淺談Pro/E軟件在機械CAD設計中應用

朱顯明 馬洪波

[摘要]Pro/Engineer是一套由設計至生產(chǎn)的機械自動化軟件,是新一代的產(chǎn)品造型系統(tǒng),是一個參數(shù)化、基于特征的實體造型系統(tǒng),并且具有單一數(shù)據(jù)庫功能。因此,介紹三維CAD軟件Pro/E設計手段的優(yōu)勢,闡述Pro/E參數(shù)特性及目前推廣存在的問題。

[關鍵詞]Pro/E機械CAD參數(shù)特征

中圖分類號:TH12文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)1210163-01

一、機械CAD技術的發(fā)展趨勢

計算機輔助設計(CAD)技術,從廣義上說包括二維繪圖、三維設計、有限元分析、數(shù)控加工、仿真模擬、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫以及上述技術(CAD/CAE/CAM)的集成技術等。目前CAD技術在機械行業(yè)的應用多數(shù)還局限于完成發(fā)傳統(tǒng)意義上的二維繪圖設計,并且應用也已相當普遍,人們習慣將此稱之為CAD。在得到一定的普及之后,雖“甩掉圖版”的初級階段,但可以發(fā)現(xiàn)二維繪圖再許多情況下與傳統(tǒng)的手工繪圖一樣,對減少產(chǎn)品設計錯誤、設計更改(不是對表達“圖線”的修改而是對設計“概念”的修改)和返工現(xiàn)象并無重大影響,對企業(yè)最需要的設計質(zhì)量并沒有多大的提高。也就是說目前CAD技術的應用還僅僅停留在只起到代替手工繪圖的層面上。在日益激烈的市場經(jīng)濟條件下,傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)方式已不再適應企業(yè)對產(chǎn)品的時間、質(zhì)量、成本的要求,要提高制造業(yè)水平,必須要有先進的設計工具,因而CAD在企業(yè)中的應用內(nèi)涵應擴大,CAD中的D應不僅僅是Drawing,而應為Design。要充分發(fā)揮CAD技術中Design的作用,就CAD技術發(fā)展趨勢看,從二維繪圖到三維設計是歷史發(fā)展的必然。目前國際上流行的三維CAD(多數(shù)包含CAE和CAM等模塊)軟件有數(shù)十種,基本功能大體相同,但也各有所長。本文主要解析Pro/E的特性。

二、Pro/E參數(shù)式設計特性

(一)3D實體模型的形象、直觀

設計人員在設計人員零件時原始設想是三維實體,甚至是帶有相當復雜的運動關系的三維實體。由于以前的繪圖手段有限,人們很難在圖紙上將設想的零件表達成立體圖形,不得不遵循共同的標準用正投影法形式的二維視圖來表達自己的三維設想。經(jīng)過實驗表明,雖然這種方法能表達的信息是無限的,但卻存在著一些弊端。比如無論是設計人員還是加工人員都要經(jīng)過專門訓練才能在腦中將二維視圖轉(zhuǎn)化成三維實體,更重要是很難用二維圖紙去描繪三維空間機構(gòu)運動和進行產(chǎn)品裝配干涉檢查等工作,一旦經(jīng)驗不足,考慮不周,空間干涉就再所難免。因為設計和制造工作流程是按順序進行的。很多時候是等機械零件做出來了,對產(chǎn)品進行試裝配時,才發(fā)現(xiàn)干涉或設計不合理等現(xiàn)象。由于在設計早期不能全面考慮后續(xù)過程的要求,從而使產(chǎn)品設計上存在很多缺陷,造成設計修改工作量大,開發(fā)周期長?，F(xiàn)在隨著CAD軟件的不斷發(fā)展,現(xiàn)在能夠在軟件的支持下,直接在計算機呈現(xiàn)出設計者的設計概念最真實的三維模型,隨時計算出產(chǎn)品的體積、面積、質(zhì)心、重心、轉(zhuǎn)動慣量等,其最大的好處是三維設計形象直觀,設計結(jié)構(gòu)的合理性讓人一目了然,且能非常直觀方便的進行干涉檢查,甚至可以作運動干涉分析。在設計階段即可實現(xiàn)模擬裝配、模擬運轉(zhuǎn),使設計更加符合實際過程。

(二)可實現(xiàn)全參數(shù)化、變量化設計

參數(shù)化及變量化設計是三維設計的基本思想。傳統(tǒng)的CAD繪圖軟件都是用固定的尺寸值定義幾何元素,要進行圖面修改只有刪除原有的線條后重畫,而新產(chǎn)品的設計不可避免地要進行多次的修改,進行零件形狀和尺寸綜合協(xié)調(diào)、優(yōu)化,而且大多數(shù)設計工作都是在原有設計基礎上的改進。在現(xiàn)有的二維的繪圖軟件中,雖然有的也具有一定的參數(shù)化設計功能,但實現(xiàn)不了基于裝配環(huán)境的參數(shù)化設計。三維設計中的參數(shù)化和變量化設計模塊,使得零件的設計可以隨著某些結(jié)構(gòu)尺寸的修改而自動修改,在裝配設計中可以用參數(shù)量和變量化技術來建立裝配體中各個零部件之間的特性形狀和尺寸之間的關系,使得當其中某個零部件的形狀和尺寸發(fā)生變化時,其它相關零部件的結(jié)構(gòu)也隨之改變。支持在裝配環(huán)境下設計新零體的系統(tǒng),還可以以有零件的形狀作為參考,建立新零件與已有零件之間的形狀關聯(lián)。當參考零件的形狀和尺寸發(fā)生變化時,新零件的結(jié)構(gòu)與尺寸也隨之跟著變動。還可以利用參數(shù)化建立裝配體中不同零部件之間的尺寸關聯(lián),定義驅(qū)動尺寸和參考尺寸。這可以減少大量的重復勞動,減輕設計工作量。使設計人員從大量繁重而瑣碎的繪圖工作中解脫出來,大大提高設計速度,并減少信息的存儲量。這也是Pro/E軟件與其它三維軟件最大區(qū)別。

(三)可對零件進行有限元分析和優(yōu)化設計

對于形狀、受力復雜的重要零件,在運用傳統(tǒng)的設計方法進行設計時,由于設計計算數(shù)據(jù)不能做到與實際的工作狀態(tài)高度接近,為保證零件工作的可靠性,往往要加大安全系數(shù),使設計出的零件粗大笨重。目前常用的三維設計軟件都沒有與有限元分析軟件的接口,因此重要的零件經(jīng)參數(shù)化三維造型設計后,即輸入到有限元分析軟件當中,自動生成有限元網(wǎng)絡格并進行應力變形分析、熱及熱應力偶合分析、振動分析和形狀優(yōu)化,同時可對不同的工況進行對比分析。如果分析的結(jié)果不符合設計要求則重新進行造型和計算,知道滿意為止,從而極大地提高了設計水平和效率,并且做到優(yōu)化設計,降低材料的消耗和成本,增加產(chǎn)品和工程的可靠性。使設計水平發(fā)生質(zhì)的飛躍。

三、Pro/E設計技術推廣存在的問題

雖然Pro/E設計有不可比擬的優(yōu)越性,但目前多數(shù)企業(yè)的CAD應用還只是計算機輔助制圖而不是輔助設計,這其中的原因比較復雜的。

1.部分企業(yè)領導和技術人員對三維設計軟件Pro/E的認識不高,認為二維工程圖就能滿足企業(yè)目前的實際要求,三維設計軟件Pro/E可有可無。

2.Pro/E軟件費用較高企業(yè)難以承受也是三維設計軟件Pro/E推廣較為困難的原因之一。

3.部分設計人員對三維設計軟件Pro/E的使用有畏難情緒。對于一個成熟的設計人員來說,使用三維設計的最大障礙不是軟件應用技術,而是自己的思考方法。由于多年來養(yǎng)成的二維工程圖表達習慣和一系列制圖規(guī)則的使用經(jīng)驗,與描述三維模型特征類型和相互關系的不一致甚至沖突使使用者感到思考方法上的生疏和軟件操作的困難。對這些設計人員來說把自己的思維式“返璞歸真”,還需要一個必須經(jīng)歷的過程,只要通過人員培訓提高認識,才能盡可能縮短對軟件的適應時間。

四、結(jié)束語

在當今社會,提高競爭力的關鍵是縮短產(chǎn)品從開發(fā)到生產(chǎn)的周期,快速投入市場,以及提高設計質(zhì)量。三維CAD系統(tǒng)是技術創(chuàng)新和產(chǎn)品設計的有效輔助工具,將是產(chǎn)品設計的最終出路,必然在我國企業(yè)技術改造,產(chǎn)品創(chuàng)新設計中發(fā)揮重要作用。

參考文獻:

[1]林清安,Pro/E2001零件設計與工程圖[M].臺灣科技大學,2003.

[2]孫家廣,CAD技術的發(fā)展趨勢[J].工程技術CAD及自動化.