CAD在現(xiàn)代工程設(shè)計及虛擬制造應用

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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)品的市場響應能力，要在激烈的全球化競爭中獲得生存和發(fā)展，應用CAD/CAM/CAPP/PDM/ERP等先進的信息化工具是企業(yè)發(fā)展的當務之急和根本出路。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)的應用

目前，虛擬制造技術(shù)已經(jīng)在國外有所應用，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、機械科學研究院、東北大學、上海交大和長沙鐵道學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)充分利用了當今迅速發(fā)展起來的計算機技術(shù)、計算技術(shù)、應用數(shù)學和力學、電子學、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)的應用可極大地提高生產(chǎn)柔性，降低固定成本；

③可靠地預測成本、風險和進度，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?！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軟件應具有工藝設(shè)計、工藝設(shè)計任務管理、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、應力應變分析、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，鑄造過程的熱力學分析，運動部件的運動學分析，動力學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)計工作應該遵循人工真實設(shè)計的過程，因此，它的設(shè)計也應該應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，各層模型里都應有交互接口，人可以隨時干預設(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，當然在此設(shè)計過程中要用到各種國家標準和準則，應將設(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?shù)墓庹眨⒘慵膸缀卧煨图拔锢砟Ｐ?，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、運動學、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)）