三維CAD技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2013-05-09 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

設(shè)計(jì)、制造環(huán)節(jié)相脫節(jié)的問題,提出了一種在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中采用Pro/Designer與 proengineer無縫連接的方法,為工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)與后期的工程制造的連貫開辟了一個(gè)新的途徑,其設(shè)計(jì)流程的過程為產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)化提供行之有效的措施,從而縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)周期,實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的系統(tǒng)化。

    引言

產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)是一種與藝術(shù)、人文、歷史、及自然等相結(jié)合的設(shè)計(jì),這種設(shè)計(jì)宜用專門的圖像設(shè)計(jì)類的軟件,如Coreldraw,Photoshop, Painter,3DSMAX,ALIAS等。這類軟件通常是無太多的數(shù)據(jù)限制,比較自由、隨意。產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)一般由藝術(shù)類的造型設(shè)計(jì)師來承擔(dān)。
產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一種嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)。它要求數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,符合國家或國際標(biāo)準(zhǔn),產(chǎn)品的每個(gè)尺寸及公差都是以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),不可差之毫厘。這種設(shè)計(jì)是采用專門用于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類的軟件,如:AutoCAD,UG,Solidedge,proeNGINEER,SolidWork等來完成。盡管目前一些高端的設(shè)計(jì)軟件,已經(jīng)具備了產(chǎn)品復(fù)雜造型的設(shè)計(jì)與渲染功能,但要藝術(shù)類的設(shè)計(jì)師掌握并運(yùn)用這類軟件,至今還不是一件容易的事。所以從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)師們大都是機(jī)械工程師出身,設(shè)計(jì)的思維與方式完全不同于造型設(shè)計(jì)師,他們思維是一種完全符合機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)思維方式。
那么,兩種設(shè)計(jì)將如何在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中得到結(jié)合,且得到較好的結(jié)合,并且更好地完成從設(shè)計(jì)到加工程序的轉(zhuǎn)換?成為我們進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)所要考慮的問題。

    1、CAD技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)

作為工程技術(shù)與美學(xué)藝術(shù)相結(jié)合的一門新科學(xué)——產(chǎn)品造型設(shè)計(jì),是現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的一種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。它來源于社會(huì)的物質(zhì)生產(chǎn),與人類的工業(yè)性生產(chǎn)活動(dòng)和日常生活緊密地結(jié)合在一起,隨著人類物質(zhì)生活和文化藝術(shù)水平的提高,產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)滲透到社會(huì)的各個(gè)方面,從家庭日用品、家用電器、家具等,到各類生產(chǎn)設(shè)備、儀器儀表、辦公用品及各類交通工具、公共設(shè)施等,產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中不可缺少的重要部分。合理美觀的造型設(shè)計(jì)可以在市場競爭中吸引更多的用戶,爭取市場的占有率,創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。具有良好的外觀形態(tài)、宜人的色彩、舒適的表面質(zhì)感的工業(yè)品可以美化人們的生活和生產(chǎn)環(huán)境,豐富人們的精神要求,提高生產(chǎn)效率[1]。

傳統(tǒng)的產(chǎn)品造型設(shè)計(jì),一般是在市場調(diào)研,制定需求表之后,先展開平面簡圖的構(gòu)思,形成稍微完整的方案之后,開始繪制三維簡圖,完全定型后再根據(jù)需要繪制效果圖、三視圖或制作簡易的模型。在造型設(shè)計(jì)的過程中,需要工程技術(shù)人員、產(chǎn)品造型人員與工人的通力合作,用樣品實(shí)物模型來表達(dá)設(shè)計(jì)者的構(gòu)思,但對每一種方案都制作實(shí)物樣品,要付出大量的勞動(dòng),還存在著精度低、修改調(diào)整困難、設(shè)計(jì)周期長及成本費(fèi)用高等問題[2]。

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,帶來第三次技術(shù)革命浪潮,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computeraideddesign,簡稱CAD)技術(shù)則是計(jì)算機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用中最為活躍的一支。它集數(shù)值計(jì)算、仿真模擬、幾何模型處理、圖形學(xué)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等方面的技術(shù)為一體,把抽象的、平面的、分離的設(shè)計(jì)對象具體化、形象化,它能夠通過“虛擬現(xiàn)實(shí)”技術(shù)把產(chǎn)品的形狀、材質(zhì)、色彩,甚至加工過程淋漓盡致地表現(xiàn)出來,并能把產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程,通過數(shù)據(jù)管理,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化、規(guī)范化,這正是工業(yè)設(shè)計(jì)與CAD技術(shù)必然結(jié)合的基礎(chǔ)所在。

2、CAD技術(shù)對產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響

計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)和手段用于產(chǎn)品設(shè)計(jì),不但拓寬了計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域,同時(shí)也對傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)觀念和方法產(chǎn)生了很大沖擊。具體體現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上可以概括為幾個(gè)方面。

2.1 設(shè)計(jì)表現(xiàn)展示向“無紙筆化”轉(zhuǎn)變
     計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì),不需要各種各樣的尺、規(guī)、筆、紙等傳統(tǒng)工具,電腦的操作平臺(tái)提供了用之不盡的空間,表現(xiàn)的實(shí)施過程就是鼠標(biāo)的點(diǎn)擊與鍵盤的操作,復(fù)制、修改等從前繁雜的工作瞬間即可完成,而且干凈、簡單、高效。數(shù)字化儀與手寫板的出現(xiàn)和普及,更使得設(shè)計(jì)在創(chuàng)意草圖階段也可以脫離紙筆手繪的傳統(tǒng)模式, 從而形成徹底的“無紙筆化”設(shè)計(jì)。

2.2 設(shè)計(jì)方案交流方便快捷
網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展拉近了人與人的距離,在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中,設(shè)計(jì)者與委托方之間,可以更加方便地交流設(shè)計(jì)觀點(diǎn),而且可以在任何地方在第一時(shí)間與對方交流。另外,可以通過網(wǎng)上的資源共享,進(jìn)行分工合作。

2.3 整體設(shè)計(jì)程序更具靈活性和高效性
     在計(jì)算機(jī)上,產(chǎn)品的創(chuàng)意方案可以通過快速的三維建模、渲染,實(shí)現(xiàn)立體設(shè)計(jì),并且在形體感覺、形態(tài)調(diào)整、色彩、肌理等方面進(jìn)行隨時(shí)的改變調(diào)整,傳統(tǒng)的效果圖失去了原有的地位。設(shè)計(jì)中,大量的時(shí)間、精力可用在分析、評價(jià)、調(diào)整上,使傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)程序在側(cè)重點(diǎn)上有了變化。同時(shí),計(jì)算機(jī)的內(nèi)容都是數(shù)字化的,文件復(fù)制沒有任何損失,這樣對同一設(shè)計(jì),其他人也可共享,設(shè)計(jì)任務(wù)也可分階段、分人、分地點(diǎn)完成,大大提高了工作效率[3]。

2.4 產(chǎn)品開發(fā)周期縮短、設(shè)計(jì)成果更為真實(shí)可靠
工作效率的提高使產(chǎn)品開發(fā)周期明顯縮短,計(jì)算機(jī)輔助制造使樣機(jī)的制作周期也大大縮短。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的結(jié)果具有真實(shí)的立體效果和質(zhì)量感,尤其是數(shù)字技術(shù)的迅速發(fā)展,使虛擬現(xiàn)實(shí)成為可能,計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能使靜止的設(shè)計(jì)結(jié)果成為虛擬的真實(shí)世界,人置身于真實(shí)的產(chǎn)品模擬使用環(huán)境中,以檢驗(yàn)產(chǎn)品的各方面性能。

計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)中,產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝過程也可以通過計(jì)算機(jī)模擬出來,由此可以極大地增強(qiáng)生產(chǎn)計(jì)劃的科學(xué)性和可靠性,并能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和糾正設(shè)計(jì)階段不易察覺的錯(cuò)誤。

2.5 設(shè)計(jì)仿真和設(shè)計(jì)檢驗(yàn)
利用CAD系統(tǒng)的三維圖形功能,設(shè)計(jì)師可在計(jì)算機(jī)屏幕上模擬出所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的外形狀態(tài),在設(shè)計(jì)之初就對產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化這樣就不但可使產(chǎn)品具有優(yōu)越的品質(zhì)、最低的消耗和最漂亮的外觀,而且在新產(chǎn)品試投產(chǎn)前,就可以對其制造過程中的結(jié)構(gòu)、加工、裝配、裝飾和動(dòng)態(tài)特征做到恰如其分的分析和檢驗(yàn),從而提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一次成性。

2.6 設(shè)計(jì)與制造的緊密結(jié)合
CAD的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)既可用于設(shè)計(jì)仿真CAE(計(jì)算機(jī)輔助工程),也可以通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)與數(shù)控加工設(shè)備聯(lián)結(jié),將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)直接用于產(chǎn)品零配件的加工,即CAM.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD的引入可自動(dòng)完成從設(shè)計(jì)到加工程序的轉(zhuǎn)換[4]。

3、運(yùn)用CAD技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)

3.1 proe參數(shù)化設(shè)計(jì)在工程中的應(yīng)用
參數(shù)化設(shè)計(jì)(Parametric)(也叫尺寸驅(qū)動(dòng)Dimension-Driven)是CAD技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中提出的課題,它不僅可使CAD系統(tǒng)具有交互式繪圖功能,還具有自動(dòng)繪圖的功能。目前它是CAD技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)重要的、且待進(jìn)一步研究的課題。利用參數(shù)化設(shè)計(jì)手段開發(fā)的專用產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng),可使設(shè)計(jì)人員從大量繁重而瑣碎的繪圖工作中解脫出來,可以大大提高設(shè)計(jì)速度,并減少信息的存儲(chǔ)量。參數(shù)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是幾何約束關(guān)系的提取和表達(dá)、約束求解以及參數(shù)化幾何模型的構(gòu)造。1988年,美國參數(shù)技術(shù)公司(ParametricTechnologyCorporation,PTC)首先推出參數(shù)化設(shè)計(jì) CAD系統(tǒng)proengineer(簡稱proe),充分體現(xiàn)出其在許多通用件、零部件設(shè)計(jì)上存在的簡便易行的優(yōu)勢。它的主要特點(diǎn)就是:基于特征、全尺寸約束、全數(shù)據(jù)相關(guān)、尺寸驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)修改。

     proe通過一種獨(dú)特的、參數(shù)化的以及面向零件的3D實(shí)體制作技術(shù),徹底改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念,為工程師們提供了一條革命性的途徑。完成了由二維到三維的轉(zhuǎn)換,真正實(shí)現(xiàn)了CAD/CAM系統(tǒng)。盡管proe在通用件、零部件設(shè)計(jì)上存在很大的優(yōu)勢,但是要想直接在proe中完成曲面繁多的產(chǎn)品造型是非常困難的事情。不是不能完成,是要耗費(fèi)大量的精力和時(shí)間,這樣就又增加了設(shè)計(jì)的周期。

這樣我們可以采用PTC公司的工業(yè)設(shè)計(jì)軟件Pro/Designer(簡稱Pro/D)進(jìn)行曲面設(shè)計(jì),由于Pro/D與proe采用的是同一數(shù)據(jù)庫,兩者之間是無縫連接的,因而在設(shè)計(jì)中造型設(shè)計(jì)師和結(jié)構(gòu)工程師可以更好的協(xié)作。

3.2 Pro/D的曲面設(shè)計(jì)能力
對于工業(yè)設(shè)計(jì)人員和那些想構(gòu)建曲面模型的工程人員來說,Pro/D正是他們需要的工具,Pro/D可以構(gòu)建高質(zhì)量的自由曲面模型,并且可以很容易的轉(zhuǎn)換到其他基于制造工程的CAD系統(tǒng)中。
Pro/D能夠創(chuàng)建真實(shí)而精確的幾何體,利用它可以更加容易的創(chuàng)建模型,縮短設(shè)計(jì)周期。利用Pro/D可以把視覺上的美學(xué)要求和模具制造過程中的工程要求很好的結(jié)合起來,這一點(diǎn)在創(chuàng)建自由曲面模型的過程中現(xiàn)得尤其顯著。

3.3 Pro/D與proe之間的數(shù)據(jù)傳輸
Pro/Designer與proengineer之間交換數(shù)據(jù)有兩種方式:一種是與proengineer直接交換數(shù)據(jù),另外還有一種就是以文件的方式與proengineer交換數(shù)據(jù)。

3.3.1 與proe直接交換數(shù)據(jù)
如果兩個(gè)軟件都在同一臺(tái)機(jī)器上運(yùn)行,可以采用直接傳輸?shù)姆椒?。直接傳輸法速度更?并且對于復(fù)合傳輸適應(yīng)性更強(qiáng)。在一個(gè)Pro/Designer的進(jìn)程中,可以從當(dāng)前的proengineer進(jìn)程中調(diào)用零件或組件,也可以將Pro/Designer中的數(shù)據(jù)以CDRSIn特征的方式直接傳遞到 proengineer中,每一次傳送請求都會(huì)在兩個(gè)軟件中自動(dòng)更新各自的幾何體。

3.3.2 以文件方式與proe交換數(shù)據(jù)
如果兩個(gè)軟件不在同一臺(tái)機(jī)器上運(yùn)行,可以使用文件傳輸?shù)姆椒▉韨鬟f并更新數(shù)據(jù)。一般情況下是在Pro/Designer里面輸出為IGES等中間轉(zhuǎn)換文件,然后proengineer里打開轉(zhuǎn)換文件。

3.4 造型復(fù)雜產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)的CAD應(yīng)用
對于造型裝飾性強(qiáng),特別是包含復(fù)雜曲面的產(chǎn)品,可以使用Pro/D與proe組合起來進(jìn)行,造型設(shè)計(jì)師在Pro/D里面做ID、做曲面建模,直接從 Pro/D里啟動(dòng)proe,把數(shù)據(jù)導(dǎo)到proe由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中甚至結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)全部做完了,由于客戶的要求或設(shè)計(jì)師對方案的局部要進(jìn)行更改,這時(shí)只須在Pro/D里面改動(dòng),改好后存好再原名稱送給proe,那么proe里也得到改變,而結(jié)構(gòu)不用重做(當(dāng)然修改要使結(jié)構(gòu)有存在的條件,即它的父特征不會(huì)有問題)。具體的設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

(1)方案設(shè)計(jì):由造型設(shè)計(jì)師進(jìn)行概念草繪,可用二維平面軟件進(jìn)行方案效果圖繪制。

    (2)三維造型設(shè)計(jì):方案確定后,由設(shè)計(jì)師利用Pro/D進(jìn)行曲面設(shè)計(jì)。

    (3)三維造型設(shè)計(jì)確認(rèn):將Pro/D里面的模型直接轉(zhuǎn)入CNC,或RP做出實(shí)物模型進(jìn)行造型檢驗(yàn)。

    (4)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):將Pro/D里的模型轉(zhuǎn)入proe里進(jìn)行細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

    (5)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確認(rèn):進(jìn)行裝配和結(jié)構(gòu)模擬分析,確認(rèn)結(jié)構(gòu)。

    (6)模具設(shè)計(jì):將proe里的產(chǎn)品傳遞給模具廠進(jìn)行數(shù)控編程。

    (7)生產(chǎn):將三維圖轉(zhuǎn)化為二維工程圖,進(jìn)行工藝設(shè)計(jì),進(jìn)行生產(chǎn)。

    3.5 設(shè)計(jì)實(shí)例

圖2,圖3是運(yùn)用PRO/D與PRE共同完成的一款相相機(jī)造型,設(shè)計(jì)步驟首先在PRO/D里進(jìn)行曲面建模,并把數(shù)據(jù)導(dǎo)入到proe完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4、結(jié)束語

CAD技術(shù)的飛速發(fā)展,不僅意味著設(shè)計(jì)手段的改變,同時(shí)改變了工業(yè)設(shè)計(jì)的思維方式。推動(dòng)著制造業(yè)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造到技術(shù)管理一系列深刻、全面、具有深遠(yuǎn)意義的變革,這是產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造業(yè)的一場技術(shù)革命。CAD技術(shù)的應(yīng)用,將計(jì)算機(jī)的快速性、準(zhǔn)確性以及信息高度集成性和設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)造性思維、綜合分析的能力充分地結(jié)合起來,實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品概念、造型設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝配及動(dòng)畫演示直到工程制造全部過程計(jì)算機(jī)化,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的系統(tǒng)化,縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,從而創(chuàng)造出實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、美觀宜人的產(chǎn)品。

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