（机械设计及理论专业论文）产品造型cadcaecam集成方法研究.pdf

摘要 产品造型作为新产品开发的重要环节，随着计算机的发展，c a d c a e c a m 集成技术 不断成熟越来越多的运用到产品设计中。应用计算机辅助进行产品造型设计已成为产品 设计领域研究的热点。本课题将应用现有的计算机辅助设计与分析软件，针对机电产品 造型设计特点，探索c a d c a e c a m 集成方式，以提高机电产品造型设计的自动化程度， 并提高产品造型设计效率和质量。 本课题一方面，注重吸收已有的产品设计、制造方面c a d 、c a e 、c a m 各方面的研究 成果，特别是计算机辅助软件之间数据转换和新产品造型设计的研究成果；另一方面， 又根据产品造型设计本身的特点，有针对性地展开了以小型挖掘机造型设计，从前期的 外观设计到驾驶室车门强度与刚度分析，以及车门冲压模具设计、分析与制作，总结出 基于产品造型设计的c a d c a e c a m 集成方式。其主要研究内容如下： ( 1 ) 分析c a d c a e c a m 技术及其集成发展情况，研究机电产品造型c a d c a e c a m 集成模式； ( 2 ) 探索产品造型设计开发过程中基于消费者的产品布局方案生成方法，并以挖掘 机造型布局方案设计为例进行应用方法说明； ( 3 ) 综合应用p r o e 、a n s y s 软件、r p 技术探索产品造型c a d c a e c a m 集成实 现方法，并以小型挖掘机驾驶室车门造型为例进行说明； ( 4 ) 用h t s 一3 0 0 台式快速成型机制作了小型挖掘机驾驶室车门造型冲压模具模型， 并对其进行了分析与评价。 关键词：产品造型设计；c a d c a e c a m 集成；小型挖掘机造型；冲压模具；r p 技术 a b s t r a c t p r o d u c tm o d e l i n g ，a sa l li m p o r t a n tp a r to fn e wp r o d u c td e v e l o p m e n t ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t e r , i n t e g r a t i o nt e c h n o l o g yo fc a d c a e c a m i su s e di np r o d u c td e s i g n i th a sb e c o m eah o ta r e ao f r e s e a r c ht h a ta p p l i c a t i o no fc o m p u t e r - a i d e di np r o d u c t - d e s i g n t h i ss u b j e c tw i l lu s ec o m p u t e r - a i d e dd e s i g n a n da n a l y s i ss o f t w a r et oe x p l o r et h ec a d c a e c a mi n t e g r a t i o n ，c o n s i d e r i n gt h ef e a t u r e so f m e c h a n i c a l a n de l e c t r i c a lp r o d u c t s i tw i l le n h a n c et h ea u t o m a t i o no fd e s i g na n di m p r o v ee f f i c i e n c ya n dq u a l i t y o nt h eo n eh a n d ，t h i ss u b j e c t ，a b s o r b i n ge x i s t e dp r o d u c td e s i g n ，m a n u f a c t u r i n g ，a n do t h e ra s p e c t so f c a d c a e c a m r e s e a r c h ，p a r t i c u l a r l ya m o n gt h ed a t ac o n v e r s i o no fc o m p u t e i - a i d e ds o f t w a r ea n dr e s e a r c h r e s u l t so fn e wp r o d u c t s ；o nt h eo t h e rh a n d ，d e s i g nas m a l le x c a v a t o rb a s e do np r o d u c td e s i g nc h a r a c t e r i s t i c s ， f r o ma p p e a r a n c et ot h es t r e n g t ha n ds t i f f n e s so ft h ed o o ro ft h ec a b ，a sw e l la st h ed e s i g n 、a n a l y s i sa n d p r o d u c t i o no fd o o rs t a m p i n gd i ea s s e m b l y , s u m m e du pt h ep r o d u c td e s i g nb a s e do nc a d c a e c a m i n t e g r a t i o n t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a n a l y s i so fc a d c a e c a mt e c h n o l o g ya n di t si n t e g r a t e dd e v e l o p m e n t ，s t u d yo ni n t e g r a t i o n p a t t e r n so fm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lp r o d u c t sc a d c a e c a m ； ( 2 ) e x p l o r et h ep r o d u c td i s t r i b u t i o ng e n e r a t i n gm e t h o db a s e do nc o n s u m e ra n dd e s i g nt h ed i s t r i b u t i o n o fa ne x c a v a t o ra sa ne x a m p l et h ea p p l i c a t i o no ft h em e t h o d ； ( 3 ) u s i n gp r o e ，a n s y ss o f t w a r e ，r pt e c h n o l o g yc o m p r e h e n s i v e l yt oe x p l o r ep r o d u c td e s i g n c a d c a e c a mi n t e g r a t i o nm e t h o d ，a n dm o d e l i n gas m a l le x c a v a t o rc a bd o o ma sa ne x a m p l e ； ( 4 ) u s i n gh t s - 3 0 0d e s k t o pr a p i dp r o t o t y p i n gm e c h a n i s md o o rc a bm i n ie x c a v a t o rs t a m p i n gd i e d e s i g nm o d e l ，a n da n a l y s i sa n de v a l u a t i o ni t k e yw o r d s ：p r o d u c td e s i g n ；c a d c a e c a mi n t e g r a t i o n ；m i n ie x c a v a t o rs t y l e ；s t a m p i n gd i e ； r pt e c h n o l o g y 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究2 1 1 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 敝储戤：哗严伽日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 。 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) ， 论文作者签名： 导师签名： 科参 弓艺知k 日 7 日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早三百下匕 1 1 课题的研究背景、意义和来源 1 1 1 课题的研究背景 c a d c a e c a m 技术的最大特点就是将入的创造能力和计算机的高速计算能力、巨 大存储能力和逻辑分析能力有机地结合起来。这项技术以计算机及其系统软件和外围的 各种设备为基础，包括有二维绘图设计、三维造型设计、数控加工技术( n c ) 、有限元 分析( f e a ) 以及优化设计、仿真模拟技术和产品数据管理( p d m ) 等内容。 c a d c a e c a m 技术经过几十年的研究和广泛深入的应用，越来越成熟，同时随着科学 技术水平的迅猛发展和实际工程应用同益增长的趋势，其内涵也在不断地发生着变化【l 】。 1 、参数化 传统的实体造型技术都是采用无约束自由造型技术，即用固定的尺寸数值来定义几 何元素，输入的每条线都有其确定位置，如果想修改结构形状，只有重新造型。而在新 产品设计过程中不可避免地要多次修改，进行零件尺寸和形状的综合优化协调，而且大 多数新产品设计都是在原有的设计基础上进行改进。因此，对c a d 系统的编辑和修改 功能提出更多要求，即“设计就是修改”。 参数化设计( p a r a m e t r i c ) 即尺寸驱动( d i m e n s i o n d r i y e n ) 是c a d 技术应用于实际 中提出的问题。它不仅使c a d 系统具有交互式绘图功能，同时也具有自动绘图的功能。 当前它是c a d 技术应用领域内的一个非常重要、且有待进一步研究的课题。参数化能 够极大地提高产品设计效率。通过尺寸驱动，一方面为用户提供设计对象准确、直观的 反馈，另一方面随时对设计对象进行更改，减小设计中的疏忽。在先进c a d 软件设计 过程中所涉及到的所有参数都可以作为变量，建立起相互间的关系式和约束，增加逻辑 性。这些变量间的关系可以跨越c a d 软件不同的模块，实现设计数据的全程相关。 2 、智能化 目前计算机辅助设计系统智能化程度日趋提高，以前繁琐的操作逐渐由计算机进行 智能化处理，例如图纸尺寸标注，以前每增加一个尺寸或者改变尺寸，就需要很多操作。 而现在用户只要指明需要标注的对象，尺寸就能标注在图上适当位置，甚至自动标注整 个设计对象尺寸，修改图形变得更加方便。系统会猜测用户的设计意图，并根据当下的 设计环境提供相应的人机交互工具，用户感觉非常顺手。 智能型c a d c a e c a m 系统就是人工智能技术应用在机电产品的设计、分析、制造 第一章绪论 中，尤其是机器人技术和专家系统技术。专家系统是一种问题求解智能软件系统，在某 些专业领域内，它把人类专家的知识和经验转换成计算机能够处理和接收的符号形式， 按照专家的控制策略和推理方式，解决该领域内原来只有专家才能解决的问题，达到专 家级水平。智能化c a d c a e c a m 尤其强调它的发展深度，即将人类思维的过程和方 法引入到c a d c a e c a m 系统中，让它具有学习、联想、判断、推理以及听觉、视觉 和语言功能，进而使计算机能在更高水平上、更大范围内模拟实际遇到的设计环境。随 时提供相关的理论和设计经验，来启发设计者的创造性思维，代替或辅助设计者分析、 推断、综合相关的知识、信息和数据，做出对应的设计决策，大幅度提高设计水平，使 c a d c a e c a m 系统达到新的高度。 3 、集成化 c a d c a e c a m 集成系统的研究，就是从产品设计制造的整个过程、企业的全局出 发，避免计算机应用中出现的问题( 例如没有形成统一的整体，没有统一的机型、设备 杂乱，孤立程序中产生的信息数据的不规则等) ，连接分布在产品设计制造的各个领域 里面的计算机应用“自动化孤岛”，以产品设计制造的全过程为目的，让现有的各相关 程序相互连接，将人为干预降到最低。在计算机内形成一个协调统一的信息流，实现设 计、制造过程中各种作业产生的图纸、数据、加工信息和文件，通过一个公用数据库和 自动传递，用户只需通过图形终端来对话计算机。在产品设计、制造全过程中，全部利 用数据库处理和存取信息。c a d c a e c a m 集成的基本方式就是以现有的公用工程数据 库为核心，并联合众多应用程序，让集成系统成为数据库层次上的设计【羽。 集成c a d c a e c a m 系统需具备如下功能： ( 1 ) 三维几何造型、二维绘图功能； ( 2 ) 数据的管理和控制功能； ( 3 ) 管理信息系统功能； ( 4 ) 网络通信功能； ( 5 ) 设计变换控制功能； ( 6 ) 相应的数据库； ( 7 ) 零件分类模块； ( 8 ) 分析工具模块； ( 9 ) f m s 数据的准备模块； ( 1 0 ) 格式转译能力模块。 2 长安大学硕上学位论文 把这些基本模块整合在一个系统上，便构成了一个集成化的c a d c a e c a m 系统。 4 、网络化 c a d c a e c a m 技术向网络化趋势主要是以i n t e m e t i n t r a n e t 为计算环境方面的基础 支撑。网络化技术是实现异地不同的c a d c a e c a m 系统之间的信息、技术传输、资 源、集成以及交互和共享机制的关键方法。网络化c a d c a e c a m 系统具有特征如下： ( 1 ) 网络化c a d c a e c a m 系统在组织结构上应具备异构性和地理位置上的分布 性。网络化c a d c a e c a m 系统拓展了传统c a d c a e c a m 系统的概念和内涵，其各 个系统之间均由异构自治的c a d 、c a e 、c a m 、c a p p 软件构成，而且在地理位置上 具有分散性。 ( 2 ) 网络化c a d c a e c a m 系统是构建在i n t e m e t i n t r a n e t 之上并采用典型的 t c p i p 等通信协议来实现相互通信和信息或资源的集成和传输。 ( 3 ) 网络化c a d c a e c a m 系统采用同步异步协同的方式进行。具备一定权限的 工艺人员、设计人员用基于电子白板的在线交流，用集成音频、视频等机制的协同工作 模式来进行产品的在线设计制造。 由于网络化c a d c a e c a m 系统是基于i n t e m e t i n t r a n e t 的跨地域、跨企业的协同式 新型c a d c a e c a m 系统，因此，工作逻辑与传统的c a d c a e c a m 系统有较大差异 性。网络化后的系统是采用协同式的工作模式进行工作的，而传统计算机辅助系统是基 于单机的孤岛式的系统。网络化充分发挥系统的整体优势，共享设备，节约资源。 c a d c a e c a m 技术的使用，极大地提高了产品设计质量，加速了产品的开发周期， 减短了从设计到生产的时间，缩短了产品的上市周期，实现了产品设计、加工的自动化。 c a d c a e c a m 系统充分发挥了计算机与外围设备的能力，将工程领域中的专业技术和 计算机运用结合起来。 1 1 2 课题的意义和来源 在新产品开发或者旧产品的改良中，作为新造型，其设计的各个环节都关系着产品 的顺利投产。设计流程的好坏直接影响着开发周期和产品质量。产品造型是一个技术跟 艺术结合的过程，其开发过程包括产品概念设计、方案优选等前期创意设计阶段，还包 括工艺设计、制件设计、模具方案设计、模具结构设计、装配设计、模具制造规划、成 形模拟、模具估价等后续的一系列制造环节，而且各个环节之间关系密切、相互制约和 影响。而长期以来，产品前期造型设计跟后期的功能分析、结构设计、模具的开发都是 第一章绪论 分开进行的，彼此之间缺少关联性。工作由不同的部门去完成，既浪费了时间，又增加 了产品的生产周期。采用的是串行设计方法，即新产品在设计开发过程中设计活动是顺 序进行的。由于顺序，各阶段的开发人员的主要精力在本阶段的开发功能上，很难顾及 到下一阶段所要考虑的因素。这样就会引起后阶段设计往往要求大幅度修改或重新设计 前阶段设计。即使如此，也很难保证能把设计师最初的意图表达出来，生产制造出具有 创意的产品，甚至产品制造出来以后才能发现有些问题。 这样，从最初的创意造型到结构件的分析以及后面的模具设计一系列活动往往需要 经过设计、分析、制造、试制，到模具修改，甚至重新设计的多次反复，使得产品设计 成本高、周期长，甚至否定造型方案，从而造成资金和时问的极大浪费。 为此，把各企业纷纷采用的在制造业中出现的柔性制造系统、并行工程、计算机集 成制造系统、敏捷制造系统、智能制造系统、虚拟制造系统以及快速原型制造等管理方 法和先进制造模式综合起来，集成化的思想就是这一结果。它通过集成企业内各个部门 的资源，重视早期设计阶段的设计质量，在设计阶段就全面展开产品开发生产的整个过 程，以确保设计和制造的一次成功率。提高新产品造型件质量、降低新产品的开发成本、 缩短新产品开发周期和新产品上市时间。可以说，产品造型件c a d c a e c a m 集成开 发研究是解决造型件一次设计合理性的最佳途径。所以应用产品集成化思想来解决这些 问题，提高产品造型设计的效果是本文的目的，也是本文选题的重要依据。 然而，鉴于集成化具有交叉的、并行的、协作的工作方式特点，这些新模式特点给 产品设计开发过程带来了更多新的制约，如复杂的信息依赖关系、时序关系和资源约束 关系等，这些约束反过来又制约了新产品开发活动的并行进行。因此只有在开发过程中 对设计活动进行合理规划，对这些约束进行有效管理，才能真正提高设计的并行度，缩 短设计时间。 随着国民经济活动和工业产品技术的不断发展，在满足基本的使用前提下，各行业 对产品造型的需求越来越多，要求也越来越高。现阶段我国产品造型设计整体水平不高， 能力不足，新产品的生产制造周期长已成了新产品开发的瓶颈。可见研究和发展产品造 型c a d c a e c a m 集成技术，提高设计师技术水平，对产品造型设计开发具有重要现 实意义。 1 2 产品造型与c a d 产品造型设计是一门集人文艺术和计算机技术于一身的综合性学科，随着商业化进 4 长安大学硕上学位论文 程的快速发展，市场对产品的外观造型十分关注。 在进行产品造型设计的时候，还须考虑到结构问题，比如产品结构的合理性、生产 工艺的可行性、留出适当的空间用于安装某些配件等等，有些产品还要考虑散热问题等 等。产品造型设计与结构设计是一体的，必须很好地配合才能设计出优秀的产品。 利用计算机辅助技术进行产品造型设计，可在虚拟环境中使虚拟产品与人发生交互 活动，实现设计过程中造型信息的及时反馈和实时评价，利用网络环境直接面向消费者 展示产品外观、性能，克服传统表现手法的局限性，减少设计周期和费用，使产品更加 符合消费者实际需求。 c a d 系统主要由数值计算与处理模块、交互绘图与图形输入输出模块、存储和管理 设计制造信息的工程数据库模块组成，其主要功能包括： ( 1 ) 造型功能，实体造型和曲面造型的功能。 ( 2 ) 强大的图形编辑功能，包括绘图、编辑、图形输入输出和图形渲染等。 ( 3 ) 三维运动机构的仿真和分析。 ( 4 ) 提供二次开发工具，以适应不同情况、不同行业的需要。 ( 5 ) 数据的管理能力，以产品为中心对设计信息和相关的信息进行管理，提高设计 部门整体效率。 ( 6 ) 数据交换功能，提供通用的不同文件格式转换接口，达到自动检索、快速存取、 不同系统间交换与传输的目的【4 1 。 ： 在现代c a d 系统中采用了许多先进的技术和设计思想，大大提高了设计效率。如： ( 1 ) 基于特征的参数化设计。“特征即是为体现设计师的意图而提出的，它是用 包含加工信息的易于识别的单元，如槽、倒角、孔等，来取代以往的纯几何描述，如圆 或直线。在设计过程中，用户可以通过定义约束模型形状的参数，来改变模型的几何形 状；也可以通过约束管理来确保设计模型的各部分具有正确的用户拟定关系，如相切、 同轴或平行等。 ( 2 ) 草图功能。草图功能允许用户在设计绘图中首先进行草图式的设计，即不用关 心线段是否水平或垂直，线段连接是否正确，只要在草图上标出重要尺寸，系统会作出 对应的调整，这样使得设计师在概念设计阶段就能集中精力于全局而不是细节。 ( 3 ) n u r b s 曲面的构造技术。n u r b s 即非均匀有理b 样条曲线，它是在c a d 绘图 中用来定义复杂的几何曲线、曲面以及精确的二次曲线、曲面时运用的统一算法和表示 方式。用n u r b s 技术构造的曲面方便生成、修改和存储，提高了c a d 系统构造和编辑 第一章绪论 陆面的能力。 ( 4 ) 相关性设计。相关性设计是指整个开发过程中，设计者在任何时候所做的变更， 它都会扩展到整个设计中，同时会自动更新所有的工程文件，如组件图档和制造资料。 相关性设计让用户在开发周期的任何一点进行设计变更作业，既没有损失，又使设计流 程中的下游部门更早地贡献他们的知识和专业经验，从而有助于实现同步工程【5 1 。 1 3o a f 技术概述 随着市场竞争越来越激烈，新产品的制作周期越来越短。新产品开发中从概念设计 到成品所需的时间越来越短，在产品设计后期发现的不足都势必会推迟新产品的适时推 出，产品制作成本由此增高。所以在设计过程中发现并修改设计缺陷，完善产品性能， 越来越多被企业意识到。 c a e 技术的价值就在于从新产品设计初期，即图纸设计阶段，通过建立基本的计算 机数据分析模型，对所设计的新产品进行相应的运动仿真，强度、寿命分析，得出产品 的性能，来指导新产品的设计，设计产品的可靠性很大程度地提高，设计周期缩短。 c a e 技术是工程分析技术和计算机技术相结合的一门新技术。c a e 软件是一种知识 密集型综合性产品，由计算数学、结构动力学、数字仿真技术、工程管理学、计算力学 与计算机技术结合形成【1 】。 2 0 世纪8 0 年代后期，随着计算机科技的迅猛发展和有限元方法越来越成熟，在产 品设计初期，用来评价试制件以及模具设计、产品工艺设计的可行性，通过故障分析解 决实际问题。在大批量生产阶段主要运用在缺陷分析，工件生产质量的改善，还可用来 调整材料等级，使生产成本降低。 1 4 挖掘机市场分析 1 、市场现状 自上个世纪九十年代以来，由于国内经济建设的快速发展，国内的工程机械行业也 步入了快速发展期。近年来，小型工程机械作为后起之秀，在施工生产中，开始部分取 代大中型机械的位置，受到用户的普遍欢迎。同时，小型工程机械的发展也可以看作是 中国国情的体现，这个从近年来工程机械市场的发展趋势中可以得出。由于中国是一个 农业大国，农村人口占全国总人口的大多数，尤其是近几年来，国家把经济发展的重心 逐步从城市开始向农村倾斜，新农村建设更是把它提升到了一个新台阶。 6 长安人学硕士学位论文 国内一般将整机重量不超过1 3 吨的挖掘机称为小型挖掘机。随着我国城镇化进程向 广度和深度发展，市政设施和道路的修缮维护及城市小型工程项目的增多，其工程业务 量占社会施工总量的比重也越来越大。据测算，一台1 0 吨位小型挖掘机的作业效率可 以替代3 0 5 0 个劳动力，很大程度上降低了企业的管理成本和施工成本，这种情况使多 功能小型挖掘机的需求量不断上升。2 0 0 2 年行业销售量只有1 4 0 0 多台，到2 0 0 7 年就已 经达到了2 万余台，增长了十几倍【6 列。 2 、未来小型工程机械市场发展特点 从市场主体看，中国未来小型工程机械市场呈现以下特点： 中国小型工程机械应用领域逐步扩大，未来几年市场增长的潜力巨大，销量可能达 到每年3 - - , 4 万台。随着我国基础设施建设的不断推进，国内的建设模式也会逐渐由“大 刀阔斧型向“精雕细刻型 转变，与此同时小型工程机械设备将有越来越大的应用空 间。同时中国新农村建设的逐步深入，小型设备在农村、小城镇建设中的应用将会越来 越多。同时，随着生态建设、园林、环境保护、绿化、农田建设等施工量逐步增加，小 型工程机械也必定有更广阔的舞台。中国小型工程机械购买群体扩大，购买目的日趋理 性。 未来购买小型工程机械的群体将主要为：( 1 ) 租赁公司，施工用户不需要购买、维 护和保管设备，只在需要时以租赁形式获得设备的使用权即可；( 2 ) 工程建设单位购 买设备是为满足公司内部经常性使用；( 3 ) 个体工程承包者，购买设备主要是为了承 接工程。这类客户在小型挖掘机购买者中居多，这些个体购买者将来很有可能发展成为 工程承包商或租赁公司。随着小型工程机械使用的不断普及，客户的使用经验也不断丰 富，购买心理日趋成熟，因此那些经济实用、性价比高的产品会更受市场青睐。客户在 对产品品质要求越来越苛刻的同时，对产品的售后服务也提出了更高的要求。 国内优势企业进军海外市场步伐加快。中国国内工程机械价格普遍低于国际供应商 的同类产品，具有性价比优势，具有良好的出口竞争力。本土企业产品质量得到了较大 的提升，与国际一流水平接近，所以本土优势企业的产品在海外将获得更大的市场，出 口量会r 益增大。随着国内企业在海外市场投入力度不断加大，一直阻碍本土工程机械 出口的海外销售和服务网点的建设也已迅速加强，这些都必将促进国内工程机械出口的 迅速提升。 小型液压挖掘机主要特点【8 , 1 0 , 1 1 】： ( 1 ) 广泛的应用了工业造型技术，而且工程塑料的大量使用，采用流线设计驾驶室、 7 第一章绪论 操作区域、发动机平台和框架等，大角度圆弧过渡，加上各种涂料相配，使整机显得明 快宜人线条流畅。 ( 2 ) 行走系统采用橡胶履带。从整体式橡胶履带发展为链节式橡胶履带，方便使用， 增加互换性。一方面不会损伤路面，而且减少震动。 ( 3 ) 在工作装置与回转平台之间设计转向头，可使工作装置左右偏转( 大约5 0 8 0 度之间偏转) ，尤其适用在狭窄地作业时，摆动工作装置在平台不做回转便可完成挖 掘机卸载；还有的为了减少摆动半径在动臂上设计有转向头。设计转向头另外一个目的， 是减少运输距离，减少运输费用。 ( 4 ) 多种附属工作装置的配装。来增加机器的可使用性，减少用户的投入，例如正 铲斗、扫雪机、开沟机、抓斗、液压镐、液压锤、压路机、钻孔机、割草机、扫地机、 推土铲、刨削机等。 ( 5 ) 通过两个油缸，来实现调节底架部分左右履带架之间的距离，在横向作业时增 加机器的稳定性，也可以把推土板宽度加宽。 ( 6 ) 为保持使用者座椅平面水平，当在斜坡上作业时，在底架设计举升油缸，来调 整回转平台的水平性。 ( 7 ) 在驾驶室内通过安装在铲斗上的传感器，就可以确切了解机器的挖掘深度以及 挖掘半径；为了方便查看机器挖掘较深时的作业情况，利用油缸顶升起驾驶室，来增加 操作者的视野。 ( 8 ) 多路阀多放置在驾驶室下，为方便使用维修，驾驶室整体可前翻( 大多数机型) 或侧翻( 例如玉柴机器) 。 ( 9 ) 驾驶室装备暖风机，在寒冷的冬天可提高驾驶室内温度，而在炎热的夏天，可 翻转的玻璃窗，空气流动性好。受到空间位置还有发动机功率限制，一般来说，很少装 备空调。 ( 1 0 ) 考虑到结构、方便装配问题，回转支撑、回转减速机与中央回转接头做成一 体。 1 5 论文主要研究内容 在本文的研究中，一方面，注重吸收己有的设计制造行业c a d 、c a e 、c a m 各方 面的研究成果，特别是计算机辅助软件之间数据转换和新产品造型设计的研究成果；另 一方面，又根据造型件本身的特点，有针对性地展开了以挖掘机造型设计从前期的外观 8 长安火学顾 二学位论文 设计到结构分析以及模具设计制作的集成丌发的研究。其主要研究内容： ( 1 ) 分析c a d c a e c a m 技术及其集成发展情况，研究机电产品造型c a d c a e c a m 集成及其应用方法； ( 2 ) 探索造型设计开发过程基于消费者的布局方案生成方法，并以挖掘机造型布局 方案设计为例进行说明； ( 3 ) 综合应用p r o e 、a n s y s 软件、r p 技术探索产品造型c a d c a e c a m 集成实 现方法，并以小型挖掘机驾驶室车门造型为例进行说明； ( 4 ) 用h t s 3 0 0 台式快速成型机制作了小型挖掘机驾驶室车门造型冲压模具模型， 并对其进行了分析与评价。 1 6 本章小结 本章结合有关文献资料，介绍了产品造型与当前计算机辅助技术相结合的趋势， c a d c a e c a m 的概念，机电产品造型计算机辅助技术集成及其应用方法等内容。同时， 结合我国小型挖掘机市场及生产状况，提出可行性的发展趋势，简要地指出了本文所要 研究内容的要点。 9 第二章c a d c a e c a m 集成产品设计 第二章c a d c a e c a m 集成产品设计 现代工业的进步，从很大程度上来讲得益于计算机技术的发展。计算机软件用于产 品的开发、设计、分析和制造，已成为近代工业提高竞争力的主要方法。计算机辅助设 计( c a d ) 即使用计算机软件直接从事图形的绘制与产品结构的设计；计算机辅助工程 ( c a e ) 是用工程上分析的过程及计算方法来辅助工程师做设计的后续分析；而计算机 辅助制造( c a m ) 是直接用计算机来辅助操作各种的精密机器以制造不同的零部件。正 向设计c a d c a e c a m 集成产品开发过程如图2 - 1 所示。 图2 - 1 正向设计c a d c a e c 棚集成产品开发过程 从图2 - 1 可以看出，产品设计现在的发展趋势是依赖计算机软件系统进行工作，开 发新产品。 2 1 基于三维c a d 的产品设计 随着计算机技术的发展，在很大程度上提高了新产品设计的方法和手段，使得产品 更新周期缩短，产品的市场竞争也更加激烈。在这种情况下，产品适应新市场形势的最 佳途径是产品创新设计。三维c a d 软件系统在设计特点上结合了设计者的创新思维方式， 使设计者能够在三维c a d 环境下，很真实地进行实体创新设计，实现自身的创意。三维 c a d 是对一般意义上的二维设计的革命。运用三维c a d 软件可以同时进行二维出图和三 1 0 长安人学硕十学位论义 维设计。此方法是现代c a d 发展的新趋势。三维c a d 不仅为产品创新提供了技术平台， 也为快速响应市场提供有效手段【1 2 】。 2 1 1 产品造型创新设计 新产品的设计是一个异常复杂的流程，它综合了设计者设计绘图、分析仿真、工艺 设计和制造等各个方面得知识。三维c a d 为新产品的设计创造了一个新的环境，它所 包含的造型工具能进行“自底向上 和“自顶向下 等设计方法，使整个设计流程更加 符合实际装配过程。另外，该系统提供了各种的空间操作工具，方便使用者，让设计构 型如同“搭积木”一样简单易行。 通过三维c a d 技术，可将产品的创意快速转换为立体模型，并能随时针对色彩、 形态、肌理等方面进行调整。目前使用的参数化产品造型方法，它的主要特点是：完全 基于特征、完全约束、全数据相关尺寸驱动。实现在不同的集合元素之间或者特征信息 建立集合特征约束或尺寸关联关系就是基于参数化造型设计的主要内容。这样带来了产 品设计思想的变革与更新，来实现数字化设计与制造的目的。 2 1 2 产品造型设计仿真技术 利用快速成型技术可把三维c a d 直接制作成样机，这样生产周期就会很大程度上缩 短，对模型进行改善来完善这个设计。虚拟现实技术随着数字技术的迅猛发展也成为可 能，使原本固定静止的设计结果成为虚拟的真实，把人置身于真实的产品模拟使用环境 中，这样检验产品各方面的性能。同样，我们可以模拟产品的生产工艺过程，这样极大 地增强了生产计划的可靠性和科学性，并且能够及时发现和纠正设计阶段不容易被发现 的错误。整个设计生产过程都可以在计算机上进行操作完成，使产品的开发周期缩减。 产品设计的发展趋势是产品造型设计过程c a d 化，为此c a d 软件系统应与整个设计 过程相融合。为使c a d 软件系统融合到整个设计过程中，必须构建数字化的产品开发设 计环境，才能满足产品设计过程的需求。 2 2 产品造型o a f 技术 c a e 的技术门类很多，包括有限元法( f e m ) 、有限差分法( f d m ) 、边界元法( b e m ) 等。其中有限元法应用的领域最为广泛，现已应用于结构力学、结构动力学、电路学、 电磁学、热力学、流体力学等。而越来越多的发展是结合不同的研究领域，即多物理场 耦合分析，像流体与结构力学的结合，推动着c a e 的发展。 第二章c a d c a e c a d v l 集成产品设计 传统的工业产品都是依据个人的经验累计而成，运用经验做出初步的设计，再由此 初步的设计去做出原始的模型，此种方法费时而且成本高。现在使用c a e 技术，在设计 图完成后即连接c a e ，作各种的分析，最终得出最优化模型，在短时间内实现产品设计。 下面重点介绍一下c a e 中最常用的技术：有限元法。 2 2 1 有限元法 将实体的对象分割成不同大小、种类的小区域称为有限元。根据不同领域的需求推 导出每一个元素的作用力方程，将整个系统的元素组合并构成系统方程组，最后求解系 统方程组。该法具有以下特色： 1 ) 整个系统离散成有限个元素； 2 ) 处理过程简单明了； 3 ) 利用泛函数值定理与能量最低原理转换成一组线性联立方程组； 4 ) 需巨大的计算机内存与资料输出空间，比较耗时； 5 ) 适用于线性与非线性； 6 ) 较难仿真无限区域的问题。 有限元法的出现，使得许多科学理论在技术上得以实现与应用，极大的推动了各项 技术的发展。大到航天、航空器具，岩土工程，海洋结构工程，桥梁，压力容器，水轮 机械；小到玩具，手机壳，微型机械及计算机内的精密器件等精密机械的设计制造，到 处都有有限元。 2 2 2 典型的c a e 软件 通用软件主要有：m s c 公司的m s c d y t r a n ，m s c n a s t r a n ，m s c m a r c ，a n s y s 公司 的a n s y s ，l s t c 公司的l s - d y n a ，h k s 公司的a b a q u s ， n e i 公司的n e n a s t r a n ，a d i n a 公司的a d i n a 。下面就其中某些软件进行介绍。 1 、a n s y s 公司的a n s y s 软件 基本功能有：结构静力分析，结构动力学分析，电磁场分析，热分析，计算流体动 力学分析，压力分析，声场分析，多物理场分析，优化设计。它有很多优越性：与c a d 软件的无缝集成；高精度非线性问题求解；强大的网站处理能力；强大的耦合场 求解能力；面向用户开放的程序。 2 、m s c s o f t w a r e 的d y t r a n 软件 1 2 长安大学硕士学位论文 它采用基于l a g r a n g e 格式的有限单元法模拟结构的应力和变形，用基于纯e u l e r 格式的有限体积法描述材料流动。用此方法跟踪物质流动的流体功能，有效解决了大变 形和极度大变形问题，如高速侵彻，爆炸分析。其缺点为没有二维计算功能，如轴对称 问题也只能按三维问题处理，使计算量大幅增加。 3 、h k s 公司的a b 悯u s 软件 a b a q u s 是一套先进的通用有限元系统，可以分析复杂的结构力学和固体力学系统。 有两个主要分析模块：a b a q u s s t a n d a r d 提供了通用的分析能力，如应力和变形，质量 传递，热交换等；a b a q u s e x p l i c i t 应用对时间进行显式积分求解，为处理复杂接触问 题提供了有力的工具，适合于分析瞬时、短暂的动态问题。 4 、l s t c 公司的l s - d y n a 系列软件 l s d y n a 是一个通用显式非线性动力分析有限元软件。可以求解各种三维非线性结 构的金属成型，爆炸和高速碰撞等接触非线性，冲击载荷非线性和材料非线性等问题。 该软件功能很强，但操作不简便，适应专业使用。在爆炸冲击方面，功能相对较弱，其 欧拉混合单元中最多只能容许三种物质，边界处理是个难点。 2 3 模具c a d c a e c a m 技术 模具c a d c a e c a m 是一项高科技、高效益的系统工程，是改造传统模具生产方式的 关键技术。它以计算机软件的形式，为企业提供一种有效的辅助工具，使工程技术人员 借助于计算机对产品性能、模具结构、成形工艺、数控加工及生产管理进行设计和优化。 模具c a d c a e c a m 技术能显著缩短模具设计与制造周期、降低生产成本和提高产品质量 己成为模具界的共识【1 3 】。 模具c a d c a e c a m 在近几十年中经历了从简单到复杂，从试点到普及的过程。本世 纪以来，模具c a d c a e c a m 技术发展速度更快、应用范围更广。 随着模具工业的快速发展，近几年来世界各国的软件开发商投入了巨大的人力和物 力，针对各类模具的特点，将通用的c a d c a m 系统改造为模具行业专用的系统，取得了 较大成效。已投入使用的有美国u g s 公司的级进模设计系统n x - p d w 、塑料注射模设计系 统m o l dw i z a r d 、以色列c i m a t r o n 公司的模具设计和制造系统q u i c k 、英国d e l c a m 公司 的塑料模设计和制造系统p s - m o l d m a k e r 、法国m i s s l e ls o f t w a r e 公司的注射模具专用 软件t o pm o l d 和挤压模具专用软件t o pp r o g r e s s 、日本u n i s y s 株式会社的塑料模具 设计和制造系统c a d c e u s 等。这些软件的技术特点是能在统一的系统环境下，使用同一 第_ 二章c a d c a e c a m 集成产品设计 数据库，完成特定模具的设计。n x - p d w 初步实现了模具零件的结构关联，c a d c e u s 的特 色在于三维设计与二维视图的联动，p s m o l d m a k e r 做到了加工信息的自动封装，这些特 点使得专业软件更加宜人化。 2 4 快速成型技术的现状 目前制造领域所面临的具有挑战性的课题：首先要求对市场变化做出快速响应，生 产周期短，产品能够快速上市；其次是能适应产品类型的小批量、多样性生产需求；第 三是要求企业柔性的进行技术、管理。 最近几年来发展起来的快速成型( rp ) 技术是新兴技术。它直接利用c a d 模型快 速生产产品样件或零件，汇总了数控技术、c a d 技术、数字激光技术和材料成型技术等 各方面的技术成果，属于先进制造技术的部分。与传统制造方法相对比，快速成型技术 从零件的c a d 模型开始，运用数控成型和软件分层离散系统，使用激光束或者其他方法 将材料堆积而形成实物模型。而且它能够把造型复杂的三维模型转化为平面的叠加，因 此可以生成几乎任意复杂的零部件但是不用模具和工具，这样就在很大程度上地提高了 制造柔性和生产效率。 在工程设计中，快速成型技术可使设计模型实体化，概念可视化。在产品制造方面 可以实现零部件产品的任意制造( f r e ef o r mf a b r i c a t i o n ) 。在模具制造方面，可以迅速、 经济地获得所需要的模具。与传统的设计制造方法相比，这项新技术是其他无法比拟的。 自问世以来快速成型技术发展异常迅速。结合数控加工、金属冷喷涂、铸造、硅胶模具 等传统制造手段，已经成长为模具和零件、现代模型制造的强有力手段，在汽车、摩托 车、航空、家电、航天等领域得到了广泛应用。众多的高校、公司和科研机构已经从中 得到实实在在的好处，像国外的i n c c h r y s l e rc o r p o r a t i o n ，t e x a si n s t r u m e n t e d ，f o r dm o t o r c o 和a m o pi n c 等，国内有西安交通大学、华中科技大学还有清华大学等这些高校都 在这一研究领域拥有了自己的市场。 为此，在下大力度研究和应用三维c a d 软件基础上的虚拟制造和虚拟设计的同时， 在三维c a d 基础上产生和发展起来的快速成型技术同样要积极研究和采用。快速成型技 术是在反求工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，r e ) 、计算机辅助设计( c a d ) 、快速制模( r a p i d t o o l i n g ，r t ) 和快速成型( r a p i dp r o t o t y p i n g ，r p ) 的信息互联网基础上形成的全新 的快速开发产品的技术。 快速成型技术以高精度和快速性的特点为制造领域带来革命性的创新，提供了新的 1 4 长安大学硕上学位论文 技术支持，推动了制造业的发展。在国内科研工作者经过几年的努力研究，目前国内的 快速成型