计算机辅助工业设计软件及其应用（李帅）.doc

上海大学 2013 14 学年 秋 季学期研究生课程考试（小论文） 课程名称： 计算机辅助设计与制造专题 课程编号： 09SAS9001 论文题目: 计算机辅助工业设计软件及其应用 研究生姓名: 李帅 学 号: 13721458 论文评语: 成 绩: 任课教师: 周传宏 评阅日期: 计算机辅助工业设计软件及其应用 李帅（上海大学 机电工程及其自动化学院，上海200444）摘要：目前，计算机辅助工业设计的软件越来越多，我们面对的学习任务也越来越重，每一款软件都有自己的特点和长处，同时也有其不足的地方，怎样才能行之有效地使用这些设计软件呢？这么多的软件我们都需要学习吗？怎样才能在短时间内掌握我们所需要用到的软件呢？这是我们所要面临的一系列问题，也是我们亟待解决的。正是因为每个软件都有自己的优势和不足，所以我们需要有针对性的学习、应用这些软件，在不同的时期，根据要完成的任务不同，可以学习不同的设计软件，另外，每款设计软件之间具有一定的相通性，这是我们在学习期间需要去发现并掌握的，这样才能有利于我们的学习，提高学习效率。本文通过对这些软件进行介绍，列举相关应用案例，了解这些软件的功能、优缺点，为自己的学习与设计服务。关键词：计算机辅助设计；软件；功能；介绍；学习Computer Aided Industrial Design Software and Its ApplicationLI Shuai(School of Mechatronic Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200444, China)Abstract: Nowdays,the software for CAID became more and more ,as our learining tasks,every software has its feature and advantage,but also have some disadvantage,how to master these software efficiently?Do we need to learn so many design software?How to master these software in a short period of time?These problems are we need to fix.We can learn and use these software according to its advantages and disadvantages.In various period and various design tasks,we should study various software.Moreover,software has some compatible and incompatible for each other,this is what we need to master during the learning process,so it can benefit our study and improve our efficiency.This article via introduce these software,give some example,understanding its function and advantages,serve our perfect design. Key words: CAID;software; function; introduction;learn1 前言随着计算机的快速发展，使工业设计的计算机化达到了相当的水平。计算机辅助设计软件的开发和应用，慢慢取代了原有的手工绘画工具，同时其集二维绘画软件和三维绘画软件于一体，不仅能够提高设计绘画的效率，同时能够将设计人员丰富的设计想象和思维直观的体现出来。通过计算机进行数据分析、建立模型、导入生产系统等等1，在人类生活和生产的重要环节中，产生了越来越广泛的影响，并由此引发新思想正逐渐渗透于工业设计学科领域中。计算机辅助工业设计是指在以计算机软、硬件为依托，设计师在设计过程中，凭借计算机参与新产品的开发研制的一种新型的现代化设计方式，它以提高效率、增强设计的科学性与可靠性，适应信息化社会的生产方式为目的。在产品设计的计算机表达中，主要倾向于对产品的形态、色彩、材料等设计要素的模拟，是当今社会起主导作用的设计方式。计算机辅助设计软件在设计行业中的应用价值2主要体现在：其一，计算机辅助设计软件通过各种绘画工具，使得设计人员设计思路更加开阔，设计质量和艺术性得到有效提高；其二，传统手工绘画设计效率较低，成本较大，而计算机辅助设计软件提高了绘画设计效率，减少绘画设计成本；其三，计算机辅助设计软件内具有丰富的设计案例，可以给予设计人员借鉴或者利用，使得设计周期大大缩短；其四，设计人员可以通过辅助设计软件任意更换设计颜色和形状，对设计质量提高具有重要意义。机械设计的步骤相对比较复杂，通过计算机的使用， 机械设计的每个步骤都可以通过计算机来完成。通过计算机辅助的帮助， 我们可以把一些相对比较复杂的工作由计算机来做。 比如， 零件动力、强度的测试等3。 这对设计的合理性和设计的效率都有着非常大的帮助。 计算机辅助设计经过多年的进步和发展， 技术等各方面也相对比较成熟， 目前广泛应用于机械设计中， 对机械设计起着非常重要的作用， 对机械设计的进步和发展也有着非常重要的意义。随着计算机技术的进步及设计人员的参与，两方面资源的合作，计算机已经成为当今设计领域发生变化的最为重要的标志，无论在设计观念上，还是在设计方法及程序上都为设计带来了全新的理念，计算机辅助设计软件为我们提供的功能足以满足我们对于设计的要求，在部分要求更高的设计中，我们可以采用对软件的二次开发来满足客户以及设计者的要求，在软件使用过程中，相比于传统的设计方式，我们可以在设计过程中不断更改自己的设计作品，直到得到我们想要的设计，传统的设计方法是通过二维表达后，再制作成实体模型，然后根据模型的效果进行改进，再制作成工程图用于生产，这样在二维表达到制作模型的过程当中，人为地误差是想当大的，在绘制工程图纸时设计师对优化方面的考虑需要通过详尽的计算和分析才能做出正确的判别，有时候往往因难而退。而计算机辅助设计软件的介入，使我们真正地实现了三维立体化设计，产品的任何细节在计算机面前都能详尽地呈现在设计者的面前，并能从任意角度和位置进行调整，在形态、色彩、肌理、比例、尺寸、导出设计图纸、装配等方面都可以作适时地调整与变动。在生产前的设计绘图中，计算机可以针对所建立的三维模型进行优化结构设计，大大地节省了设计的时间和精力，而且更4。而且有的专业设计软件，像Pro/E和CATIA等，可以直接进行模具的设计和制造，使设计效率极大地提高。这就是计算机辅助设计软件给我们带来的理念上的新颖。但是我们还是要意识到，软件只是起到辅助的作用，因为在设计思维方面，计算机无法给我们提供较强的支撑，这些还是需要人们的思维去创新，这也是软件给我们带来的一定的局限性。2 计算机辅助工业设计软件的简介2.1 二维设计软件的简介2.1.1 AutoCADAutoCAD（Auto Computer Aided Design）是Autodesk公司首次于1982年开发的自动计算机辅助设计软件，用于二维绘图、详细绘制、设计文档和基本三维设计5。 现已经成为国际上广为流行的绘图工具。AutoCAD具有良好的用户界面，通过交互菜单或命令行方式便可以进行各种操作。它的多文档设计环境，让非计算机 专业人员也能很快地学会使用。在不断实践的过程中更好地掌握它的各种应用和开发技巧，从而不断提高工作效率。AutoCAD具有广泛的适应性，它可以在各种操作系统支持的微型计算机和工作站上运行。AutoCAD的应用领域非常广泛，在工程制图、工业制图、服装加工、电子工业等方面，在本科阶段，机械专业的学生接触的对多的二维设计软件就是AutoCAD6，这都源于软件本身具有的完善的图形绘制功能、强大的图形编辑功能、采用多种方式进行二次开发或用户定制、可以进行多种图形格式的转换、支持多种操作平台以及其本身具有的通用性、易用性，适用于各类用户，从2000版开始，AutoCAD就陆续增添了许多强大的功能，如AutoCAD1设计中心（ADC）、多文档设计环境（MDE）、Internet驱动、新的对象捕捉功能、增强的标注功能以及局部打开和局部加载的功能。其平面绘图功能、图形编辑功能是我们用它的主要方面，针对不同用户要求，我们可以在AutoCAD中更改不同特性来满足客户要求，其自由的标准件库，包括螺栓、螺母、螺钉、螺柱、键、销、垫圈、挡圈、密封圈、弹簧、型材、法兰等常用零部件，模型数据可被直接调用。这样也为我们的设计提供了方便。目前AutoCAD最新的版本为2013年3月发布的AutoCAD2014。2.1.2 CorelDRAWCorelDRAW Graphics Suite是一款由世界顶尖软件公司之一的加拿大的Corel公司开发的图形图像软件。其非凡的设计能力广泛地应用于商标设计、标志制作、模型绘制、插图描画、排版及分色输出等等诸多领域。其被喜爱的程度可用事实说明，用于商业设计和美术设计的PC电脑上几乎都安装了CorelDRAW。该软件是一款矢量图形制作工具软件，这个图形工具给设计师提供了矢量动画、页面设计、网站制作、位图编辑和网页动画等多种功能。该软件图像软件是一套屡获殊荣的图形、图像编辑软件,它包含两个绘图应用程序：一个用于矢量图及页面设计，一个用于图像编辑。这套绘图软件组合带给用户强大的交互式工具，使用户可创作出多种富于动感的特殊效果及点阵图像即时效果在简单的操作中就可得到实现而不会丢失当前的工作。通过CorelDRAW的全方位的设计及网页功能可以融合到用户现有的设计方案中，灵活性十足。该软件套装更为专业设计师及绘图爱好者提供简报、彩页、手册、产品包装、标识、网页及其它；该软件提供的智慧型绘图工具以及新的动态向导可以充分降低用户的操控难度，允许用户更加容易精确地创建物体的尺寸和位置，减少点击步骤，节省设计时间。要掌握CorelDRAW，首先要掌握以下基础要领，基本图形绘制、预设形状使用、铅笔、钢笔贝塞尔曲线精确绘图，对图形进行造形、变换、对齐分布、布尔运算等操作，对图形进行修饰操作，文字操作与文字排版，高级工具使用技巧，效果和位图操作等基础知识与操作。目前在中国大陆用的比较广泛的是其官方中文版X3。2.1.3 PhotoshopPhotoshop是Adobe公司开发的图像处理软件，它主要是进行位图图像的处理，功能十分强大，可以对图像进行编辑和修饰，而且，它应用了图层、通道和路径的概念，处理图像十分方便有效，加上本身的滤镜和外挂滤镜，使创造出的平面设计作品具有神奇的效果，虽然随着Photoshop版本的提高，加入了如矢量图形的绘制等功能，但其位图图像的处理功能在同类软件中还是具有较高的优势。从功能上看，该软件可分为图像编辑、图像合成、校色调色及特效制作部分等。 图像编辑是图像处理的基础，可以对图像做各种变换如放大、缩小、旋转、倾斜、镜像、透视等；也可进行复制、去除斑点、修补、修饰图像的残损等。这在婚纱摄影、人像处理制作中有非常大的用场，去除人像上不满意的部分，进行美化加工，得到让人非常满意的效果。图像合成则是将几幅图像通过图层操作、工具应用合成完整的、传达明确意义的图像，这是美术设计的必经之路；该软件提供的绘图工具让外来图像与创意很好地融合，成为可能使图像的合成天衣无缝。校色调色是该软件中深具威力的功能之一，可方便快捷地对图像的颜色进行明暗、色偏的调整和校正，也可在不同颜色进行切换以满足图像在不同领域如网页设计、印刷、多媒体等方面应用。特效制作在该软件中主要由滤镜、通道及工具综合应用完成。包括图像的特效创意和特效字的制作，如油画、浮雕、石膏画、素描等常用的传统美术技巧都可藉由该软件特效完成。而各种特效字的制作更是很多美术设计师热衷于该软件的研究的原因7。目前Photoshop最新的版本为2012年推出的Photoshop CS6。2.2 三维设计软件的简介2.2.1 Pro/EPro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC）旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。Pro/E第一个提出了参数化设计8的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。图1为Pro/E的用户操作界面。 图1 Pro/E用户操作界面 Fig.1 Graphic User Interface of Pro/EPro/E由Engineer、ASSEMBLY、CABLING、CAT、CDT、COMPOSITE、DEVELOP、DESIGN、DETAIL等模块组成，每一个模块发挥自己的作用，其参数化设计和基于特征建模的能力给工程师和设计师提供了空前容易和灵活的环境。Pro/E的唯一数据结构提供了所有工程项目之间的集成，使整个产品从设计到制造紧密地联系到一起。Pro/E可以随时由三维模型生成二维工程图，自动标注尺寸，由于其具有关联的特性，并采用单一的数据库，因此修改任何尺寸，工程图、装配图都会相应的变动。另外，Pro/E系统自带有标准件库，其包含螺栓、螺母、螺钉、垫圈、密封圈、法兰等常用零部件，模型数据可被直接调用。Pro/E含有在线零部件数据资源库，即为LinkAble PARTcommunity，旨在为基于Pro/E环境的设计者提供完善而有效的零部件三维数据资源，用于本地产品的开发和配置。LinkAble PARTcommunity除包含完整的ISO / EN / DIN标准件模型数据资源外，更囊括数百家国内外厂商的零部件产品模型，涉及气动、液压、FA自动化、五金、管路、操作件、阀门、紧固件等多个门类，能够满足机电产品及装备 制造业企业的产品研发人员日常所需，且该在线模型库为终身免费注册和使用。LinkAble PARTcommunity提供Pro/E的原始格式模型下载接口外，还提供名为Part2CAD的集成接口，可将在线模型下载后直接打开于本地Pro/E界面。Pro/E和众多软件的接口能让在其中设计的模型轻松的导入到其他软件中进行仿真和分析，例如Pro/E早期版本2.0和3.0都可以用的接口Mech/pro2005，这个是和分析软件ADAMS2005的接口，设计者可以在Pro/E中进行设计和装配，设计完成的零件，如果需要进行仿真和分析，可以通过此接口，经过一系列的参数设置后，导入到ADAMS2005中进行仿真和分析，因为ADAMS2005中的建模模块只能建结构相对比较简单的模型，所以不适用于创建结构复杂的模型，通过此接口，就可以完成从设计到分析得工作。当然了，Pro/E自带的仿真模块也可以进行仿真，设定电动机的参数及速度形式和大小等参数就可以在其自带的模块中进行仿真。目前Pro/E最新的版本为2013年3月发布的Creo 2.0 F000正式版。2.2.2 CATIACATIA是法国达索公司的产品开发旗舰解决方案。作为PLM协同解决方案的一个重要组成部分，它可以帮助制造厂商设计他们未来的产品，并支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。模块化的CATIA系列产品旨在满足客户在产品开发活动中的需要，包括风格和外型设计、机械设计、设备与系统工程、管理数字样机、机械加工、分析和模拟。CATIA产品基于开放式可扩展的V5架构。通过使企业能够重用产品设计知识，缩短开发周期，CATIA解决方案加快企业对市场的需求的反应。自1999年以来，市场上广泛采用它的数字样机流程，从而使之成为世界上最常用的产品开发系统。CATIA系列产品已经在七大领域里成为首要的3D设计和模拟解决方案：汽车、航空航天、船舶制造、厂房设计、电力与电子、消费品和通用机械制造。其操作界面如图2所示。 图2 CATIA用户操作界面 Fig.2 Graphic User Interface of CATIA CATIA的核心技术包括混合建模技术，设计对象的混合，变量和参数化混合建模，集合和智能工程混合建模，在CATIA的设计环境中，无论是实体还是曲面，做到了真正地互操作，在设计时，设计者不必考虑如何参数化设计目标，CATIA提供了变量驱动及后参数化能力9。CATIA的各个模块基于统一的数据平台，因此CATIA的各个模块存在着真正的全相关性，三维模型的修改，能完全体现在二维，以及有限元分析，模具和数控加工的程序中。CATIA覆盖了产品开发的整个过程，提供了完备的设计能力：从产品的概念设计到最终产品的形成，以其精确可靠的解决方案提供了完整的2D、3D、参数化混合建模及数据管理手段，从单个零件的设计到最终电子样机的建立；同时，作为一个完全集成化的软件系统，CATIA将机械设计，工程分析及仿真，数控加工和CATweb网络应用解决方案有机的结合在一起，为用户提供严密的无纸工作环境，特别是CATIA中的针对汽车、摩托车业的专用模块，使CATIA拥有了最宽广的专业覆盖面，从而帮助客户达到缩短设计生产周期、提高产品质量及降低费用的目的。CATIA包含了零件设计、装配设计、创成式外形设计、自由曲面设计、快速曲面构建、钣金设计、焊接设计等设计模块可供用户选择。目前广泛使用的版本为CATIA V5R21。2.2.3 UG UG（Unigraphics NX）是Siemens PLM Software公司出品的一个产品工程解决方案，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。Unigraphics NX针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求，提供了经过实践验证的解决方案。来自SiemensPLM 的NX使企业能够通过新一代数字化产品开发系统实现向产品全生命周期管理转型的目标。 NX 包含了企业中应用最广泛的集成应用套件，用于产品设计、工程和制造全范围的开发过程。如今制造业所面临的挑战是，通过产品开发的技术创新，在持续的成本缩减以及收入和利润的逐渐增加的要求之间取得平衡。为了真正地支持革新，必须评审更多的可选设计方案，而且在开发过程中必须根据以往经验中所获得的知识更早地做出关键性的决策。NX UGS PLM新一代数字化产品开发系统，它可以通过过程变更来驱动产品革新。 NX 独特之处是其知识管理基础，它使得工程专业人员能够推动革新以创造出更大的利润。 NX 可以管理生产和系统性能知识，根据已知准则来确认每一设计决策。NX 建立在为客户提供无与伦比的解决方案的成功经验基础之上，这些解决方案可以全面地改善设计过程的效率，削减成本，并缩短进入市场的时间。通过再一次将注意力集中于跨越整个产品生命周期的技术创新， NX 的成功已经得到了充分的证实。这些目标使得 NX 通过无可匹敌的全范围产品检验应用和过程自动化工具，把产品制造早期的从概念到生产的过程都集成到一个实现数字化管理和协同的框架中。NX为那些培养创造性和产品技术革新的工业设计和风格提供了强有力的解决方案。利用 NX建模，工业设计师能够迅速地建立和改进复杂的产品形状， 并且使用先进的渲染和可视化工具来最大限度地满足设计概念的审美要求。NX包括了世界上最强大、最广泛的产品设计应用模块。NX具有高性能的机械设计和制图功能，为制造设计提供了高性能和灵活性，以满足客户设计任何复杂产品的需要。 NX 优于通用的设计工具，具有专业的管路和线路设计系统、钣金模块、专用塑料件设计模块和其他行业设计所需的专业应用程序。NX 允许制造商以数字化的方式仿真、确认和优化产品及其开发过程。通过在开发周期中较早地运用数字化仿真性能，制造商可以改善产品质量，同时减少或消除对于物理样机的昂贵耗时的设计、构建，以及对变更周期的依赖。UG NX加工基础模块提供联接UG所有加工模块的基础框架，它为UG NX所有加工模块提供一个相同的、界面友好的图形化窗口环境，用户可以在图形方式下观测刀具沿轨迹运动的情况并可对其进行图形化修改：如对刀具轨迹进行延伸、缩短或修改等。该模块同时提供通用的点位加工编程功能，可用于钻孔、攻丝和镗孔等加工编程。该模块交互界面可按用户需求进行灵活的用户化修改和剪裁，并可定义标准化刀具库、加工工艺参数样板库使初加工、半精加工、精加工等操作常用参数标准化，以减少使用培训时间并优化加工工艺。UG软件所有模块都可在实体模型上直接生成加工程序，并保持与实体模型全相关。UG是当今较为流行的一种模具设计软件，主要是因为其功能强大9。模具设计的流程很多，其中分模就是其中关键的一步。分模有两种，一种是自动的，另一种是手动的，当然也不是纯粹的手动，也要用到自动分模工具条的命令，即模具导向。图3为UG的用户操作界面。 图3 UG的用户操作界面 Fig.3 Graphic User Interface of UG如前文所述，UG是一个交互式的计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）、计算机辅助制造（CAM）系统。它具备了当今机械加工领域所需的大多数工程设计和制图功能。UG是一个全三维、双精度的制造系统，使用户能够比较准确地描述任何几何形体，通过对这些形体的组合，就可以对产品进行设计、分析和制图。UG可以为机械设计、模具设计以及电器设计提供一套完整的设计、分析、制造方案；UG提供了包括特征造型、曲面造型、实体造型在内的多种造型方法，同时提供了自顶向下和自下向上的装配设计方法，也为产品设计效果图输出提供了强大的渲染、材质、纹理、动画、背景、可视化参数设置等支持10。但是正因为UG功能的强大，其学起来比较困难。目前UG的最新版本为2012年10月发布的UG8.5。3 计算机辅助设计软件应用实例3.1 曲柄滑块机构 在曲柄滑块机构中，曲柄为主动件，当曲柄连续回转时，通过连杆带动滑块作往复直线运动。它的应用比较广泛，其他的导杆机构都是由滑块机构演变而成的。如图4所示的曲柄滑块机构中，已知曲柄1的长度L1、转角1、等角速度1及连杆2的长度L2，要求确定连杆的转角2、角速度2，以及滑块的位置xc、速度v。3.1.1 位移分析 图4 曲柄滑块机构 Fig.4 slider crank mechanism如图4所示，该机构的封闭矢量方程式为：（3-1）展开后分别取虚部和实部得：（3-2）即（3-3）（3-4）3.1.1 速度分析 将式（3-3）对时间求导得两边乘以 后，展开并取实部得（3-5）将式（3-5）展开后取虚部得（3-6） 即通过以上对滑块机构的计算分析，可得到滑块机构的位移、速度。3.2 曲柄滑块机构的计算机辅助设计从以上分析计算可以看出，曲柄滑块机构的传统设计不仅计算量大、繁琐，而且计算容易出错。为了提高效率，精确计算的准确度。本文将CAD中的UG作为辅助设计软件，来分析去柄滑块机构的运动。（1） 零件造型进入草图，分别绘制机架、曲柄、连杆、滑块。（2） 装配打开装配应用模块，开始装配。先将机架和曲柄进行装配，然后插入连杆，进行装配，最后插入滑块，装配完成。（3） 仿真将机架等零件转换成连杆，添加运动副，给曲柄与机架之间加上旋转副。同样地，将曲柄与连杆、连杆与滑块用旋转副相连接，然后添加滑块与机架用滑动副连接，给定一个恒定的力，以确定标量力的方向。最后给定一个数值，选择求解，进行仿真计算，计算完毕后可以利用Excel电子表格显示结果曲线。（4） 验证根据理论公式（3-3），L1=20mm,L2=70mm,1可取0、37。60、90。可求得cos1为0、0.5、0.8、1。得到xc我0、12、20、0。用这组数据与仿真软件求得的位移曲线图比较可得这组数据与曲线图完全吻合，所以仿真软件所得的也完全正确。致谢 感谢周传宏教授对本工作的大力支持，在此表示感谢！参考文献：1M.T.Stickland, S.McKay,T.J.Scanlon. 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