cad三维设计的发展

cad三维设计的发展

1先进设计技术与创新节能技术集成发展的关系图形设计（commerciad设计）是一种利用计算机强大图形处理能力和数值计算的技术，由计算机辅助工程师完成工程或产品的设计和分析。自1950年诞生以来,已广泛应用于机械、电子、建筑、化工、航空航天以及能源交通等相关领域。随着产品设计效率的飞速提高,现已将计算机辅助制造技术(ComputerAidedManufacturing,CAM)和产品数据管理技术(ProductDataManagement,PDM)、计算机集成制造系统(ComputerItegratedmanufacturingsystem,CIMS)及计算机辅助测试(ComputerAidedTesting,CAT)融于一体。产品设计是决定产品命运的探究,也是最为重要的环节,产品的设计工作决定了产品成本的70%以上,采用先进制造技术的企业必然将产品设计这个环节视作其生命线,先进设计技术必然成为先进制造技术的核心之一。先进制造技术经历了信息集成—过程集成—企业集成的发展历程,现代CAD技术也在沿着信息集成—过程集成—企业集成的道路发展。故而现代CAD技术是指在复杂的大系统环境下,支持产品自动化设计的设计理论和方法、设计环境、设计工具各相关技术的总称,它们能使设计工作实现标准化、开放化、集成化、网络化和智能化,达到提高产品设计质量、降低产品成本和缩短设计周期的目的。2cad三维建模技术自上世纪70年由MIT林肯实验室的I.E.Sutherland发表的人机通信的图形系统博士论文为开始,CAD三维建模技术至今已经历了线框模型、表面模型、实体模型方法,以及正在发展中的特征建模、行为建模方法。2.1基本模型的数据结构线框模型是指用多边形线框来描述三维形体的轮廓得到的模型;采用数据结构:顶点表+边表;其优点在于简单,仅需要端点信息;缺点:信息不完整,有二义性,不能用于NC加工等。2.2建立了大量自由曲面模型表面模型是指用有序连接的棱边围成的有限区域来定义立体的表面,再由表面的集合来定义立体所得到的三维模型。表面造型是在线框造型的基础上发展起来的,它的产生应归因于航空业与汽车业的迅猛发展。由于飞机及汽车制造中遇到的大量自由曲面问题,在当时只能用多截面视图和特征纬线的方法来表达,在制造上依赖于用油泥模型来近似模拟曲面,因而人们开始研究新的更先进的描述手段——光滑曲面,由于表面造型比线框造型增加了有关面边(环边)信息以及表面特征、棱边的连接方向等内容,从而可以满足曲面求交、线面消隐、明暗色彩图、数控加工等应用,使在CAD阶段建立的模型数据在CAM阶段可用。表面造型在工程中得到广泛的应用,但曲面模型只能表达形体的表面信息,对有限元及零件的物性计算等方面无从开展,满足不了工程优化设计的需求。表面造型所采用的数据结构:顶点表+边表+面表;优点:信息更完整,可准确定义形体,可用于NC加工等;缺点:不能描述内部及特征,很多分析不能进行。2.3实体造型技术实体模型:随着技术的进步,计算机辅助工程分析(CAE)的需求日益高涨,CAE要求能获得形体的完整信息,而线框和曲面模型对形体的表述都不完整。在此背景下,实体造型技术产生在60年代末,商用化始于1979年,SDRC推出了世界上第一个完全基于实体造型技术的CAD/CAE/CAM一体化的软件I-DEAS。实体造型技术与线框造型相比,实体造型增加了实体存在侧的明确定义,给出了表面间的相互关系等拓扑信息,因而能够精确表达零件的全部属性,有助于统一CAD、CAM、CAE的模型表达,在设计和加工上可以减少数据的损失,保持数据的完整性。实体造型常用的表示形式有:构造的实体几何(CSG)表示、边界表示(B-Rep)和扫描表示。其中最关键的运算有形体的求交运算、集合运算和欧拉操作。实体模型技术的优点:(1)确定了表面的方向性;(2)可定义材料的物理性能等简单参数;(3)是几何和拓扑意义上信息最为完备的模型;(4)一般实体模型均定义为有效的正则实体。实体模型技术存在的不足:(1)产品定义不完整:模型仅仅能定义产品的几何形状和拓扑关系,许多其它重要信息如公差与精度、材料性质、工艺与装配要求等不包括在模型中;(2)数据的抽象层次低:实体(如体素)主要是几何概念,设计制造中的工程语义,如键槽、中心孔、装配关系等均不能表达;(3)支持产品设计、制造的程度较差:如设计模型修改的效率低,设计信息的跟随性差等。2.4信息模型fe麻黄80年代后期,CIMS技术得到了长足发展,这就要求传统的造型系统除了满足自身信息的完备性之外,还必须为其他系统,如CAPP、PDM、ERP、CAM等提供反映设计人员意图的非几何信息,如公差、材料等。前面的三种造型方法都是从几何的角度出发,而对于非几何信息,如尺寸、材料、公差、工艺、成本等则没有反映,因而实体的信息是不完整的。在这种需求的推动下,出现了特征建模技术。特征(feature):客观事物特点的表征,是具有特定语义的信息单元;特征技术:适合于为集成化、智能化、网络化现代设计方法和先进制造技术提供共享信息的模型理论和技术;特征建模:基于特征理论和技术的CAD模型建造技术;特征模型:以特征为信息单元定义的CAD模型;特征反映了产品零件特点的、可按一定原则加以分类的产品描述信息,将特征引入几何造型系统的目的是增加几何实体的工程意义,为各种工程应用提供更丰富的信息,基于特征的造型把特征作为零件定义的基本单元,将零件描述为特征的集合。特征建模的优点:(1)着重描述产品的完整信息;(2)用高层次的工程语义信息单元:如中心孔、键槽等;(3)将产品设计意图贯彻到后续环节。2.5cad的参数化设计有利于解决模型优化和升级随着以三维CAD系统为基础的数字化设计相关技术的快速发展,CAD群组用户越来越希望为本地或同域的终端用户提供大量的CAD数据资源,也就是常说的CAD零部件库,它一般可以包括常用的标准件、外购件和自制件模型。而用户在建立这样的零部件数据库时,在数据层面大多采用参数化建模与驱动技术来实现,这样不仅可以提高数据的一致性和可靠性,也为模型数据的后续管理、优化和升级提供了不小的便利。CAD终端在使用这些数据时进行检索的数据量也大为减少,一般只需用标准号、物料名称(描述)、类别即可快速查询并打开相应的模型,而无须关注产品的规格或型号,此举同时也大量缩减了模型数据的数量(“个数”)。使用参数化建模技术建立起的零部件数据资源库中的文件数量相比较于应用一般建模技术,其仅在文件数量上即可缩减90%左右,数据库的容量亦相应下降为30%以下,大大节约了建库成本和空间占有量,由此带来的使用和管理优势尚难量化统计。因而采用参数化设计将大大降低成本,满足企业参与激烈竞争的要求。参数化设计的关键是几何约束关系的提取和表达、约束求解以及参数化几何模型的构造,70年代末及80年代初,英国剑桥大学的R.CHill.yard和美国MIT大学的D.CGossard等率先将参数化设计用于CAD;1988年,美国参数技术公司(PTC)首先推出参数化CAD系统PRO/E,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。它的主要特点是:基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。2.6集成、智能、新能源的集成与智能设计行为建模技术是比基于特征的参数化建模更为先进的一种实体建模技术。它在设计产品时,综合考虑所要求的功能行为、设计背景和几何图形。采用知识捕捉和迭代求解的智能化方法,使工程师可以面对不断变化的要求,追求高度创新的、能满足行为和完善性要求的设计。该技术具有高度集成、高度智能的特点,其强大功能主要体现在三个方面:(1)智能模型。能捕捉设计信息和过程信息以及定义一件产品所需要的各种工程规范。(2)目标驱动式设计。能优化每件产品的设计,以满足使用自适应过程特征从智能模型中捕捉的多个目标和需求变化,并可解决相互冲突的目标问题。(3)开放式可扩展环境。行为建模技术的第三大支柱,提供了无缝工程设计功能,能保证产品不会丢失设计意图。行为建模技术所创建的智能化产品模型具有关联、基于特征、参数化的特点,通用的再生机制又使得关联性贯穿于整个设计流程。33d建模技术的应用随着三维建模理论的不断革新,国内外先后开发出众多建模软件。本文介绍目前较为广泛采用的部分建模软件。3.1国外的一些软件3.1.1catia软件简介CATIA是英文ComputerAidedTri-DimensionalInterfaceApplication的缩写。采用变量和参数化混合建模并以其特有的DMU电子样机模块功能推动着企业竞争力和生产力的提高。是世界上一种主流的CAD/CAE/CAM一体化软件。该软件是法国DassaultSystem公司的CAD/CAE/CAM一体化软件,居世界CAD/CAE/CAM领域的领导地位,广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子\电器、消费品行业,它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域。CATIA的优点:(1)CATIA具有在整个产品周期内的方便的修改能力,尤其是后期修改性;(2)CATIA所有模块具有全相关性,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;(3)并行工程的设计环境使得设计周期大大缩短;(4)CATIA覆盖了产品开发的整个过程,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。3.1.2械设计软件设计SolidWorks是生信国际有限公司推出的基于Windows的机械设计软件。SolidWorks是参数化特征造型软件的新秀,以SolidWorks为核心的各种应用的集成,包括结构分析、运动分析、工程数据管理和数控加工等,为制造企业提供了梦寐以求的解决方案。3.1.3产品建模系统UG是UnigraphicsSolutions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。3.1.4第三代机械cad/cae/最佳条件的实现—Pro/Engineer软件Pro/Engineer系统是美国参数技术公司(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/Enginee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,即实现的并行工程。Pro/Enginee系统主要优点如下:(1)真正的全相关性,任何地方的修改都会自动反映到所有相关地方;(2)具有真正管理并发进程、实现并行工程的能力;(3)具有强大的装配功能,能够始终保持设计者的设计意图;(4)容易使用,可以极大地提高设计效率。Pro/Enginee系统用户界面简洁,概念清晰,符合工程人员的设计思想与习惯。整个系统建立在统一的数据库上,具有完整而统一的模型。Pro/Enginee建立在工作站上,系统独立于硬件,便于移植。3.1.5mdt的功能优点MDT是Autodesk公司在基于特征建模的基础上开发出的又一三维机械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。MDT主要功能优点如下:(1)基于特征的参数化实体造型。用户可十分方便地完成复杂三维实体造型,可以对模型进行灵活地编辑和修改;(2)基于nurbs的曲面造型,可以构造各种各样的复杂曲面,以满足如模具设计等方面对复杂曲面的要求;(3)可以比较方便地完成几百甚至上千个零件的大型装配;(4)mdt提供相关联的绘图和草图功能,提供完整的模型和绘图的双向联结。该软件的推出受到广大用户的普遍欢迎。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。3.1.6ad/最佳混合系统的建模CimatronCAD/CAM系统是以色列Cimatron公司CAD/CAM/PDM产品,该系统采用几何和特征混和建模的方法。为用户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。3.1.7i-deas的发展I-DEAS是美国SDRC公司开发的CAD/CAM软件。该软件基于特征、几何造型的建模方法,是高度集成化的CAD/CAE/CAM软件系统。它帮助工程师以极高的效率,在单一数字模型中完成从产品设计、仿真分析、测试直至数控加工的产品研发全过程。软件内含诸如结构分析、热力分析、优化设计、耐久性分析等真正提高产品性能的高级分析功能。I-DEAS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。SDRC也是全球最大的专业CAM软件生产厂商。I-DEASCAMAND是CAM行业的顶级产品。I-DEASCAMAND可以方便地仿真刀具及机床的运动,可以从简单的2轴、2.5轴加工到以7轴5联动方式来加工极为复杂的工件表面,并可以对数控加工过程进行自动控制和优化。3.2中国的软件3.2.1ghmds系统简介高华CAD是由北京高华计算机有限公司推出的CAD产品。高华CAD系列产品包括计算机辅助绘图支撑系统GHDrafting、机械设计及绘图系统ghmds、工艺设计系统ghcapp、三维几何造型系统ghgems、产品数据管理系统ghpdms及自动数控编程系统ghcam。其中ghmds是基于参数化设计的cad/cae/cam集成系统,它具有全程导航、图形绘制、明细表的处理、全约束参数化设计、参数化图素拼装、尺寸标注、标准件库、图像编辑等功能