CAD技术及其在机床整机设计中的应用

详细内容

本文重点论述了机床整机设计中CAD技术的总体构成体系，以及当前CAD技术在机床整机设计应用中存在的一些主要问题和相应解决途径；最后简要介绍了“机床整机设计CAD软件IDMT”的功能、特点和总体结构框架。
一、CAD技术的应用及发展历程

当前，我国机床行业CAD技术经多年吸收消化和攻关推广，已具有良好基础和相当规模，而从产品开发需要和技术发展趋势看，目前正从单一的CAD向计算机辅助产品开发工程（puter Aided Development Engineering for products ,简称CADE）发展
CAD技术的应用可归纳为以下几个主要阶段：

(1)甩图板阶段：

以二维绘图为主，辅以部分三维造型，其目标在于提高绘图效率和质量。

(2)专用系统开发应用阶段：

在图形支撑软件基础上，针对某一专用系统进行二次开发，以提高软件的针对性、易用性，提高专用系统设计开发的效率为主要特征。

(3)基于产品数据管理PDM的一体化集成应用阶段：

以产品整机设计及开发全过程为目标，通过计算机网络和数据库技术，把企业生产过程中所有与产品相关的信息（包括：开发计划、产品模型、工程图纸、技术规范、工艺文件、数控代码等）和过程（包括：设计、加工、计划调度、装配、检测等）集成在统一的平台上，构成一个以产品为核心的管理系统。

(4)网络化：

建立基于虚拟技术并以企业局域网（Intra）和分布式客户机/服务器模式基础上的CAD/CAPP/CAM协同开发环境和实施产品开发并行工程为主要特征。

目前机床行业已处于第二阶段的实施，部分企业已开始第三阶段应用的探索。

二、机床整机设计中CAD技术的应用及当前主要存在的问题与解决途径

1.当前我国CAD技术开发应用中主要存在的问题

当前，我国CAD技术的开发应用在取得了长足发展的同时也存在一些主要问题：

(1)使用的CAD系统（尤其微机CAD系统）大多以零部件绘图为主，它对机床产品的创新设计、提高产品的整机设计质量难以起到根本性的作用。而且随着图纸资料的不断增加，又为零件的管理、修改、检索形成巨大的压力。

(2)缺乏完善且实用和开放的集成应用环境

由于要把商品化的CAD支撑环境变成设计人员得心应手的工具，需要进行二次开发，尽管国内过去有些单位在二次开发上取得了不少优秀成果，但往往是各自在某一单元技术上比较强，且各个单位的支撑环境不一，因而难以高效地集成为成套的全面支持设计人员应用的软件开发环境。

(3)缺乏从产品整机方案角度进行的设计、分析和评价系统

目前国内使用的CAD系统大多以零部件绘图为主，缺乏从产品整机方案设计开始、从结构全局最优角度进行设计分析，不能从方案设计开始就融入各方面的意见和工作，从而容易造成产品的反复修改，延长了产品开发周期。因此，研究开发以产品整机设计为目标，全过程综合应用CAD及其相关的一体化集成技术已成为必然趋势，以促进CAD技术的应用迈上一个新台阶。

2.解决问题的途径

当前，亟需研究开发以期建立：

(1)适于设计人员操作的开放的CAD应用软件环境

它应有良好的CAD应用框架结构，基于特征的参数化或变量化建模，完备的图库、数据库结构，并建成开放环境，使设计人员可以根据需要补充开发，建立起本企业的CAD应用软件系统。

(2)总体方案设计与评价系统

研究开发将CAD技术与模块化设计技术相结合的机床总体方案模块化设计方法和规范的方案评价体系，以克服传统上过于依赖个人“智慧”，随意性大的缺点，保证产品质量，促进产品的创新设计，缩短设计开发周期，快捷响应市场需求的变化。

(3)整机结构优化与仿真方法

主要是从保证整机性能的角度来研究机床总体结构优化技术，这里有建模的算法问题也有确定载荷和边界的问题，更有设计人员自己直接参与应用的问题，发展仿真技术在这个领域的应用，使产品设计能更直观和全面，可以使设计人员的经验和计算分析更完美地结合，以推进结构设计的发展。

(4)网络化的企业信息共享与并行工程环境

通过计算机网络和数据库技术，将产品设计及开发全过程的各种信息集成在一个共享的分布式的网络环境中，为产品设计开发的全过程提供一个集成的共享数据环境，实现企业各部门间的协同工作。

1.总体方案设计与评价系统

针对当前国内机床产品设计的主流方法是以改进更新的“变异式设计”为主，辅以创成设计的特点来确定模块功能。其特点是：存在可资参照的布局方案，因此重点是：建立规范化的方案设计和评价方法、加强对方案的技术经济分析和对市场的快速响应。通过“总体方案设计与评价系统”建立起规范化的方案设计与评价技术，在较短的时间内确定出相对合理的方案。

2.整机结构性能优化与仿真

其主要内容包括：机床总体性能优化，以及主要结构件形状、尺寸和特性的优化，以保证整机性能，同时以动态直观的方法使设计人员了解整机特性。

3.品特征建模

基于设计技术和CAD支撑软件功能的发展，开发一个实用开放、面向特征的CAD设计工作平台，包括一些专业基础图库、数据库，使设计人员能更快更有效地应用商品化CAD软件的功能，并为建立CAD/CAE/CAPP/CAM一体化提供信息集成基础。


4.集成化设计环境

包括工程图档管理以及基于络通讯技术和产品数据交换标准（如STEP），以实现CAD/CAE/CAPP/CAM之间、微机与工作站之间、各部门之间的集成使用、信息共享，提供设计/分析/制造一体化解决方案和并行工程的工作环境，为实现各部门间的协同工作提供基础。