三维CAD技术在产品开发设计中的应用

2013-05-09 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

设计、制造环节相脱节的问题,提出了一种在产品设计过程中采用Pro/Designer与 proengineer无缝连接的方法,为工业产品造型设计与后期的工程制造的连贯开辟了一个新的途径,其设计流程的过程为产品设计系统化提供行之有效的措施,从而缩短了产品设计开发周期,实现了产品造型设计的系统化。

    引言

产品的造型设计是一种与艺术、人文、历史、及自然等相结合的设计,这种设计宜用专门的图像设计类的软件,如Coreldraw,Photoshop, Painter,3DSMAX,ALIAS等。这类软件通常是无太多的数据限制,比较自由、随意。产品造型设计一般由艺术类的造型设计师来承担。
产品的结构设计是一种严谨的设计。它要求数据准确,符合国家或国际标准,产品的每个尺寸及公差都是以数据为基础,不可差之毫厘。这种设计是采用专门用于产品结构设计类的软件,如:AutoCAD,UG,Solidedge,proeNGINEER,SolidWork等来完成。尽管目前一些高端的设计软件,已经具备了产品复杂造型的设计与渲染功能,但要艺术类的设计师掌握并运用这类软件,至今还不是一件容易的事。所以从事结构设计的设计师们大都是机械工程师出身,设计的思维与方式完全不同于造型设计师,他们思维是一种完全符合机械设计标准的设计思维方式。
那么,两种设计将如何在产品的设计中得到结合,且得到较好的结合,并且更好地完成从设计到加工程序的转换?成为我们进行产品设计所要考虑的问题。

    1、CAD技术应用于产品设计

作为工程技术与美学艺术相结合的一门新科学——产品造型设计,是现代工业产品设计中的一种现代设计方法。它来源于社会的物质生产,与人类的工业性生产活动和日常生活紧密地结合在一起,随着人类物质生活和文化艺术水平的提高,产品造型设计渗透到社会的各个方面,从家庭日用品、家用电器、家具等,到各类生产设备、仪器仪表、办公用品及各类交通工具、公共设施等,产品造型设计已经成为现代工业产品设计中不可缺少的重要部分。合理美观的造型设计可以在市场竞争中吸引更多的用户,争取市场的占有率,创造更多的经济价值。具有良好的外观形态、宜人的色彩、舒适的表面质感的工业品可以美化人们的生活和生产环境,丰富人们的精神要求,提高生产效率[1]。

传统的产品造型设计,一般是在市场调研,制定需求表之后,先展开平面简图的构思,形成稍微完整的方案之后,开始绘制三维简图,完全定型后再根据需要绘制效果图、三视图或制作简易的模型。在造型设计的过程中,需要工程技术人员、产品造型人员与工人的通力合作,用样品实物模型来表达设计者的构思,但对每一种方案都制作实物样品,要付出大量的劳动,还存在着精度低、修改调整困难、设计周期长及成本费用高等问题[2]。

计算机技术的发展,带来第三次技术革命浪潮,计算机辅助设计(computeraideddesign,简称CAD)技术则是计算机在工业领域应用中最为活跃的一支。它集数值计算、仿真模拟、几何模型处理、图形学、数据库管理系统等方面的技术为一体,把抽象的、平面的、分离的设计对象具体化、形象化,它能够通过“虚拟现实”技术把产品的形状、材质、色彩,甚至加工过程淋漓尽致地表现出来,并能把产品的设计过程,通过数据管理,实现系统化、规范化,这正是工业设计与CAD技术必然结合的基础所在。

2、CAD技术对产品设计的影响

计算机辅助技术和手段用于产品设计,不但拓宽了计算机应用领域,同时也对传统的设计观念和方法产生了很大冲击。具体体现在产品设计上可以概括为几个方面。

2.1 设计表现展示向“无纸笔化”转变
     计算机辅助产品设计,不需要各种各样的尺、规、笔、纸等传统工具,电脑的操作平台提供了用之不尽的空间,表现的实施过程就是鼠标的点击与键盘的操作,复制、修改等从前繁杂的工作瞬间即可完成,而且干净、简单、高效。数字化仪与手写板的出现和普及,更使得设计在创意草图阶段也可以脱离纸笔手绘的传统模式, 从而形成彻底的“无纸笔化”设计。

2.2 设计方案交流方便快捷
网络的发展拉近了人与人的距离,在计算机网络中,设计者与委托方之间,可以更加方便地交流设计观点,而且可以在任何地方在第一时间与对方交流。另外,可以通过网上的资源共享,进行分工合作。

2.3 整体设计程序更具灵活性和高效性
     在计算机上,产品的创意方案可以通过快速的三维建模、渲染,实现立体设计,并且在形体感觉、形态调整、色彩、肌理等方面进行随时的改变调整,传统的效果图失去了原有的地位。设计中,大量的时间、精力可用在分析、评价、调整上,使传统的设计程序在侧重点上有了变化。同时,计算机的内容都是数字化的,文件复制没有任何损失,这样对同一设计,其他人也可共享,设计任务也可分阶段、分人、分地点完成,大大提高了工作效率[3]。

2.4 产品开发周期缩短、设计成果更为真实可靠
工作效率的提高使产品开发周期明显缩短,计算机辅助制造使样机的制作周期也大大缩短。计算机辅助设计的结果具有真实的立体效果和质量感,尤其是数字技术的迅速发展,使虚拟现实成为可能,计算机虚拟现实技术能使静止的设计结果成为虚拟的真实世界,人置身于真实的产品模拟使用环境中,以检验产品的各方面性能。

计算机辅助产品设计中,产品的生产工艺过程也可以通过计算机模拟出来,由此可以极大地增强生产计划的科学性和可靠性,并能及时发现和纠正设计阶段不易察觉的错误。

2.5 设计仿真和设计检验
利用CAD系统的三维图形功能,设计师可在计算机屏幕上模拟出所设计产品的外形状态,在设计之初就对产品进行优化这样就不但可使产品具有优越的品质、最低的消耗和最漂亮的外观,而且在新产品试投产前,就可以对其制造过程中的结构、加工、装配、装饰和动态特征做到恰如其分的分析和检验,从而提高了产品设计的一次成性。

2.6 设计与制造的紧密结合
CAD的设计数据既可用于设计仿真CAE(计算机辅助工程),也可以通过数据传输系统与数控加工设备联结,将设计数据直接用于产品零配件的加工,即CAM.计算机辅助设计CAD的引入可自动完成从设计到加工程序的转换[4]。

3、运用CAD技术进行产品设计

3.1 proe参数化设计在工程中的应用
参数化设计(Parametric)(也叫尺寸驱动Dimension-Driven)是CAD技术在实际应用中提出的课题,它不仅可使CAD系统具有交互式绘图功能,还具有自动绘图的功能。目前它是CAD技术应用领域内的一个重要的、且待进一步研究的课题。利用参数化设计手段开发的专用产品设计系统,可使设计人员从大量繁重而琐碎的绘图工作中解脱出来,可以大大提高设计速度,并减少信息的存储量。参数化设计的关键是几何约束关系的提取和表达、约束求解以及参数化几何模型的构造。1988年,美国参数技术公司(ParametricTechnologyCorporation,PTC)首先推出参数化设计 CAD系统proengineer(简称proe),充分体现出其在许多通用件、零部件设计上存在的简便易行的优势。它的主要特点就是:基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。

     proe通过一种独特的、参数化的以及面向零件的3D实体制作技术,彻底改变了传统的设计理念,为工程师们提供了一条革命性的途径。完成了由二维到三维的转换,真正实现了CAD/CAM系统。尽管proe在通用件、零部件设计上存在很大的优势,但是要想直接在proe中完成曲面繁多的产品造型是非常困难的事情。不是不能完成,是要耗费大量的精力和时间,这样就又增加了设计的周期。

这样我们可以采用PTC公司的工业设计软件Pro/Designer(简称Pro/D)进行曲面设计,由于Pro/D与proe采用的是同一数据库,两者之间是无缝连接的,因而在设计中造型设计师和结构工程师可以更好的协作。

3.2 Pro/D的曲面设计能力
对于工业设计人员和那些想构建曲面模型的工程人员来说,Pro/D正是他们需要的工具,Pro/D可以构建高质量的自由曲面模型,并且可以很容易的转换到其他基于制造工程的CAD系统中。
Pro/D能够创建真实而精确的几何体,利用它可以更加容易的创建模型,缩短设计周期。利用Pro/D可以把视觉上的美学要求和模具制造过程中的工程要求很好的结合起来,这一点在创建自由曲面模型的过程中现得尤其显著。

3.3 Pro/D与proe之间的数据传输
Pro/Designer与proengineer之间交换数据有两种方式:一种是与proengineer直接交换数据,另外还有一种就是以文件的方式与proengineer交换数据。

3.3.1 与proe直接交换数据
如果两个软件都在同一台机器上运行,可以采用直接传输的方法。直接传输法速度更快,并且对于复合传输适应性更强。在一个Pro/Designer的进程中,可以从当前的proengineer进程中调用零件或组件,也可以将Pro/Designer中的数据以CDRSIn特征的方式直接传递到 proengineer中,每一次传送请求都会在两个软件中自动更新各自的几何体。

3.3.2 以文件方式与proe交换数据
如果两个软件不在同一台机器上运行,可以使用文件传输的方法来传递并更新数据。一般情况下是在Pro/Designer里面输出为IGES等中间转换文件,然后proengineer里打开转换文件。

3.4 造型复杂产品三维设计的CAD应用
对于造型装饰性强,特别是包含复杂曲面的产品,可以使用Pro/D与proe组合起来进行,造型设计师在Pro/D里面做ID、做曲面建模,直接从 Pro/D里启动proe,把数据导到proe由结构设计师进行结构设计,在整个设计过程中甚至结构设计全部做完了,由于客户的要求或设计师对方案的局部要进行更改,这时只须在Pro/D里面改动,改好后存好再原名称送给proe,那么proe里也得到改变,而结构不用重做(当然修改要使结构有存在的条件,即它的父特征不会有问题)。具体的设计流程如图1所示。

(1)方案设计:由造型设计师进行概念草绘,可用二维平面软件进行方案效果图绘制。

    (2)三维造型设计:方案确定后,由设计师利用Pro/D进行曲面设计。

    (3)三维造型设计确认:将Pro/D里面的模型直接转入CNC,或RP做出实物模型进行造型检验。

    (4)结构设计:将Pro/D里的模型转入proe里进行细节结构设计。

    (5)结构设计确认:进行装配和结构模拟分析,确认结构。

    (6)模具设计:将proe里的产品传递给模具厂进行数控编程。

    (7)生产:将三维图转化为二维工程图,进行工艺设计,进行生产。

    3.5 设计实例

图2,图3是运用PRO/D与PRE共同完成的一款相相机造型,设计步骤首先在PRO/D里进行曲面建模,并把数据导入到proe完成结构设计。

4、结束语

CAD技术的飞速发展,不仅意味着设计手段的改变,同时改变了工业设计的思维方式。推动着制造业从产品设计、制造到技术管理一系列深刻、全面、具有深远意义的变革,这是产品设计、产品制造业的一场技术革命。CAD技术的应用,将计算机的快速性、准确性以及信息高度集成性和设计人员的创造性思维、综合分析的能力充分地结合起来,实现从产品概念、造型设计、结构设计、机构设计、装配及动画演示直到工程制造全部过程计算机化,实现产品设计的系统化,缩短产品开发周期,从而创造出实用、经济、美观宜人的产品。

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