件信息可以方便地纳入设计文件,这种系统就称为标准件库系统。
具有标准数据格式的零件库可以取代产品目录,完成企业之间的信息集成,提高CAD应用水平,这是计算机技术用于制造业的一个必然结果。对于零件供应商来说,需要把零件的设计信息按照零件库标准转换为标准的数据描述,并作为信息化的产品目录提供给用户。首先应保证这种信息的正确性,如标识信息的唯一性、语义的合法性、语法的正确性等。企业在得到这种库文件后,把它集成到自己的零件库系统之中。在完成了总体设计以后,企业的设计活动则主要是检索零件库的零件信息和零件数据的插入,以及少量的专用件的设计,使CAD设计效率大大提高。
本课题以法兰盖为例,旨在讨论、研究如何利用三维CAD设计软件Solidworks实现在机械设计中快捷地设计、使用标准件,使设计人员把更多的时间投身到创造性的工作中去,以达到缩短产品开发周期的目的。
1.2 CAD技术概述
设计和生产的方法随着计算机的迅速发展每天都在发生着显著的变化。以前许多只能靠手工完成的作业,逐渐通过计算机实现了高效化和高精度化。这种利用计算机来达到高效化、高精度化,实现自动化设计、生产以及解析计算的方法称为CAD(Computer Aided Design,计算机辅助设计)。
CAD 是指利用计算机的硬件和软件进行的设计活动。它从根本上改变了过去的手工绘图、发图、凭图纸组织整个生产过程的技术管理方式,使之变为以统一的产品数据库为核心的交互式产品设计、分析、制造和维护的过程。它的迅速发展和广泛应用,给工程设计制造业带来了蓬勃生机,使传统的产品设计方法与生产组织模式发生了深刻的变革。
CAD 技术起步于 50年代后期,自从计算机出现之后人们就不断地将计算机技术引入机械设计、制造领域。因为它顺应生产力的发展,在其产生之后就得到了迅速地发展。CAD 技术经历了四次飞跃:曲面造型系统、实体造
型技术、参数化技术、变量化技术。
1.2.1曲面造型系统
70 年代是飞机和汽车工业的蓬勃发展时期。期间飞机及汽车的制造中遇到了大量的自由曲面问题,此时法国人提出了贝赛尔算法,法国的达索飞机制造公司的开发者们借此算法在二维绘图系统的基础上,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。
1.2.2实体造型技术
表面模型基本上都是解决 CAM 的问题,但是由于表面模型技术只能表达形体的表面信息,很难准确地表达如质量、重心、惯性矩等零件的其他特性。基于对 CAD 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 软件-I-DEAS。实体造型技术能够精确表达零件的全部属性,给设计带来了很大的方便。
1.2.3参数化技术
正当实体造型技术在 CAD 系统中广泛运用时,出现了一种比无约束自由造型更好的算法-参数化实体造型方法。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。参数化技术彻底克服了自由缄默的无约束状态,由尺寸决定实体造型的几何形状。尺寸驱动已经成为当今造型系统的基本功能。
如果想修改零件形状的话,只需修改一下尺寸的数值就可以实现形状上改变这种新构想最先在SolidWorks的软件成为现实。由于参数化技术的成功应用,使得它很快成为 CAD 业界的标准。
1.2.4变量化技术
变量化造型技术保留了参数化技术基于特征、全数据相关、尺寸驱动设计修改的优点,但是在约束定义方面做了一定的改变。变量化造型技术将所需定义的尺寸"参数"进一步区分为形状约束和尺寸约束,而不仅仅是用尺寸来约束全部几何。通常在新产品开发的概念设计阶段,设计者首先考虑的是设计思想及概念并将其体现在某些几何形状之中。但是这些几何形状的严格的尺寸定位关系并不能在设计的初始阶段完全确定,所以希望在初始阶段能够允许欠尺寸约束的存在。
事实上,参数化技术和变量化技术已经成为了当今主流 CAD 软件的两大流派。两种造型理论相互依存,共同发展。我国 CAD 技术的引进是从 60 年代开始的,最早起步于航空工业,最近几年发展很快,现已在机械、电子、建筑、汽车、服装等行业逐步进入实用阶段。
1.3课题背景及发展现状
世界发展格局的高速发展和变化,各国之间交流加强。使各个行业都逐渐形成了自己的标准和规则。近年来,随着CAD/CAM技术的继续深入发展,基于特征造型的三维造型方法受到人们的普遍重视并已在许多系统中实现,现在设计人员可以在计算机上能快捷,准确的实现三维实体造型,并能够在三维空间中完成零件的造型,装配设计,动力学分析等[1]。
随着工业技术的发展,工业标准化程度不断得到提高,设计中选用的标准件也越来越多,因而在机械产品的设计中标准件所占的比重越来越大。在航空航天、船舶、汽车、机械制造等行业,机械设计始终是重要的工作之一。产品设计人员在使用CAD系统进行产品新型号的开发设计时,都会尽量考虑选用标准件,如:螺栓、螺钉、螺母、垫圈、轴承、销钉等。标准件以其独特的优点被广泛地应用在产品的各个部分上。一般情况下,标准件约占一个产品全部零件的70%以上。并且随着现代化生产的不断发展,机械设计中标准件的数量日益多。
而在机械设计中快捷地使用这些标准件,最有效的途径是利用软件系统开发三维图库,供使用者方便地调用。利用三维零件样板、设计参数、模型参数化和族表技术实现标准件的尺寸系列化及三维标准件库的建立。对图库进行参数化管理,从中调出的图形文件,可以通过尺寸驱动,增减特征获得所需要的零件,从而避免或减少重复劳动。同时在装配设计中,要用到数目众多的标准件,在用到标准件时需要设计人员重新建模,这就造成了时间和精力上的浪费。基于这种情况,开发一个标准件库,为装配设计提供方便就显得十分必要。
把设计可能用到的标准件或零件信息存放在一起,零件数据采用标准的描述格式,由专用的管理系统进行管理,设计人员可以进行检索、访问,并提供与CAD系统的标准接口,检索到的零件信息可以方便地纳入设计文件,这种系统就称为标准件库系统。
具有标准数据格式的零件库可以取代产品目录,完成企业之间的信息集成,提高CAD应用水平。这也是计算机技术用于制造业的一个必然结果。对于零件供应商来说,需要把零件的设计信息按照零件库标准转换为标准的数据描述,并作为信息化的产品目录提供给用户。供应商提供的零件库首先应保证这种信息的正确性,如标识信息的唯一性、语义的合法性、语法的正确性等。企业还得到这种库文件后,把它集成到自己的零件库系统之中。在完成了总体设计以后,企业的设计活动则主要是检索零件库的零件信息和零件数据的插入,以及少量的专用件的设计,使CAD设计效率大大提高。
当前有些商品化的CAD系统中配有标准件库,但是其数据格式是开发商自己定义的专用格式,其内容也仅限于国家颁布的标准件数据。它虽然在一定程度上可以起到方便CAD设计、提高效率的作用,但是不能完成上述信息集成的过程。随着CAD技术的普及应用,这种系统具有很大的局限性。
为了使标准件库具有以上功能,最根本的就是系统要具有开放性,而保证开放性的基本手段就是采用标准化的方法。在这方面最成功的应该是德国。德国标准化协会(DIN)在80年代中期就制定了系列标准。
符合以上标准的标准件库使德国的企业,特别是汽车制造业获得了巨大的利益。目前,欧洲标准化组织CEN/CENELEC和国际标准化组织ISO在德国标准的基础上共同制定了零件
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