CAD三维实体造型对企业产品研发能力的影响

1、CAD三维实体造型对企业产品研发能力的影响南京数控机床有限公司赵义顺 摘要：目前，CAD的应用是一个企业产品研发过程中必不可少的。本文从我企业的产品特点、研发流程以及产品研发过程中存在的主要问题入手，阐述了三维图形软件的应用对企业产品的研发能力的影响。关键词：三维图形软件、CAD三维实体造型、产品研发能力、CAE。企业的产品特点我企业主要以生产数控车床为主。八十年代初期，通过与德国特劳伯（TRAUB）公司合作生产，在国内率先制造出具有当时国际先进水平的TND360、TND42/60型数控车床，然后，在此基础上按照德国技术，先后开发出CK1416、CK1420、CK1425、CK1440A、CK

2、1450、CK1463、CK1480、N-084、N-087、N-088、N-089、N-091、N-095等规格齐全的高中低档数控车床。现在我企业的数控车床产品有两大类（棒料类和件料类并带有自动上下料装置）12个系列40多个品种。同时在此基础上开发了CKH1420、CKH1440A、CKH1450、CKH1463车削中心。去年，还专门为高等院校开发了用于教学的N-091型简易数控车床及N-092型数控铣床、VMC-700数控立式加工中心等。床身底座一般采用整体箱形结构，主轴箱采用热对称设计，从而保证了机床具有良好的几何精度和工作精度。产品的研发流程新产品设计和开发的阶段为：决策、设计、试制、

3、生产、使用五个阶段。针对每个新产品项目全新开发程度不同和改进产品的不同，区别策划所需的阶段。决策阶段包括市场调研、可行性分析、决策。技术开发部门根据产品需求及顾客对产品质量特殊要求，寻求产品开发的方向和目标，分析企业外部环境和企业内部资源条件，编制产品市场调研报告，然后，根据市场调研情况，编制新产品开发可行性报告（产品设想报告）。在市场调研和可行性分析基础上，承担设计项目负责人负责在策划的基础上编制“新产品设计计划”和“新产品开发质量计划”，交总工程师批准后实施。设计阶段包括初步设计、初步设计评审、技术设计、技术设计评审、工作图设计。工作图设计阶段还包括工艺性审查、标准审查及其它必要的会签。将

4、新产品市场调研报告和开发可行性报告作为设计和开发输入，进行初步设计、技术设计及工作图设计，在此阶段，根据需要随时进行一些必要的评审。通过评审以评价设计和开发的结果、满足要求的能力及识别任何问题，并提出必要的措施。试制阶段分为样机试制和小批试制。在产品工作图完成后，根据工作图制定工艺文件，进入样机试制，然后进行样机的试验和验证及样机鉴定，有可能的则进行样机试销，将样机供顾客试用，并协调顾客出具样机生产试用报告，该样机生产试用报告经总工程师批准后作为设计确认。样机经样机鉴定和顾客试用后，根据样机鉴定意见及顾客反馈的产品质量信息进行设计改进，然后完善工艺文件，进入小批试制及验证阶段。产品小批试制后进

5、行小批鉴定、工艺整顿、改进和完善文件、设计和开发的确认，然后进入正常的批量生产阶段。使用阶段分为售前服务、售后服务及收集顾客的使用意见。根据各方反馈的产品质量信息，进行产品的持续改进。存在的主要问题我国在“九五”计划期间大力推广 CAD技术,机械行业大中型企业CAD的普及率从“八五”末的20%提高到目前的70%。随着企业 CAD应用的普及,工程技术人员已逐步甩掉图板,而将主要精力投向如何优化设计,提高工程和产品质量。传统手工绘图设计模式，很难用二维图纸去描绘三维空间机构运动和进行产品装配干涉检查等工作，因此其工作流程是按顺序进行的。很多时候是等模具做出来了，对产品进行试装配时才发现干涉或设计不

6、合理等现象。在设计早期不能全面考虑下游过程的要求，从而使产品设计存在很多缺陷，造成设计修改工作量大，开发周期长，成本高。二维CAD系统，它可以帮助设计人员把图纸画得规范、漂亮，提高绘图效率的同时也便于图纸以后的修改及管理，在“甩掉图板”的初级阶段功不可抹。但二维CAD系统与传统的手工绘图一样，对减少产品设计错误、设计更改和返工现象并无重大影响，对企业最需要的设计质量并没有多大的提高。目前，我企业在产品开发过程中主要使用二次开发的AutoCAD二维图形软件。与传统的手工绘图相比，产品开发周期大大缩短，而且图纸更加规范，但是，不能解决在产品开发过程中的大量的工程计算分析，如产品性能分析和计算、强度

7、和刚度计算、结构参数计算和校验性计算等。这些计算分析目前主要通过人工进行，计算量大且繁琐，而且很多情况下是通过经验或类比法确定一些结构参数，误差较大，不能很好地进行边设计、边修改和边验算。商品市场竞争的日益加剧，不仅要求缩短产品更新换代周期，而且还要求产品由原来的单一品种、大批量生产模式，转向多品种、高质量、小批量生产模式。因而，目前采用AutoCAD二维图形软件进行产品设计已不能很好地适应这种变化的要求，必须寻求新的设计方法和手段，来提高开发新产品的能力和增强新产品的竞争能力。解决方案及其关键技术制造业企业生存之道就是购入原材料或半成品，经过设计、加工生产出半成品或产品，从中赚取其差价。产品

8、是否被顾客接受而卖出好价钱，就主要看产品的外观、功能、质量及附加新技术含量。即使新技术含量一样，产品的外观、功能及质量高低不同，其售出的价格也千差万别，这也决定了企业生产的产品是否有利可图。产品的外观、功能及质量为什么会有高低之差呢？这跟产品的设计质量、生产设备及工艺有很大的关联。其中产品的设计质量对产品的外观、功能及质量起了决定性的作用，生产设备及工艺是设计质量的保证。为了使产品售出好价钱，目前很多企业都非常注重产品设计质量。因三维产品设计是提高产品设计质量的主要工具和重要手段之一，因此国内外著名的制造业企业无一不是三维CAD应用的佼佼者。使用CAD三维图形软件系统，可以方便地进行CAD三维

9、实体造型，设计出所见即所得的三维实体产品模型。有了三维实体模型，可以进行装配和干涉检查; 可以对重要零部件进行有限元分析与优化设计（CAE）；可以进行工艺规程生成（CAPP）；可以进行数控加工（CAM）；可以进行快速成型，在做模具之前就可以拿到实物零件进行装配及测试；可以启动三维、二维关联功能，由三维直接自动生成二维工程图纸；可以进行产品数据共享与集成等等。这是二维绘图无法比拟的。计算机辅助工程分析(CAE, Computer Aided Engineering)方法和软件将成为关键的技术要素。在工程实践中,有限元分析（FEA）软件与CAD系统的集成应用使设计水平发生了质的飞跃,主要表现在以下

10、几个方面:增加设计功能,减少设计成本； 缩短设计和分析的循环周期；增加产品和工程的可靠性；采用优化设计,降低材料的消耗或成本；在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题；模拟各种试验方案,减少试验时间和经费；进行机械事故分析, 查找事故原因。在大力推广 CAD技术的今天,从自行车到航天飞机,所有的设计制造都离不开有限元分析计算,FEA在工程设计和分析中将得到越来越广泛的重视。FEA与CAD软件的无缝集成可使有限元分析系统与通用CAD软件的集成使用,即在用CAD软件完成部件和零件的造型设计后,自动生成有限元网格并进行计算,如果分析的结果不符合设计要求则重新进行造型和计算,直到满意为止,从而极大地提

11、高了设计水平和效率。今天,工程师可以在集成的CAD和FEA软件环境中快捷地解决一个在以前无法应付的复杂工程分析问题。所以当今所有的商业化有限元系统商都开发了和著名的CAD软件(例如Pro/ENGINEER、Unigraphics、Solid Edge、Solid Works、IDEAS、Bentley和AutoCAD等)的接口。效果及风险为提高企业的产品研发能力，我们于几年年前购买了Solid Edge三维图形软件，现在正处于应用中，也取得了一定的效果。在产品的初步设计阶段，我们利用Solid Edge三维图形软件进行产品的三维造型设计，使设计人员对产品的外观有很直观的认识，便于设计人员进行产

12、品的总体方案设计，对改善产品的外观起了很大的作用。在产品的技术设计阶段，我们需要进行大量的工程计算分析，如：伺服电机的惯量匹配计算。这需要进行旋转零件的惯量计算及移动零件的重量计算，对于形状复杂的零件，这样的计算很复杂且计算误差较大。利用Solid Edge三维图形软件可以帮我们很方便地实现这样的计算。目前，我们已将Solid Edge三维图形软件中的物性计算运用到我们的设计中。我们还利用Solid Edge三维图形软件进行装配和干涉检验，将一些设计问题暴露在设计阶段，减少了一些不必要的生产浪费。另外，Solid Edge三维图形软件还可将三维实体直接自动生成二维工程图纸，大大缩短了图纸的设计

13、时间。使用CAD三维图形软件系统，还应与计算机辅助工程分析(CAE)软件相配套使用，对重要零部件进行有限元分析与优化设计，做到边设计边修改边验算。目前，符合企业一般设计要求的CAE软件，如ANSYS V8.0，大约需要6万美元。对于一个企业，为提高其产品的研发能力，这样的CAE软件是必需的。要提高企业的产品研发能力，除了需要好的设计软件，还必须要有先进的设计硬件。随着计算机硬件性能的不断提高，入门级NT工作站需要1万元人民币左右。先进的设计硬件加上三维软件造型功能的不断完善，CAD已完成从二维绘图转向三维设计,产生了质的飞跃，到了三维CAD的实用阶段。用三维CAD/CAM系统进行产品开发，从根本上改变了过去手工绘图，凭图纸组织整个生产过程的技术管理方式。设计构思的表达由二维图纸演变成能在计算机模拟显示零件三维实体模型的虚拟产品（虚拟样机），这是一种新的设计和生产技术管理体制，是提高企业竞争能力主要手段之一。参考文献1、赵松年等主编，现代设计方法，北京：机械工业出版社，1999.82、康飞、周玉杰等编译，SOLID EDGE使用手册，19993、洪庆章等编著，ANSYS7.0教学范例，北京：中国