合高 職院校人才培養(yǎng)目標(biāo)、專業(yè)建設(shè)和教學(xué)實(shí)際需求，合理有效并且經(jīng)濟(jì)地配置資源。

綜上所述，使用 INVENTOR為主要支撐軟件的3D設(shè)計(jì)系統(tǒng)，明顯提高機(jī)械CAD應(yīng)用效果的條件己經(jīng)基本具備，我們應(yīng)當(dāng)重新對CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用效果及水平 和投入規(guī)模進(jìn)行確認(rèn)，努力提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生動(dòng)手能力、從CAD/CAE/CAM的系統(tǒng)集成入手，采用合理的3D設(shè)計(jì)解決方案，正確選擇代表 CAD技術(shù)開發(fā)方向的專業(yè)增值軟件，大力開展產(chǎn)學(xué)研訓(xùn)相結(jié)合，真正將 CAD 的軟、硬件和師資投入轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，轉(zhuǎn)化為高職院校的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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