浅析CAD由二维向三维的转变

2013-05-16 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

徐涛孔斌魏小平陈义厚来源:万方数据
关键字:二维CAD 三维CAD 转变
CAD由二维向三维的转变可以充分利用CAD的设计与分析功能;通过3D-CAPP系统采用STEP数据交换标准能有效的解决三维CAD数据信息到CAM制造系统之间的顺利过渡;基于三维CAD的装配过程能够大大提高装配工艺的质量和实用性。

1 引言

   CAD是工程技术人员以计算机为工具,对产品和工程进行设计、绘图、造型、分析和编写技术文档等设计活动的总称,即计算机辅助设计(ComputerAided Design,简称CAD)。在机械制造行业中采用CAD技术进行产品设计不但可以使设计人员"甩掉图板",更新传统的设计思想、提高设计水平、实现设计自动化、降低产品的设计成本、增强企业的竞争能力;还可以使企业由原来的串行式作业转变为并行作业,建立一种全新的设计和生产技术管理体制,缩短产品的开发周期,提高劳动生产效率。根据模型的不同,cAD系统一般分为二维CAD和三维CAD系统。在CAD发展的初期阶段,主要都是二维CAD系统,所绘制零件图都是二维零件图,表达的是"点、线、圆、弧、文本"等几何元素的集合,由于二维零件图几乎没有立体感,零件的形状完全靠阅图者想象出来,工程技术人员要花费大量的时问去绘制一张二维图纸,通过各种视图来表达零件的相关特征。图纸绘制出来后,各种复杂的线条给读图人员造成了麻烦,非专业人员很难读懂;由于其文件之间不具关联性,对图纸迸行修改时必须修改每一张涉及的图纸,这样很容易造成遗漏,也不能进行实体分析,无法用二维图纸去描绘三维空间机构运动和进行产品装配干涉检查等工作,仅是在平面上的一种表达方式。随着cAD技术的发展,三维CAD系统已从早期的实体造型,发展到特征造型和基于约束的造型。三维CAD系统中可以很清楚的看到所设计零部件的实体效果,具有主模关联性,只要一处修改,所有涉及的领域便会自动修改;可以对整体设计或部件进行有限元分析、应力应变分析、质量属性分析、空间运动分析、装配干涉分析、NC控制可加工性分析、机构仿真等一系列的需求。

工程技术人员用三维CAD软件完成部件和零件的模型设计后可以直接将模型传送到CAD软件中进行有限元网格划分并进行分析计算,如果分析的结果不满足设计要求则重新进行设计和分析,直到满意为止,从而极大地提高了设计水平和效率。

由以上的分析三维cAD有其二维CAD无法比拟的性能必将成为国内外企业进行产品设计的主流设计工具。

   2二维CAD向三维CAD转变过程中的问题

   2.1 优先对重要的二维图纸进行三维化

目前我国机械制造行业正处于一个从二维CAD向三维CAD转变的过程,很多企业还是两者混合使用。二维工程图作为工程界的交流语言在长期使用的过程中已经形成了使使用者共同认可和接受的标准,并且在各行各业中积累的大量极具价值的技术资料都是二维电子文档,或者是二维的蓝图,这些目前还正在工业领域极其广泛和深入地应用着,还在很好地发挥着重要的作用。

虽然机械制造企业的二维电子图纸存档量巨大,但这些图纸往往可以分成有限的几类。从单机设备上归类,不超过一百种;从机组形式上划分,不超过十类,既使是不同的单设备,其零部件相互之间也存在很多相似性,甚至可互相借用。这样提供给我们一个思路,首先由设计骨干牵头,然后对归档图纸归类分析,尽可能将设计中典型设备,典型结构,典型零部件抽取出来,对它们进研究、建模、参数化、变量处理,并最终建立工程图。目前有很多三维CAD软件如:UG NX、CATIA、PR0/E、SolidWorks、SolidEdge、Inventor等都可以完成二维图形向三维模型的转换。

   2.2建立三维设计国家标准及企业标准

如果国家或者行业标准化的规定依然是二维设计标准,而三维设计设有统一的要求和标准可以依据,二维CAD很难向三维cAD设计转变。我国国家质量技术监督局1998年8月28日发布的GB/T 14665-1998《机械工程cAD制图规则》和2000年lO月17日发布了CB/T18229-2000《CAD工程制图规则》规定依然是二维设计标准。标准的重要性勿庸置疑,尽快制订3D CAD国家技术标准及企业标准,正确把握CAD技术的发展趋势,对国产三维CAD的开发具有很大的意义,也在一定程度上影响着三维CAD普及的步伐。三维CAD的价格荠不便宜,对于大量的国内小型企业来讲,要普及三维CAD,它们无法承担起这么高的费用支出,只有开发出更好、更廉价的国产CAD才是最好的出路。

   2.3改变设计思想

1799年。法国的G.蒙日发表《画法几何》一书为画法几何奠定了理论基础,它提出用多面正投影图来表达空间形体,是基于投影法。目前国内高校工科专业开设的《画法几何与工程制图》就是在《画法几何》的基础上形成的理论,只能反映两个方向的形状,设计出的产品只能表达在二维图纸上,因此大家的设计思维、设计习惯都是二维的,并且形成了根深蒂固的思想。二维CAD要想向三维CAD成功转型,改变传统的二维设计思维是成功转型的关键,在大学阶段开展三维CAD技术学习,对在职工程技术人员加强技术培训,鼓励在职工程技术人员学习三维CAD技术,培养设计人员的三维设计思维,提高技术人员的素质及企业的整体技术水平,以适应现代三维设计的发展。

浅析CAD由二维向三维的转变autocad技术图片1

   3从三维CAD设计到CAM制造之间的过渡

中国的机械制造企业已经形成了产品设计使用CAD系统,制造使用CA M系统,而CAPP(Computer Aided Proces8 Planning,计算机辅助工艺设计)系统是连接设计的桥梁。但目前人们研究和开发出的许多CAPP系统大多数都是基于二维CAD平台的,如武汉开目信息技术有限责任公司开发的开目CAPP。然而,CAM系统本身是基于三维模型的,于是便产生了信息传递的孤岛。传统的以图纸传递信息的方式和检验标准制约了信息技术的有效利用,导致CAD,cAM系统在企业中独自为战,各据一方脱离了信息化中最主要的信息共享原则,必然产生孤岛。从图

(1)中看到信息传递链条的的关键在3D数据的传递,而不应该是图样信息的传递日。

因此解决孤岛技术这一问题的关键就在于如何实现工艺设计的3D化,必须由传统的基于二维CAD集成的CAPP系统向基于三维CAD集成化发展,即大力开展基于三维CAD的CAPP系统的应用及研究开发。目前我国在这方面取得的成果有:基于三维CAD的加工工艺设计系统提供基于三维CAD的加工工艺设计工具,可以基于3D模型定义加工工艺特征,自动获取加工特征信息,可以基于特征加工知识进行辅助工艺决策,可以建立3D工艺装配库,可以生成3D工序简图,实现可视化的装夹规划等。基于三维CAD的CAPP系统增加了产品的可读性和一致性,减少了理解图纸的时间,进一步提高了工艺设计方式、工艺资源及制造数据管理模式等的合理性与科学性,实现了数据传递的及时性。

在信息传递的过程中各系统之间的数据兼容性也是造成孤岛技术的重要问题。通过建立一个系统的信息结构对CAD模型进行CAD模型数据交换已经成为共识嗍。目前主要采用的数据交换标准有:Autodesk公司自己制定的DxF;美国海、陆、空三军制定的IGES;国际标准化组织(IS0)制定的STEP。STEP(Standard for Exchanze of Product Model Dala,产品模型数据交换标准)是近年来应用最广泛的用于不同CAD,CAM系统之间信息交换的一种数据交换国际标准标准。STEP采用应用层(信息结构)、逻辑层(数据结构)和物理层(数据格式)三级模式,定义ExPREss语言进行描述,以中性文件作为交换媒介。它包含了几何信息、制造信息、材料、组装分解顺序、检验测试等必要的信息定义和数据交换的外部描述。应用STEP可以使CAD,CAPP,CAM之间的数据传递有统一的数据标准,解决其信息集成问题。

   4总结

随着计算机技术的迅速发展,计算机的性能有了很大的提高,这为三维机械设计软件的广泛应用创造了条件。在零件三维实体模型基础上,使用CAM(Computer Aided Manufactuing,计算机辅助制造)实现无图纸高效加工,已成为现实。由于CAM系统本身是基于三维模型的,因此从三维实体模型到CAM,比二维图纸到CAM更高效。极大地提高了设计效率加快了制造业的作业生产控制过程,对我国由"制造大国"向"制造强国"转变的发展有着至关重要的推进作用。

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