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三维造型软件主讲 王芳 1 课程主要内容 基础知识草图绘制建立特征高级建模技术工程图设计装配设计 2 课程安排及考核 课堂讲授 12学时上机操作 24学时 安排有专人辅导 并记录每次上机操作成绩 作为平时成绩考核形式 上机操作考试 不允许携带任何存储设备和工具书 2小时内完成2道建模题目和工程图设计及装配设计题目各1道 题目均来源于练习题库学习方法 大量的操作实践 3 概念设计 根据市场需求 机械设计工程师与美学工程师一道勾画出未来产品的大致外形 规划产品的功能 空间布局 这个阶段需要快速成型 模型修改方便的设计工具机构设计 确定详细的产品结构并确定精确的尺寸 在结构设计中需要按照产品零件之间的装配关系设定各个零件的结构尺寸 保证其符合产品整体的装配约束要求 从而消除零件之间的设计冲突分析验证 通过计算机仿真 模拟产品的运动过程 考察产品的运动合理性 分析产品零件的受力状况及热学性能等 分析验证中发生的问题将反馈到上游设计部门 指导其调整产品设计参数 从而获得优化设计结果 现代设计的几个阶段 4 工艺设计 绘制工程图纸 标注各种工艺符号 设定产品零件的尺寸和几何公差要求 添加零件加工和部件装配的技术说明 按照企业制造资源状况规划产品加工 装配的作业流程设计展示 提供产品渲染图片及产品演示动画 通过产品发布会或者公众媒体展示 从而吸引销售商和最终用户 推动产品的销售推广工作加工 针对加工需求设计产品模具和工装夹具 产品设计模型直接导入NC处理软件 从而驱动数控机床加工出复杂的产品曲面系列化 根据用户群的细分状况 分析产品的结构构成 按照企业产品情况 设定零件规格化规范 从而将企业的产品设计和加工带入系统化的轨道 5 更新和重用 按照用户要求和市场趋势 迅速更新现有设计 从而形成新一代的改进型产品网络协作 产品开发过程中的协同技术十分重要 在设计开发工具中引入网络技术是实现设计协同的重要手段二维CAD系统对企业最需要的设计质量并有多大的提高 6 三维CAD系统可以方便地设计出所见即所得的三维实体模型可以进行装配和干涉检查 可以进行模拟仿真 可以对重要零部件进行有限元分析与优化设计 可以进行数控加工 可以进行快速成型 可以由三维模型直接自动生成二维工程图 可以进行产品数据共享与集成等 7 数字BOEING 制造业发生的深刻变革数字化飞机 8 9 全机外形 前机身理论数据 驾驶舱 驾驶员座椅安装 中央操纵台机械系统 登机门机构 壁板 长桁和接头 来源 中国航空工业第一集团公司 新支线飞机虚拟样机数字化定义 10 数字化设计制造虚拟样机 通用公司应用状况开发周期 48月 24月 12月 碰撞试验 100次 50次 个性化定单 3小时 制造业发生的深刻变革数字化轿车 11 铁路机车车辆虚拟样机系统 12 沪东造船厂 以自行开发产品 中国沪东型 74500吨散货轮作为主要应用对象 设计效率提高40 以上 生产准备周期缩短了131天 年增加新产品舯舰1 2艘 每艘船价平均为1 7亿 13 深海载人潜器示意图 14 深海载人潜器的工作原理和效果图 15 基础知识 CAD技术发展历程国内外流行的软件介绍Solidworks基础 16 二十一世纪的一个重大变革是全球市场的统一 它使市场竞争更加激烈 产品更新更快 在这种背景下 CAD 计算机辅助设计 技术得到迅速普及和极大发展海湾战争结束当年 美国评出的最具影响的十大技术中 CAD便榜上有名CAD技术起步于50年代后期ComputerAidedDrawing orDrafting 早期应用较为广泛的是CADAM软件近几十年来占据绘图市场主导地位Autodesk公司的AutoCAD软件 CAD技术发展历程 17 60年代出现的三维CAD系统只是极为简单的线框式 线框造型 系统 这种初期的线框造型系统只能表达基本的几何信息 不能有效表达几何数据间的拓扑关系 由于缺乏形体的表面信息 CAM及CAE均无法实现第一次CAD技术革命 贵族化 的曲面造型系统第二次CAD技术革命 生不逢时的实体造型技术第三次CAD技术革命 一鸣惊人的参数化技术第四次CAD技术革命 更上一层楼的变量化技术 18 产品设计 制造环节及其工具软件 19 CATIAUgSOLIDEDGEI DeasPro EngineerMDT inventorSolidWorksCimatronCaxa三维电子图板三维实体设计RhinoAliasSurfcamMasterCAMTOP solid高华CADGSCAD金银花系统开目CAD等 国内外流行的软件介绍 20 功能强大 易学易用和技术创新是SolidWorks的三大特点 Solidworks现在全球使用许可超过百万 涉及航空航天 汽车 食品 机械 国防 交通 模具 电子技术 医疗器械 日用品 消费品等分布于全球100多个国家的企业 每年来自全球4300所教育机构的近15万学生通过SolidWorks的培训课程在美国包括麻省理工学院 斯坦福大学等在内的著名大学已经把SolidWorks列为制造专业的必修课程 国内的一些大学如清华大学 北京航空航天大学 北京理工大学也在应用SolidWorks进行教学国外大多数制造公司招聘时要求使用SolidWorks的能力 国内越来越多的企业也开始使用SolidWorks软件 SolidWorks基础 21 SolidWorks成立于1993年 由PTC公司的技术副总裁和CV公司的高级副总裁发起 希望每一个工程师的桌面上提供一套具有生产力的实体模型设计系统1995年推出第一套三维机械设计软件 世界上第一个基于Windows开发的三维CAD软件 由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势 公司在两年内成为CAD CAM产业中获利最高的公司 公司每年都有数十乃至数百项的技术创新 1995 1999年获得全球微机平台CAD系统评比第一名 从1999年起连续四年 美国最权威的CAD专业杂志授予 最佳编辑奖 以表彰它的创新 活力和简明出色技术和市场表现 不仅成为行业的一颗耀眼明星 也成为华尔街青睐的对象 1997年达索公司以3 1亿美元的高额市值将其全资并购 公司原有投资商和股东以1300万美元的风险投资获得了高额的回报 创造了CAD行业的世界记录 22 并购后的公司以原来的品牌和技术管理队伍继续独立运作 SolidWorks三维设计软件成为达索企业中最具竞争力的产品如果你熟悉微软的Windows系统 那你基本上就可以用SolidWorks来搞设计了 在工作站时代 UG Pro Engineer是工作站平台三维CAD CAM软件的佼佼者 而在当今微机时代 SolidWorks在WindowsNT平台的三维CAD CAM软件中处于领先地位 在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中 设计过程最简便 最方便的莫过于SolidWorks了 就象美国著名咨询公司Daratech所评论的那样 在基于Windows平台的三维CAD软件中 SolidWorks是最著名的品牌 是市场快速增长的领导者 23 SolidWorks的主要特点 3D实体模型 Solidmodel 参数式设计 Parametricdesign 单一资料库 Singledatabase 特征式设计 Feature baseddesign 24 solidworks实体建模的层次 草图 特征 实体 零件 产品 构建参数 特征关系 布尔关系 装配关系 时序关系 父子关系 25 建立2D几何图形 标注尺寸 传统型CAD软件的设计流程 三维设计软件的设计流程 建立2D草图 标注尺寸 将草图成长为3D模型 26 solidworks基本界面 菜单栏 FeatureManagerPropertyManager 工作区域 状态栏 工具条 27 solidworks工具栏的个性化定制 工具栏显示 隐藏工具栏的移动工具栏内容的增减 28 2020 2 5 29 Solidworks系统设置 在我们还没有打开或新建任何文件之前 我们可以根据自己的使用习惯或自己国家的标准进行必要的设置系统选项作用于所有的文件保存在注册表中 影响当前和将来的所有文件文件属性只作用于当前文件 而且只有当文件打开时文件属性标签才可见 文件属性常用于建立文件模板 30 70年代 正值飞机和汽车工业的蓬勃发展时期 飞机及汽车制造中遇到了大量的自由曲面问题采用多截面视图 特征纬线的方式来近似表达所设计的自由曲面由于三视图方法表达的不完整性 经常发生设计完成后 制作出来的样品与设计者所想象的有很大差异甚至完全不同的情况设计者对自己设计的曲面形状能否满足要求也无法保证 所以还经常按比例制作油泥模型 作为设计评审或方案比较的依据既慢且繁的制作过程大大拖延产了产品的研发时间 要求更新设计手段的呼声越来越高 31 法国人提出了贝赛尔算法 使得人们在用计算机处理曲线及曲面问题时变得可以操作法国的达索飞机制造公司的开发者们 在二维绘图系统CADAM的基础上 开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法 推出了三维曲面造型系统CATIA标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式中解放出来 首次实现以计算机完整描述产品零件的主要信息 同时也使得CAM技术的开发有了现实的基础 32 价格极其昂贵软件商品化程度低 开发者本身就是CAD大用户 彼此之间技术保密CADAM 美国洛克希德 Lochheed 公司支持CALMA 美国通用电气 GE 公司开发CV 美国波音 Boeing 公司支持I DEAS 由美国国家航空及宇航局 NASA 支持UG 美国麦道 MD 公司开发CATIA 法国达索 Dassault 公司开发这时的CAD技术主要应用在军用工业 但受此项技术的吸引 一些民用主干工业 如汽车业的巨人也开始摸索开发一些曲面系统为自己服务如 大众汽车公司SURF 福特汽车公司PDGS 雷诺汽车公司EUCLID 另外还有丰田 通用汽车公司等都开发了自己的CAD系统 33 80年代初 CAD系统价格依然令一般企业望而却步 这使得CAD技术无法拥有更广阔的市场 为使自己的产品更具特色 在有限的市场中获得更大的市场份额 以CV SDRC UG为代表的系统开始朝各自的发展方向前进有了表面模型 CAM的问题可以基本解决 但由于表面模型技术只能表达形体的表面信息 难以准确表达零件的其它特性 如质量 重心 惯性矩等 对CAE十分不利 最大的问题在于分析的前处理特别困难基于对于CAD CAE一体化技术发展的探索 SDRC公司于1979年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型CAD CAE软件 I DEAS实体造型技术能够精确表达零件的全部属性 在理论上有助于统一CAD CAE CAM的模型表达 给设计带来了惊人的方便性 它代表着未来CAD技术的发展方向 34 实体造型技术既带来了算法的改进和未来发展的希望 也带来了数据计算量的极度膨胀 在当时的硬件条件下 实体造型的计算及显示速度很慢 在实际应用中做设计显得比较勉强以实体模型为前提的CAE本来就属于较高层次技术 普及面较窄 反映还不强烈在算法和系统效率的矛盾面前 许多赞成实体造型技术的公司并没有下大力量去开发它 而是转去攻克相对容易实现的表面模型技术 各公司的技术取向再度分道扬镳 实体造型技术也就此没能迅速在整个行业全面推广开在以后的10年里 随着硬件性能的提高 实体造型技术又逐渐为众多CAD系统所采用CV公司最先在曲面算法上取得突破 计算速度提高较大 由于CV提出了集成各种软件 为企业提供全方位解决方案的思路 并采取了将软件的运行平台向价格较低的小型机转移等有利措施 一跃成为CAD领域的领导者 市场份额上升到第1位 兼并了CALMA公司 实力迅速膨胀 35 在此之前的造型技术都属于无约束自由造型 进入80年代中期 CV公司内部以高级副总裁为首的一批人提出了一种比无约束自由造型更新颍 更好的算法 参数化实体造型方法从算法上来说 这是一种很好的设想 它主要的特点是 基于特征 全尺寸约束 全数据相关 尺寸驱动设计修改策划参数化技术的这些人集体离开了CV公司 另成立了一个参数技术公司 ParametricTechnologyCorp 开始研制命名为Pro E的参数化软件早期的Pro E软件性能很低 只能完成简单的工作 但由于第一次实现了尺寸驱动零件设计修改 使人们看到了它今后将给设计者带来的方便性 36 80年代末 计算机技术迅猛发展 硬件成本大幅度下降 CAD技术的硬件平台成本从二十几万美元一下子降到只需几万美元 一个更加广阔的CAD市场完全展开 很多中小型企业也开始有能力使用CAD技术 由于他们设计的工作量并不大 零件形状也不复杂 更重要的是他们无钱投资大型高档软件 因此他们很自然地把目光投向了中低档的Pro E软件90年代 参数化技术变得比较成熟起来 充分体现出其在许多通用件 零部件设计上存在的简便易行的优势 踌躇满志的PTC先行挤占低端的AutoCAD市场 致使在几乎所有的CAD公司营业额都呈上升趋势的情况下 Autodesk公司营业额却增长缓慢 市场排名连续下挫 继而PTC又试图进入高端CAD市场 与CATIA I DEAS CV UG等群雄逐鹿 目前 PTC在CAD市场份额排名上已名列前茅 37 参数化技术的成功应用 使得它在90年前后几乎成为CAD业界的标准 许多软件厂商纷纷起步追赶重新开发一套完全参数化的造型系统困难很大 因为这样做意味着必须将软件全部重新改写 何况他们在参数化技术上并没有完全解决好所有问题 因此他们采用的参数化系统基本上都是在原有模型技术的基础上进行局部 小块的修补90年以前的SDRC公司已经摸索了几年参数化技术 当时也面临同样的抉择 要么它同样采用逐步修补方式 继续将其I DEAS软件 参数化 下去 这样做风险小但必然导致产品的综合竞争力不高积数年对参数化技术的研究经验以及对工程设计过程的深刻理解 SDRC的开发人员发现了参数化技术尚有许多不足之处 首先 全尺寸约束 这一硬性规定就干扰和制约着设计者创造力及想象力的发挥 38 SDRC的开发人员以参数化技术为蓝本 提出了一种比参数化技术更为先进的实体造型技术 变量化技术 作为今后的开发方向从1990至1993年 历经3年时间 投资一亿多美元 将软件全部重新改写 于1993年推出全新体系结构的I DEASMasterSeries软件在早期出现的大型CAD软件中 这是唯一一家在90年代将软件彻底重写的厂家 SDRC就此形成了一整套独特的变量化造型理论及软件开发方法变量化技术既保持了参数化技术的原有的优点 同时又克服了它的许多不利之处 它的成功应用 为CAD技术的发展提供了更大的空间和机遇SDRC这几年业务的快速增长 事实上 I DEASMS1发布时 SDRC市场排名仅位居第9 而在此以后 SDRC每年的排位都要超越一 两位同行 39 CATIA是由法国著名飞机制造公司Dassau1t开发并由IBM公司负责销售的CAD CAM CAE PDM应用系统Dassault的CATIA软件是目前全世界航天工业中无法取代的祖师级软件CATIA起源于航空工业 其最大的标志客户即美国波音公司 波音公司通过CATIA建立起了一整套无纸飞机生产系统 取得了重大的成功CATIA软件以其强大的曲面设计功能而在飞机 汽车 轮船等设计领域享有很高的声誉CATIA的曲面造型功能体现在它提供了极丰富的造型工具来支持用户的造型需求 比如其特有的高次Bezier曲线曲面功能 次数能达到15 能满足特殊行业对曲面光滑性的苛刻要求 40 航空航天 CATIA源于航空航天工业 是业界无可争辩的领袖Boeing飞机公司 美国 的Boeing777和Boeing737Dassault飞机公司 法国 的阵风 Rafale 战斗机Bombardier飞机公司 加拿大 的GlobalExpress公务机LockheedMartin飞机公司 美国 的Darkstar无人驾驶侦察机汽车工业 CATIA是汽车工业的事实标准 是欧洲 北美和亚洲顶尖汽车制造商所用的核心系统Renault Toyota Karman Volvo Chrysler Scania等造船工业 CATIA为造船工业提供了优秀的解决方案 包括专门的船体产品和船载设备 机械解决方案GeneralDynamicElectricBoat和NewportNewsShipbuilding使用CATIA设计和建造美国海军的新型弗吉尼亚级攻击潜艇消费品 餐具 计算机 厨房设备 电视和收音机以及庭院设备L Oreal使用CATIA设计洗发水的包装瓶 41 UG是UnigraphicsSolutions 简称UGS 公司的拳头产品该公司首次突破传统CAD CAM模式 为用户提供一个全面的产品建模系统在UG中 优越的参数化和变量化技术与传统的实体 线框和表面功能结合在一起 这一结合被实践证明是强有力的 并被大多数CAD CAM软件厂商所采用UG最早应用于美国麦道飞机公司 它是从二维绘图 数控加工编程 曲面造型等功能发展起来的软件90年代初 美国通用汽车公司选中UG作为全公司的CAD CAE CAM CIM主导系统 这进一步推动了UG的发展 42 1997年10月UnigraphicsSolutions公司与Intergraph公司签约 合并了后者的机械CAD产品 将微机版的SOLIDEDGE软件统一到Parasolid平台上 由此形成了一个从低端到高端 兼有Unix工作站版和WindowsNT微机版的较完善的企业级CAD CAE CAM PDM集成系统 2001年UGS与生产I Deas的SDRC公司合并 超过PTC公司成为全球第二大生产厂商2007年被西门子公司收购UGS PLM 2007年被西门子公司收购UGS PLM 43 SOLIDEDGE是真正Windows软件 它不是将工作站软件生硬地搬到Windows平台上 而是充分利用Windows基于组件对象模型 COM 的先进技术重写代码SOLIDEDGE与MicrosoftOffice兼容 与Windows的OLE技术兼容 这使得设计师们在使用CAD系统时 能够进行Windows下字处理 电子报表 数据库操作等SOLIDEDGE是基于参数和特征实体造型的新一代机械设计CAD系统 它是为设计人员专门开发的 易于理解和操作的实体造型系统 44 I DEAS是美国SDRC公司开发的CAD CAM软件该公司是国际上著名的机械CAD CAE CAM公司 在全球范围享有盛誉 国外许多著名公司 如波音 索尼 三星 现代 福特等公司均是SDRC公司的大客户和合作伙伴 I DEAS在CAD CAE一体化技术方面一直雄居世界榜首SDRC也是全球最大的专业CAM软件生产厂商 45 Pro ENGINEER于1988年问世美国参数技术公司 ParametricTechnologyCorporation 简称PTC 的产品PTC公司提出的单一数据库 参数化 基于特征 全相关的概念改变了机械CAD CAE CAM的传统观念 这种全新的概念已成为当今世界机械CAD CAE CAM领域的新标准利用该概念开发出来的第三代机械CAD CAE CAM产品Pro Engineer软件能将设计至生产全过程集成到一起 让所有的用户能够同时进行同一产品的设计制造工作 即实现所谓的并行工程 46 MDT是Autodesk公司在PC平台上开发的三维机械CAD系统 它以三维设计为基础 集设计 分析 制造以及文档管理等多种功能为一体 为用户提供了从设计到制造一体化的解决方案由于该软件与AutoCAD同时出自Autodesk公司 因此两者完全融为一体 用户可以方便地实现三维向二维的转换 MDT为AutoCAD用户向三维升级提供了一个较好的选择 47 CimatronCAD CAM系统是以色列Cimatron公司的CAD CAM PDM产品 是较早在微机平台上实现三维CAD CAM全功能的系统该系统提供了比较灵活的用户界面 优良的三维造型 工程绘图 全面的数控加工 各种通用 专用数据接口以及集成化的产品数据管理CimatronCAD CAM系统自从80年代进入市场以来 在国际上的模具制造业备受欢迎 48 北京北航海尔软件有限公司适应中国国情 而且能与国际先进技术接轨的创新三维设计软件能迅速地适应国内设计人员的使用习惯 49 特征时序就是特征建立的时间次序 50 父子关系 父特征是其它特征所依赖的现有特征例如 拉伸是圆滑其边线的圆角的父特征当新特征建立在其它特征上时 则这些特征的存在依赖于先前建立的特征 新的特征称为子特征 例如 一个实体上有一个孔 则孔便是这个实体的子特征 51 SolidWorks作出来的3D零件