CAD在現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)及虛擬制造應(yīng)用

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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(jìn)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(jì)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(diǎn)，討論現(xiàn)代設(shè)計(jì)中最具活力的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)的發(fā)展方向，對于把握現(xiàn)代機(jī)械工程設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域的新動(dòng)向，開發(fā)和使用新方法、新技術(shù)，改革傳統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yùn)用主要集中在以下三個(gè)方面。

1.1 產(chǎn)品虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)

主要包括虛擬產(chǎn)品開發(fā)平臺(tái)、虛擬測試、虛擬裝配以及機(jī)床、模具的虛擬設(shè)計(jì)實(shí)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(tái)實(shí)現(xiàn)了鎖相電路的虛擬；機(jī)械科學(xué)研究院采用c語言和OpenGL進(jìn)行編程初步實(shí)現(xiàn)了立體停車庫的虛擬現(xiàn)實(shí)下的參數(shù)化設(shè)計(jì)，可以直觀地進(jìn)行車庫的布局、設(shè)計(jì)、分析和運(yùn)動(dòng)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(shí)間縮短到幾小時(shí)，并保證一次試切成功；北京機(jī)床研究所、機(jī)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(shí)現(xiàn)的是由上海同濟(jì)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(dòng)相關(guān)技術(shù)的研究工作的進(jìn)行，并使它們協(xié)同一致順利地發(fā)展。

2 現(xiàn)代機(jī)械工程設(shè)計(jì)的特征

機(jī)械設(shè)計(jì)是為實(shí)現(xiàn)某一使用功能，同時(shí)考慮其運(yùn)動(dòng)可能性、制造可能性、經(jīng)濟(jì)可能性，從而構(gòu)思一種具有一定創(chuàng)新性的機(jī)械產(chǎn)品的過程。

傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)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(yàn)算甚至估計(jì)，通過大量的簡化和靜止化假設(shè)完成機(jī)械工程設(shè)計(jì)，因此它必然使設(shè)計(jì)存在隨意性，對個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣的依賴性極大，極難實(shí)現(xiàn)合理、準(zhǔn)確和高效的設(shè)計(jì)。

現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)充分利用了當(dāng)今迅速發(fā)展起來的計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)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(jì)技術(shù)有可能從經(jīng)驗(yàn)的、靜止的和隨意性很大的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)變?yōu)榛谟?jì)算數(shù)據(jù)、知識(shí)工程或?qū)＜蚁到y(tǒng)的、動(dòng)態(tài)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)，這需要充分收集、分析和檢索必要的信息，快速的數(shù)值運(yùn)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(diǎn)

由于信息技術(shù)的發(fā)展給制造業(yè)帶來了新的生機(jī)，因此各種新型制造技術(shù)應(yīng)運(yùn)而出，其中，最有影響的是滿足客戶的個(gè)性化需求的敏捷制造系統(tǒng)。敏捷制造是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與機(jī)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(jì)算機(jī)仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上模擬出產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，即從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、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(jià)，以增強(qiáng)制造過程各個(gè)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(shí)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(yàn)證生產(chǎn)方案：

①針對實(shí)際過程，建模能可靠地估計(jì)生產(chǎn)成本和費(fèi)用，加深對生產(chǎn)過程和制造系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)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(xiǎn)和進(jìn)度，大大提高決策水平；

④加強(qiáng)企業(yè)技術(shù)人員的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)中，大多注重虛擬現(xiàn)實(shí)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(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)二維繪圖?！八Φ魣D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(jì)的主要目標(biāo)，也是CAD技術(shù)的最基本功能。

②計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)（CAPP）。生產(chǎn)工藝是企業(yè)從設(shè)計(jì)到加工的橋梁，CAPP軟件應(yīng)具有工藝設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)任務(wù)管理、材料定額管量等功能，實(shí)現(xiàn)工藝過程標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)化。

③三維設(shè)計(jì)，裝配設(shè)計(jì)，曲面設(shè)計(jì)，鈑金設(shè)計(jì)，有限元設(shè)計(jì)，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(jì)、虛擬設(shè)計(jì)與裝配、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(jì)。

④產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）。復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開發(fā)，不僅要考慮產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)結(jié)果，而且必須考慮產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)共享，可使產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jìn)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(jìn)行的二次開發(fā)，如漢化、廠標(biāo)、行業(yè)標(biāo)庫建設(shè)、圖庫的擴(kuò)充等等，有的企業(yè)還根據(jù)本企業(yè)產(chǎn)品的特點(diǎn)，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(jì)初期，就得以了解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能，并利用理論設(shè)計(jì)、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和專家系統(tǒng)等人工智能技術(shù)，將設(shè)計(jì)缺陷消除在初始階段。這使CAD設(shè)計(jì)源于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)又高于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，并最終走向智能設(shè)計(jì)。

5 虛擬制造過程

5.1 虛擬設(shè)計(jì)的模型設(shè)計(jì)

虛擬制造是基于產(chǎn)品生命周期的整個(gè)過程的概念。對于客戶提出的對要購買的商品要求，設(shè)計(jì)人員在充分聽取客戶意見后進(jìn)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(jìn)行產(chǎn)品虛擬設(shè)計(jì)、虛擬加工工藝設(shè)計(jì)、虛擬生產(chǎn)加工之后，進(jìn)行虛擬裝配和產(chǎn)品的仿真，然后經(jīng)客戶確認(rèn)后則進(jìn)行實(shí)際制造，否則修改設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)，從而在設(shè)計(jì)階段就可以對所設(shè)計(jì)的零件和整機(jī)的強(qiáng)度、剛度、疲勞、穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)平衡等進(jìn)行綜合性能優(yōu)化設(shè)計(jì)，加工過程的工藝分析，鑄造過程的熱力學(xué)分析，運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，動(dòng)力學(xué)分析及機(jī)件的可制造性分析，加工過程的人、財(cái)、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(jì)過程的建模。其次，虛擬制造的設(shè)計(jì)工作應(yīng)該遵循人工真實(shí)設(shè)計(jì)的過程，因此，它的設(shè)計(jì)也應(yīng)該應(yīng)用自頂向下和自底向上的設(shè)計(jì)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(jì)。為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)，將設(shè)計(jì)模型的體系結(jié)構(gòu)（如圖2）設(shè)計(jì)為三層，根據(jù)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)不同，機(jī)構(gòu)模型還可以分成子機(jī)構(gòu)、父機(jī)構(gòu)、……、多層機(jī)構(gòu)模型，以模塊化的設(shè)計(jì)思想來進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(shí)的需要，各層模型里都應(yīng)有交互接口，人可以隨時(shí)干預(yù)設(shè)計(jì)的生成，使模型的修改、重構(gòu)更易實(shí)現(xiàn)。

圖2 虛擬設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)

5.2 元模型及建模方法

虛擬設(shè)計(jì)的第一層為基礎(chǔ)層，為通用零件設(shè)計(jì)，采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法，如齒輪、螺栓、螺紋等零部件的設(shè)計(jì)，可用理論計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)公式、循環(huán)修改、有限元法、邊界元法、分布參數(shù)、實(shí)驗(yàn)推理等知識(shí)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行常規(guī)設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，當(dāng)然在此設(shè)計(jì)過程中要用到各種國家標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)則，應(yīng)將設(shè)計(jì)時(shí)用到的國標(biāo)和材料參數(shù)圖表集作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，以便進(jìn)行調(diào)用。每個(gè)零件的模型實(shí)際上是一個(gè)小的專家系統(tǒng)，根據(jù)不同零件設(shè)計(jì)要求進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、疲勞、穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)平衡等設(shè)計(jì)，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(diǎn)法、各種曲面曲線的樣條法等，并采用適當(dāng)?shù)墓庹眨⒘慵膸缀卧煨图拔锢砟Ｐ?，再根?jù)材料參數(shù)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)件和某些常用非標(biāo)件的模型建立起來，即可形成一個(gè)元模型庫。

圖3 元模型的建模

5.3 機(jī)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

有了各種零件的元模型后，與實(shí)際制造一樣，要由零件構(gòu)造機(jī)構(gòu)，又由子機(jī)構(gòu)構(gòu)造父機(jī)構(gòu)。將現(xiàn)有的實(shí)際機(jī)構(gòu)分類分級，不同機(jī)構(gòu)可能有不同的類、級、層，然后對其進(jìn)行機(jī)構(gòu)建模。機(jī)構(gòu)模型呈樹形，機(jī)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(diǎn)，父機(jī)構(gòu)要用到子機(jī)構(gòu)模型的數(shù)據(jù)，再上層的爺結(jié)點(diǎn)調(diào)用父結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，依此類推，一直到一個(gè)獨(dú)立的部件或產(chǎn)品的獨(dú)立部分為止，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 機(jī)構(gòu)模型樹形結(jié)構(gòu)圖

5.4 產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)

產(chǎn)品模型作為產(chǎn)品在計(jì)算機(jī)上的表示和產(chǎn)品信息的載體，是虛擬制造中虛擬設(shè)計(jì)的目標(biāo)，在機(jī)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，建立整個(gè)產(chǎn)品系統(tǒng)模型，一般情況下，系統(tǒng)分為幾大模塊，因?yàn)椴煌I(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(jī)電產(chǎn)品的模型有動(dòng)力模塊、電氣控制模塊、轉(zhuǎn)動(dòng)變速模塊、執(zhí)行模塊等，對產(chǎn)品模型來說，不但要求有機(jī)構(gòu)模型中要求的對各大模塊的動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、電氣性能的描述，還要有對整個(gè)產(chǎn)品性能、運(yùn)動(dòng)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(biāo)，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(jī)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(yàn)產(chǎn)品是否滿足預(yù)定的要求，必須進(jìn)行仿真和虛擬裝配。虛擬裝配是為了檢驗(yàn)產(chǎn)品的各零部件、機(jī)構(gòu)和整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yàn)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(dú)立的模型。當(dāng)然，裝配模型和仿真模型與前敘的元模型、機(jī)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(jì)外，虛擬工藝設(shè)計(jì)、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(jì)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(huì)各方面的專家共同努力。（萬方數(shù)據(jù)）