三維CAD技術在產品開發設計中的應用

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

設計、制造環節相脫節的問題,提出了一種在產品設計過程中采用Pro/Designer與 proengineer無縫連接的方法,為工業產品造型設計與后期的工程制造的連貫開辟了一個新的途徑,其設計流程的過程為產品設計系統化提供行之有效的措施,從而縮短了產品設計開發周期,實現了產品造型設計的系統化。

    引言

產品的造型設計是一種與藝術、人文、歷史、及自然等相結合的設計,這種設計宜用專門的圖像設計類的軟件,如Coreldraw,Photoshop, Painter,3DSMAX,ALIAS等。這類軟件通常是無太多的數據限制,比較自由、隨意。產品造型設計一般由藝術類的造型設計師來承擔。
產品的結構設計是一種嚴謹的設計。它要求數據準確,符合國家或國際標準,產品的每個尺寸及公差都是以數據為基礎,不可差之毫厘。這種設計是采用專門用于產品結構設計類的軟件,如:AutoCAD,UG,Solidedge,proeNGINEER,SolidWork等來完成。盡管目前一些高端的設計軟件,已經具備了產品復雜造型的設計與渲染功能,但要藝術類的設計師掌握并運用這類軟件,至今還不是一件容易的事。所以從事結構設計的設計師們大都是機械工程師出身,設計的思維與方式完全不同于造型設計師,他們思維是一種完全符合機械設計標準的設計思維方式。
那么,兩種設計將如何在產品的設計中得到結合,且得到較好的結合,并且更好地完成從設計到加工程序的轉換?成為我們進行產品設計所要考慮的問題。

    1、CAD技術應用于產品設計

作為工程技術與美學藝術相結合的一門新科學——產品造型設計,是現代工業產品設計中的一種現代設計方法。它來源于社會的物質生產,與人類的工業性生產活動和日常生活緊密地結合在一起,隨著人類物質生活和文化藝術水平的提高,產品造型設計滲透到社會的各個方面,從家庭日用品、家用電器、家具等,到各類生產設備、儀器儀表、辦公用品及各類交通工具、公共設施等,產品造型設計已經成為現代工業產品設計中不可缺少的重要部分。合理美觀的造型設計可以在市場競爭中吸引更多的用戶,爭取市場的占有率,創造更多的經濟價值。具有良好的外觀形態、宜人的色彩、舒適的表面質感的工業品可以美化人們的生活和生產環境,豐富人們的精神要求,提高生產效率[1]。

傳統的產品造型設計,一般是在市場調研,制定需求表之后,先展開平面簡圖的構思,形成稍微完整的方案之后,開始繪制三維簡圖,完全定型后再根據需要繪制效果圖、三視圖或制作簡易的模型。在造型設計的過程中,需要工程技術人員、產品造型人員與工人的通力合作,用樣品實物模型來表達設計者的構思,但對每一種方案都制作實物樣品,要付出大量的勞動,還存在著精度低、修改調整困難、設計周期長及成本費用高等問題[2]。

計算機技術的發展,帶來第三次技術革命浪潮,計算機輔助設計(computeraideddesign,簡稱CAD)技術則是計算機在工業領域應用中最為活躍的一支。它集數值計算、仿真模擬、幾何模型處理、圖形學、數據庫管理系統等方面的技術為一體,把抽象的、平面的、分離的設計對象具體化、形象化,它能夠通過“虛擬現實”技術把產品的形狀、材質、色彩,甚至加工過程淋漓盡致地表現出來,并能把產品的設計過程,通過數據管理,實現系統化、規范化,這正是工業設計與CAD技術必然結合的基礎所在。

2、CAD技術對產品設計的影響

計算機輔助技術和手段用于產品設計,不但拓寬了計算機應用領域,同時也對傳統的設計觀念和方法產生了很大沖擊。具體體現在產品設計上可以概括為幾個方面。

2.1 設計表現展示向“無紙筆化”轉變
     計算機輔助產品設計,不需要各種各樣的尺、規、筆、紙等傳統工具,電腦的操作平臺提供了用之不盡的空間,表現的實施過程就是鼠標的點擊與鍵盤的操作,復制、修改等從前繁雜的工作瞬間即可完成,而且干凈、簡單、高效。數字化儀與手寫板的出現和普及,更使得設計在創意草圖階段也可以脫離紙筆手繪的傳統模式, 從而形成徹底的“無紙筆化”設計。

2.2 設計方案交流方便快捷
網絡的發展拉近了人與人的距離,在計算機網絡中,設計者與委托方之間,可以更加方便地交流設計觀點,而且可以在任何地方在第一時間與對方交流。另外,可以通過網上的資源共享,進行分工合作。

2.3 整體設計程序更具靈活性和高效性
     在計算機上,產品的創意方案可以通過快速的三維建模、渲染,實現立體設計,并且在形體感覺、形態調整、色彩、肌理等方面進行隨時的改變調整,傳統的效果圖失去了原有的地位。設計中,大量的時間、精力可用在分析、評價、調整上,使傳統的設計程序在側重點上有了變化。同時,計算機的內容都是數字化的,文件復制沒有任何損失,這樣對同一設計,其他人也可共享,設計任務也可分階段、分人、分地點完成,大大提高了工作效率[3]。

2.4 產品開發周期縮短、設計成果更為真實可靠
工作效率的提高使產品開發周期明顯縮短,計算機輔助制造使樣機的制作周期也大大縮短。計算機輔助設計的結果具有真實的立體效果和質量感,尤其是數字技術的迅速發展,使虛擬現實成為可能,計算機虛擬現實技術能使靜止的設計結果成為虛擬的真實世界,人置身于真實的產品模擬使用環境中,以檢驗產品的各方面性能。

計算機輔助產品設計中,產品的生產工藝過程也可以通過計算機模擬出來,由此可以極大地增強生產計劃的科學性和可靠性,并能及時發現和糾正設計階段不易察覺的錯誤。

2.5 設計仿真和設計檢驗
利用CAD系統的三維圖形功能,設計師可在計算機屏幕上模擬出所設計產品的外形狀態,在設計之初就對產品進行優化這樣就不但可使產品具有優越的品質、最低的消耗和最漂亮的外觀,而且在新產品試投產前,就可以對其制造過程中的結構、加工、裝配、裝飾和動態特征做到恰如其分的分析和檢驗,從而提高了產品設計的一次成性。

2.6 設計與制造的緊密結合
CAD的設計數據既可用于設計仿真CAE(計算機輔助工程),也可以通過數據傳輸系統與數控加工設備聯結,將設計數據直接用于產品零配件的加工,即CAM.計算機輔助設計CAD的引入可自動完成從設計到加工程序的轉換[4]。

3、運用CAD技術進行產品設計

3.1 proe參數化設計在工程中的應用
參數化設計(Parametric)(也叫尺寸驅動Dimension-Driven)是CAD技術在實際應用中提出的課題,它不僅可使CAD系統具有交互式繪圖功能,還具有自動繪圖的功能。目前它是CAD技術應用領域內的一個重要的、且待進一步研究的課題。利用參數化設計手段開發的專用產品設計系統,可使設計人員從大量繁重而瑣碎的繪圖工作中解脫出來,可以大大提高設計速度,并減少信息的存儲量。參數化設計的關鍵是幾何約束關系的提取和表達、約束求解以及參數化幾何模型的構造。1988年,美國參數技術公司(ParametricTechnologyCorporation,PTC)首先推出參數化設計 CAD系統proengineer(簡稱proe),充分體現出其在許多通用件、零部件設計上存在的簡便易行的優勢。它的主要特點就是:基于特征、全尺寸約束、全數據相關、尺寸驅動設計修改。

     proe通過一種獨特的、參數化的以及面向零件的3D實體制作技術,徹底改變了傳統的設計理念,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換,真正實現了CAD/CAM系統。盡管proe在通用件、零部件設計上存在很大的優勢,但是要想直接在proe中完成曲面繁多的產品造型是非常困難的事情。不是不能完成,是要耗費大量的精力和時間,這樣就又增加了設計的周期。

這樣我們可以采用PTC公司的工業設計軟件Pro/Designer(簡稱Pro/D)進行曲面設計,由于Pro/D與proe采用的是同一數據庫,兩者之間是無縫連接的,因而在設計中造型設計師和結構工程師可以更好的協作。

3.2 Pro/D的曲面設計能力
對于工業設計人員和那些想構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可以構建高質量的自由曲面模型,并且可以很容易的轉換到其他基于制造工程的CAD系統中。
Pro/D能夠創建真實而精確的幾何體,利用它可以更加容易的創建模型,縮短設計周期。利用Pro/D可以把視覺上的美學要求和模具制造過程中的工程要求很好的結合起來,這一點在創建自由曲面模型的過程中現得尤其顯著。

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

3.3.1 與proe直接交換數據
如果兩個軟件都在同一臺機器上運行,可以采用直接傳輸的方法。直接傳輸法速度更快,并且對于復合傳輸適應性更強。在一個Pro/Designer的進程中,可以從當前的proengineer進程中調用零件或組件,也可以將Pro/Designer中的數據以CDRSIn特征的方式直接傳遞到 proengineer中,每一次傳送請求都會在兩個軟件中自動更新各自的幾何體。

3.3.2 以文件方式與proe交換數據
如果兩個軟件不在同一臺機器上運行,可以使用文件傳輸的方法來傳遞并更新數據。一般情況下是在Pro/Designer里面輸出為IGES等中間轉換文件,然后proengineer里打開轉換文件。

3.4 造型復雜產品三維設計的CAD應用
對于造型裝飾性強,特別是包含復雜曲面的產品,可以使用Pro/D與proe組合起來進行,造型設計師在Pro/D里面做ID、做曲面建模,直接從 Pro/D里啟動proe,把數據導到proe由結構設計師進行結構設計,在整個設計過程中甚至結構設計全部做完了,由于客戶的要求或設計師對方案的局部要進行更改,這時只須在Pro/D里面改動,改好后存好再原名稱送給proe,那么proe里也得到改變,而結構不用重做(當然修改要使結構有存在的條件,即它的父特征不會有問題)。具體的設計流程如圖1所示。

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

    (2)三維造型設計:方案確定后,由設計師利用Pro/D進行曲面設計。

    (3)三維造型設計確認:將Pro/D里面的模型直接轉入CNC,或RP做出實物模型進行造型檢驗。

    (4)結構設計:將Pro/D里的模型轉入proe里進行細節結構設計。

    (5)結構設計確認:進行裝配和結構模擬分析,確認結構。

    (6)模具設計:將proe里的產品傳遞給模具廠進行數控編程。

    (7)生產:將三維圖轉化為二維工程圖,進行工藝設計,進行生產。

    3.5 設計實例

圖2,圖3是運用PRO/D與PRE共同完成的一款相相機造型,設計步驟首先在PRO/D里進行曲面建模,并把數據導入到proe完成結構設計。

4、結束語

CAD技術的飛速發展,不僅意味著設計手段的改變,同時改變了工業設計的思維方式。推動著制造業從產品設計、制造到技術管理一系列深刻、全面、具有深遠意義的變革,這是產品設計、產品制造業的一場技術革命。CAD技術的應用,將計算機的快速性、準確性以及信息高度集成性和設計人員的創造性思維、綜合分析的能力充分地結合起來,實現從產品概念、造型設計、結構設計、機構設計、裝配及動畫演示直到工程制造全部過程計算機化,實現產品設計的系統化,縮短產品開發周期,從而創造出實用、經濟、美觀宜人的產品。

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