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CAD技术在机械产品设计中的应用现状及对策

2019/10/13    来源:百度文库    作者:黄继明      
关键字:产品设计  CAD  机械产品设计  
本文分析CAD技术在机械产品设计中的应用现状及存在的问题,结合机械行业的特点和CAD技术的发展趋势,对机械制造产品设计中的CAD技术应用提出几点建议。

    要加快我国整体经济水平的提高和发展、提高制造业企业的竞争力,企业信息化建设是一个有效而非常重要的手段,而CAD技术是制造业技术创新的基础,更是企业全面信息化的基础,所以采用CAD技术是企业进行全面信息化建设的第一步。但由于多方面的原因和行业的特殊性,从事机械产品设计和制造的人员并没有意识到CAD技术的重要性,这在很大程度上限制了机械产品设计质量和设计效率的提高,从而使机械制造这个CAD技术最先涉足的最古老的传统工业发展缓慢,严重制约了我国整体经济水平的提高和发展。

1 应用现状

    根据笔者的了解、实地调查和亲身体会,在机械产品设计中,CAD技术的应用主要集中在以下2个方面。

    1.1 计算机二维绘图和三维实体造型

    CAD技术产生的初期,由于受到计算机运算速度和图形功能的限制,只能进行一些简单的二维图形绘制,设计者的大部分思想无法表达。但是现在,CAD技术已经有了质的飞跃,已经由形成之初的计算机辅助绘图(Computer Aided Drawing),发展成为了真正意义上的计算机辅助设计(Computer Aided Design)。据调查,目前在机械行业中应用比较广泛的二维CAD绘图软件依次是:AutoCAD、CAXA电子图板、开目CAD、机械设计师CAD、InteCAD、PCCAD等,对应应用CAD技术的时间如表1。

表1 应用CAD技术的时间

应用CAD技术的时间

    但是,在多数设计人员思想里,由于没有充分认识到CAD技术的巨大潜在功能,一提起CAD,首先想到的还是简单的利用计算机进行绘图,而不是有效地、全面地进行计算机辅助设计。另一方面,工程图纸的绘制确实是机械产品设计中的一项重要的工作,使用CAD技术后,无论是绘图的质量、速度、规范程度、标准化程度还是效率都比手工绘图时代有了很大的提高。特别是在图纸修改和变型产品的设计方面,可以大大地缩短设计周期。但值得注意的是,目前多数企业的图形CAD系统只能将设计过程的最后阶段——绘图阶段搬到计算机上,设计过程仍在设计师的头脑中完成,总的设计效率没有提高到应有的高度。另外,许多使用CAD技术时间不长的企业只关注绘图,对于图形分析、图纸资料的共享、信息集成化等较高层次的CAD技术应用,则缺少必要的认识。总的来说,以上CAD技术的应用层次,没有充分地发挥CAD技术的内涵和功能,基本上还停留在CAD技术的初期水平。

    此类应用的另一形式为产品的三维实体造型。目前在机械行业中应用比较广泛的三维CAD软件依次是:CAXA电子图板、Pro/E、SolidWorks、UG、CATIA、Inventor/MDT、MDA2000、I-DEAS、XTMCAD-3D等。但实体造型技术的应用还局限在单个零件的造型设计、自由曲面设计等方面。建立实体模型的目的仅仅是求解产品的质量大小、质心位置、惯性矩大小等物理量特性、进行交互的计算机模拟装配、干涉检查和三维机构运动检查、为有限元和动力学计算提供物理模型等。计算机完成的工作仍属于“甩图板”的层次,既仅仅减轻了设计人员的体力劳动,而不能精确、全面地表达产品的所有属性和进行产品的性能分析,产品开发过程仍然是沿袭传统的模式,离变量化的造型技术还有相当大的距离。

    1.2 性能分析和结构优化

    严格的说,CAD技术应该包括借助计算机进行产品的性能设计和结构优化设计技术,即CAE计算机辅助工程(Computer Aided Engineering)技术,而不仅仅是代替简单而重复的人工劳动。如果说上述的CAD技术应用的方式主要体现在机械设计人员上,那么这种应用方式则在产品工程特性尤其是力学专业设计人员中体现得较为明显。

    在进行产品设计过程中,产品设计人员应该进行产品的性能分析设计和结构优化设计,并将产品的形体设计与产品性能设计结合起来,运用相关计算机辅助设计技术实现对产品各主要零部件的动、静态分析和结构形体等的优化。

    目前,对于基于产品性能分析与优化设计的CAD应用,很多企业仅仅是用CAE软件对产品静、动态力学性能进行分析计算,将计算结果返回给产品零件结构设计人员,零件结构设计人员根据计算结果进行优化,然后再计算,再优化,如此反复。而且很多结构设计人员和分析计算人员使用的是不同的计算机软件,各自拥有自己的零件实体模型,产品设计的各个阶段是一个个信息“孤岛”,没有能够把各阶段的信息有机地结合起来,彼此脱节,不能实现产品信息的共享,大大地降低了产品的设计效率和准确度。

2 存在的问题

    目前国内和国际市场对机械产品的需求复杂多变,大部分的机械产品已经不在是大批量、少品种的需求,而是小批量、多品种的需求。机械产品的设计和制造单位要对此做出适应性的调整,对机械产品的需求做出快速的响应,满足市场的需求。

    CAD技术的应用在国内机械制造行业中,主要存在以下几个方面的问题。

    2.1 对应用CAD技术的认识不够准确,主要表现为以下两个极端

    (1)不注重使用正版软件

    一些企业由于规模相对较小,经济能力也相对薄弱,既想应用CAD技术,又怕多花钱,因此,不约而同的选择了盗版CAD软件。表现在有许多企业的CAD系统微机为拼装机,而软件为AutoCAD等盗版软件,这样做,前期的确能为企业省不少钱,短期内也能见到效益,但随着时间的推移,若企业应用CAD技术需要再上新台阶,则其危害性会立刻显示出来,主要表现如下:

    ①由于版权意识差,存在着侵犯知识产权的危险,对保护自己设计的产品不利;②CAD软件是技术含量很高的应用软件,它对应用者的技术水平要求也较高。使用盗版CAD软件让使用者失去了培训机会,很难最大限度地发挥该软件的作用;③使用盗版软件是一种违法行为,也会使用户失去升级换代的机会,知名CAD软件(如AutoCAD)基本是1年升1个版本,而盗版用户则无法使用技术更新后的新软件;④拼装微机性能得不到保障,使开发和维护工作难度加大;⑤硬件性能差使的现有软件运行的稳定性以及CAE、CAM、CAPP等后续软件的可能性降低。

    (2)盲目追求“高档化”

    最近几年,计算机技术发展很快,用“日新月异”来形容毫不过分。一些企业对计算机技术了解不足,也有些出于“赶时髦”的心理,总是觉得软硬件的配置越高档越好。表现在硬件上,就是一味追求高速度、大容量;表现在软件上则为追求“大而全”。但实际使用到的软硬件的容量和功能很低,造成了极大的资源闲置和浪费。

    实际上,CAD技术的使用也应与企业的技术能力、经济实力及发展趋势相适应,并非越高档的CAD系统对企业的设计效率提高的越大,前几年的“工作站热潮”就暴露出这方面的问题,盲目追求“高档化”会给企业带如下2个问题。

    ①使用难度较大、普及率低下,设备利用率明显不足;②对软件要求苛刻,软硬件维护费用较高,而且大多功能难以发挥作用,造成投资的大量闲置和浪费。

    2.2 满足现状,不重视对产品设计和开发的投入

    很多企业领导认为目前甩掉了图板,已经能够满足企业的设计需求,产品绘图已不是产品开发周期中的瓶颈问题,并且产品的设计质量和速度较手工时代已经有了“令人满意的”提高,目前的产品设计自动化水平也已经得到了多级部门的表扬,再对产品设计部门增加投入,就难以协调与企业内部其他部门的关系了,这种思想在采用了三维造型系统的企业中尤为突出,完全没有认识到造型设计仅仅是产品设计的部分而非全部。此外,企业在开发方面的投入也非常有限,从费用投入来看,在各阶段实施某种修改所需费用相差大。根据欧美及日本等发达国家的统计,如果在设计开发阶段实施某种修改所需费用是1,那么到了试制阶段才实施这种修改所需费用就可能是10,若到了产品定型生产阶段才发现问题,实施这种修改所需费用是100,若直至产品上市销售、服务阶段才发现问题再作设计修改,则所需费用就能高达1000。我国大中型企业研究开发人员约占职工总数的4%,而日本机械制造企业研究开发人员占职工总数的比例—般在10%以上;我国大中型企业研究开发经费占销售额的比例为1.5%,而日本机械制造企业投入的研究开发经费占总销售额比例为4%~10%,如日立公司1年的研究开发投入就高达4000亿日元。

    2.3 对信息集成重要性的认识模糊

    这类问题的集中表现为,企业的软硬件建设随意性很大,造成单元分割、数据独立、信息集成化程度不高、信息交换标准不统一。由于CAD技术在企业的大量推广应用,设计制造数据迅速膨胀,不同的CAD系统之间、CAD系统和其它系统之间的数据交换和数据共享得不到很好的解决,这成为当前困扰着工程技术人员的严重问题。目前所采用的不同交换标准形成了信息壁垒,严重影响了CAD技术的发挥。有的企业拥有大量高档数控设备却没有CAM软件支持,只部分发挥了设备能力,效益不高,有的企业实施了PDM和ERP,可是它们并未真正集成,一些企业在产品编码方面基于各种原因,采用多码制方式,影响了企业信息流的交换。

    2.4 应用人才缺乏,并且不注重人才的培养

    目前,在职工程设计人员通过设计实践,已具有较为丰富的专业知识,但缺乏应用CAD技术的知识和能力,影响了CAD技术的普及和应用。CAD是一项高新技术,人的因素极为重要,没有一支相对稳定且技术水平较高的队伍,推广和普及CAD技术是一句空话。CAD对操作者的专业知识、外语能力和计算机水平要求较高,技术人员一般需要相当长的时间熟悉CAD,了解其功能和用法,但很多工程技术人员忙于事务,没有较为系统的再学习机会,同时知识专一,不能够适应需要综合知识的产品开发。虽然继续教育已提到教育管理的议事日程上来,但是由于我国企业总体上工程技术人员资源短缺,一些在技术部门承担要职的人员几乎不可能有静心学习的时间。由于许多企业对设备的期望值过高,而往往忽略了作为使用者的技术和能动性的培养,造成高档设备在低水平运转。用计算机进行设计和绘图是现代科技的产物,这对一些老设计员来说肯定存在一个适应的过程。而且要想软件发挥最大的作用,这就必须对有关人员进行专业培训,否则设备不能发挥其应有的效率,造成人员短缺和资源浪费也是必然的。

3 对策

    3.1 选择适合于本单位实际水平和需要的CAD软件系统

    面对各种CAD软件该如何选择,有以下几项因素应着重考虑。

    (1)软件的功能应满足自身发展的需要企业在选择软件时,应注意综合性能的对比,除了软件功能要齐全、商品化程度要高、软件运行的稳定性要好外,特别应当注意功能是否能够满足企业自身产品设计发展的需求。

    (2)软件的文件转换接口好对于许多企业来说,除了要有能实现甩掉图板的大量的普及型二维绘图软件外,随着计算机技术的提高和生产发展的需要,可能还要配备先进的三维设计软件和工作站,适应CAD/CAPP/CAM集成的需要,这样就要求企业在选购二维绘图软件时要考虑它具有很好的文件转换接口,如ICES、DXF等通讯接口,以满足微机信息与工作站信息能够实现异型系统之间的通讯。

    (3)软件公司的背景可靠买软件不但要买软件强大的功能,还要买软件的技术力量支持,软件公司的背景对软件的前途有很大的影响,这关系到用户的投资是否能够得到持续的保护。一般来说,技术力量强,资金雄厚的公司软件,综合应用水平往往比较高,售后服务和版本更新及时,生命力强。用户购买这种软件后就如同搭乘上了一列快速行驶的列车,能不断地享受到软件在技术上免费升级带来的好处,使投资能够保值和升值,使自己从购买软件之日起就一直走在CAD技术应用的前列。

    (4)软件的开放性商品化的CAD软件面向整个市场中各行各业广大不同用户,软件现有功能再强,也不可能完全满足用户的特殊要求。因此,要求软件能提供很好的二次开发工具,可方便地进行应用开发,并集成到CAD软件中。也就是要求软件应具有很好的开放性,使用户结合自身企业要求开发出的新模块,嵌入到软件中去,开放性好的软件市场适应能力和生命力就强。

    (5)软件销售商的技术能力强软件销售商应具备工程应用方面的知识和实际工作经验,这样能很好地帮助用户解决实际问题,并使用户能很快地掌握CAD软件的应用。优良的售后服务能尽快地使用户把CAD技术转化为现实的生产力和效益。

    3.2 认清CAD技术的发展趋势

    (1)协同工作并具智能化是CAD技术发展的一个方向

    ①数据共享,协同工作协同设计是计算机设计的高级阶段,是加快设计进度、提高设计质量的保障。协同工作可以实现一个专业的设计改动能在其它专业的图上有所反映,实现数据共享就可以做到不会再为同一修改而作重复劳动。例如在用三维参数化特征造型技术对产品进行造型设计、重心计算、装配模拟时,就需建立三维参数化标准件库,如轴承库、紧固件库、加工刀具库、加工工艺参数库等,使这些信息、数据在设计时可以实现共享。现代制造业的一个重要标志是大量使用外协加工件,而实现图纸电子化并可在信息通道上交换就极为重要。

    ②设计过程中引入人工智能建立智能系统是CAD技术发展的另一大趋势。例如,在产品设计中经常要考虑,零件结构是否合理、立体造型是否美观、与其它零件是否干涉等。如果这些工作都能交由计算机来做,进行智能分析,那将会带来产品设计领域里的又一次质的飞跃。传统的CAD绘图软件都是用固定的尺寸值定义几何元素,这对产品设计,尤其是创新设计带来许多不便,而增加了参数化和变量化设计模块之后,绘图的灵活性就大大地增强。若将参数的定义、变量的赋值和欲设计的产品的品性、属性及设计者的意图结合起来,并由系统附设的模块来自动完成,则设计过程中的智能化就会有更好的效果了。

    (2)建立在网络上的CAD/CAPP/CAM系统已成为以后CAD技术的主要趋势

    单机应用是设计技术应用过程中关键的一步。通过单机应用设计,使许多单位初建了应用平台,培养了一批CAD技术应用人才。然而,单机无论是从管理水平,还是软硬件资源利用上都是相对独立的“孤岛”。单机应用形成生产力后,网络技术就成为CAD技术应用的必然选择。依靠网络,可进行工业上的并行设计,可以提高设计效率,有利于上下设计工序相互衔接、相互监测,还可以及时反馈信息,减少盲目与偏差。随着计算机技术在制造业的广泛使用,仅用CAD技术进行设计是不够的,需要在CAD做出设计后,由计算机辅助工艺设计制定出工艺计划,包括刀具选择、刀具轨迹、切削用量与速度、主轴转速等,然后自动生成NC代码。这就必须将CAD、CAPP与CAM集成为一个完整的系统,而应用网络化CAD技术就自然首当其冲。

    (3)从二维转向三维是CAD技术发展的必然方向

    目前在CAD技术应用中,二维设计软件的使用相当普遍,原因之一是由于工程设计上传统的绘图习惯,但传统的东西未必就是合理的。从设计的观点来看,人们头脑中所构思的设计对象是三维物体,因此,直接用三维实体形式来描述设计对象是最直观、方便省力的设计方式。过去由于计算机技术的限制,直接使用三维实体模型很困难,不得不使用二维设计软件。二维图形表示三维物体有很多局限性,由于二维CAD仅提供了产品零件的线框信息而没有面、体、材料的概念,因而不一定能准确反映实际情况,经常发生错误、碰撞和二义性。随着三维图形技术的发展,加快了三维CAD技术的应用步伐。建立三维实体模型能够更直观、更全面地反映设计意图,并能做到在产品的设计、计算分析、制造等各个环节上实现数据共享,在三维模型的基础上可以进行装配、干涉检查、有限元分析、运动分析等高级的计算机辅助设计工作。例如美国波音777客机的设计、制造、装配和实验已经全面使用了三维CAD技术,实现了100%的数字化和无纸化生产。

    3.3 切实加强对人才的培养和对在职人员的再教育

    人们总在说本国的企业比外国的企业落后,自动化程度低,各种软件系统的使用效果也没有国外企业好,但原因在哪里?就在于人才的差距上。

    机械产品的设计是一项系统的工程,是进行多目标全性能的优化设计,所涉及的学科领域广泛,要求的是复合应用型人才,运用专一的知识不可能设计出性能优良的产品。另一方面,系统的维护以及CAD软件的二次开发需要既擅长计算机知识又有相关专业(机械、电气等)水平的人员来完成,企业如果没有这样的人才,CAD技术只是一个很容易出故障的“电子图板”而已。因此,人才培训是企业应用CAD技术的关键,按照国外的成功经验,CAD系统的投资应为软硬件投资及人才培养费用各40%和60%,这种投资比例很值得企业决策层借鉴。

4 结论

    我国机械制造业的CAD技术应用,已经走过了艰难的历程,目前正在发挥着巨大的社会和经济效益。但面对21世纪的经济全球化趋势,面对信息技术的日新月异,还应该有更高的目标,应该以CAD技术为基础,向企业信息化方向快速发展。只要企业有高瞻远瞩的领导,有一支具有奉献精神、百折不挠、敢于创新、钻研业务的技术人才队伍,笔者相信,我们同发达国家机械产品设计CAD技术水平的差距会越来越小。

责任编辑:程玥
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