三维设计软件在地铁客车设计中的应用总结

cogito · 发表于 2007-3-30 15:24:17

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三维设计软件在地铁客车设计中的应用总结

内容摘要：
本文主要结合北京地铁客车进行三维设计的实例，对三维设计软件在客车的设计过程中的应用情况进行分析总结。
提出今后的发展方向和目标。
全篇主要题目：CAD技术的四次革命、软件的运行环境和方式、软件的实际应用情况分析、从中可以看出三维设计的必要性、可行性以及软件在客车设计中应用的优越性。

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qyzyq · 发表于 2007-3-30 15:27:09

SolidWorks在地铁客车设计中的应用
人们一直期待能够有一种手段，在产品正式生产之前，能够直接把头脑中的三维图像模拟出来，以确认设计的可靠性。传统的方式是用模型的方式把实体实际地制造出来，既费时又费事还浪费资金。SolidWorks的三维软件产生，实现了设计师的这一梦想。
内容摘要：本文主要结合北京地铁客车进行三维设计的实例，对三维设计软件—SolidWorks在客车的设计过程中的应用情况进行分析总结。提出今后的发展方向和目标。全篇主要题目：CAD技术的四次革命、SolidWorks软件的运行环境和方式、SolidWorks软件的实际应用情况分析、从中可以看出三维设计的必要性、可行性以及SolidWorks软件在客车设计中应用的优越性。
一、CAD技术的四次革命
设计师在对一个产品进行设计时，头脑中先产生的是三维实体图像，然后利用投影原理及附加的各种规则和标准，把头脑中的图像“翻译”出来，描绘到图纸上。用它来进行指导生产和技术交流。这就是通常所说的二维工程图纸。二维工程图在手工和人控的机加工环境中起着重要的作用。人们一直期待着能够有一种手段，在产品正式生产前，能够直接把头脑中的三维图像模拟出来，以确认设计的可靠性。传统的方法是用模型的方式把实体实际地制造出来，既费时又费事还浪费资金。计算机的三维软件产生，实现了设计师的这一梦想，通过它把设计师头脑中的图像直接仿真到屏幕上，既形象又直观。可以说：应用三维软件进行设计是设计师思想不经“翻译”的直接反映，是自然的思维过程。因此，三维软件可以进行直观的交流，思想表达更准确、清晰。
CAD软件的宗旨是把设计师从烦琐的软件操作中解脱出来，使他们把更多的精力投放到产品设计中。三维CAD软件不仅仅是创建实体模型，而是利用设计出的三维实体模型进行模拟装配和静态干涉检查、机构分析和动态干涉检查、动力学分析、强度分析、铸造、各种加工、美工处理等。所以说：应用三维软件进行设计的真正意义不仅仅是在于设计模型本身，而是设计出模型后的处理工作。现在，三维软件发展速度很快，特别是WINDOWS操作系统的产生，降低了软件对硬件的要求，涌现出大量新兴优秀的三维软件，由于它们是在新环境下产生的，软件的功能比较先进、性能也比较完善，表现出的主要特点是易学、易懂、易掌握。
二、SolidWorks软件的运行环境和方式
SolidWorks软件对硬件要求很低，凡是能够运行WINDOWS或NT，内存：256MB，硬盘：20G的微机都可以应用此软件进行一般的三维设计。对于大、中型企业可采用部分高档的微机和大量的普通微机进行连网，通过Smarteam的管理方式实现了软件的并行设计。Smarteam是以一个流程为起点，各部分之间用流程线来连接，在流程中配置相关的权限和关系，共享同一个数据库。这样就构成一个整体的设计和管理环境。
三、SolidWorks软件的实际应用情况
长春客车厂于1998年9月正式引入SolidWorks软件，开始由计算机专业人员应用此软件分别对地铁车的转向架，CCK128车的底架（13）、制动管路及风缸（06）等部件进行了三维设计和测试分析工作，测试结果令人满意。1999年7月，开始初步应用此软件进行设计，主要包括：北京地铁车的整车三维造型；磁悬浮车一些大部件的设计工作。此项工作至1999年7月26日，北京地铁车的整车装配基本完成。全车共装配10598个零件，可以说是创记录的大型装配。磁悬浮车的车顶、底架、司机台、制动等的三维模型已经产生，部分设计师已经进入了出二维工程图的最后环节。总观此项目，设计师在经过仅五天的三维软件培训后，就能够独力地在短期内完成各自的设计项目。说明此软件易学、易懂、易掌握，适合在企业的产品设计中逐步推广。下面就对SolidWorks软件在应用过程进行分析总结。
1、零件设计
零件设计是三维设计的基础，要求三维软件的零件设计功能必须功能齐全，实现零件的手段简洁明快；并且容易做各种修改。SolidWorks软件是完全基于Windows 9.X╱NT平台的三维设计软件，它充分地利用了Windows的现有操作环境及数据管理和网络资源。这样，就使得软件非常容易掌握，可以说：熟悉WINDOWS就学会了一半SolidWorks。而且设计功能比较全，如：钣金、曲面造型、不同壁厚的面抽壳等。它的最大优点是对零件的修改，它用一种能够记录设计过程的Featuremanager(特征管理员)设计历史树，随意地改变零件的形状和设计意图。这种灵活多变的设计方式大大增加了设计的灵活性。这样设计师就可以在暂时不考虑尺寸的情况下进行设计，待形状确定后再进行尺寸约束，从而完成零件的设计工作。设计师设计完成的零件被其他设计师调用时，能够很快地通过历史树了解此设计意图和设计过程，并可以马上按自己的设计思想进行修改。另外，对于已经用二维CAD软件画完的文件可以直接被SolidWorks调用产生草图，经过拉伸、旋转等特征处理很方便的产生三维实体模型。SolidWorks 的零件设计是目前最方便的设计工具。
2、装配体的设计
三维设计的重要意义之一就是要产生一个装配体，通过对设计模型的装配，可以发现零件设计尺寸是否正确、整个装配体的零件之间有没有产生干涉。这样就能够及时发现设计中的错误，及时纠正零件间的“打架”现象。避免了生产中由于设计装配不合理而造成的浪费。如果在设计时，添加上零件的材料密度，在装配中就可以很方便地计算出重心、重量等。计算结果非常准确，最多可精确到小数点后16位。
SolidWorks除了具有上述共性外，还为设计师提供了两种自由度：一种是在装配的环境里完成零件设计，这种设计方式被称为自上而下的设计，在设计中设计师头脑里有时先产生的是装配体的形状，通过装配的总体构架再进行详细零件设计。SolidWorks的这种设计思想完全满足了设计师的这种需求，使用它可以先有装配的概念，然后，在装配的环境中自由地进行零件设计，并且设计的零件自动地装配在装配体上，无须添加任何约束。另一种是把设计好的零件一个个地进行装配，发现问题及时进行修改。SolidWorks的装配具有一定的智能化，只要设计师利用同轴、贴面等配合关系，经过简单的拖拉功能，一下就可以装配完零件。比起其它软件要经过几步甚至十几步的不同制约才能装好一个零件要简单的多。SolidWorks给设计师提供了灵活的编辑功能，它可以使设计师象在零件中设计那样自由的对装配体中的零件进行任意修改，修改的零件自动地反映到零件的设计中。
SolidWorks另一个特点就是它的配置功能，在进行方案设计时往往要求设计师提供几种不同的设计方案，几种方案的总体设计基本不变，只是个别的零件或部件发生变化。这种情况要让设计师把每种方案都装配一遍，显然十分麻烦。SolidWorks的配置功能给设计师提供一个非常简捷的办法，就是在同一种装配关系上使用不同的零件或部件进行互换，从而产生不同的方案设计。这样设计师就可以只采用一种装配关系，几种不同的配置，就能产生几种设计方案。这一功能还可以用于零件的同一形状不同尺寸设计中，从而在同一设计下获得多个零件，大大地节省了设计时间。
3、动态模拟装配（IPA）功能
一个装配体产生后，它的运动效果如何，能不能产生动态干涉,这也是设计师十分关心的问题。嵌入在SolidWorks内的IPA模块很方便就可以解决这一问题。只要设计师把装配文件调入此软件中，经过简单的路径编辑，给出运动方式。装配体就可以产生运动，并在发生动态干涉时进行报警，提示出发生干涉的部位和干涉的体积。
IPA除了上述功能外，它还可以动态模拟整个装配体的从零件到产生装配体的全部安装方式和安装过程。并且可以产生AVI格式，使得任何人都可以脱离软件本身，独立播放。这样就可以在产品生产出之前，使客户在产品的设计阶段就能够真实地看到产品的实际形状和安装过程。另外，在实际产品出厂后，也可以用它提供给用户的设计师、操作和维修人员等。使他们能够在熟悉的环境里对产品的各个方位进行操作。
4、二维工程图的产生
三维设计的发展方向是：无图纸化生产，就是说通过三维软件设计出的模型，不需要二维工程图，直接经过数据加工软件进行处理，在数控加工设备上进行加工，最终生产出产品。这种发展趋势是正确地，但由于现在自动化程度的限制，大部分仍需要二维工程图来指导生产。因此二维工程图是一个时期所必须的指导生产方式。这样，从三维模型到转换成二维工程图就显得十分重要。因为二维工程图的质量和产生的速度将直接影响产品的生产周期。
SolidWorks可以从三维模型自动转换成二维工程图，经过转换的图形十分准确，并且产生各种视图的功能比较齐全。如：剖视图、轴测图、局部放大图等都能自动生成。各种尺寸标注、形位公差、焊接符号等注释都可以自动产生。更重要的是，还能同MS Execel联结，自动产生各种图表。如：明细栏、标题栏、明细表等。
SolidWorks软件的三维和二维图是完全相关的，在三维对零件或部件进行修改时，它的二维工程图也随着一同修改。这样就确保了三维和二维的数据统一。不象有些三维软件把二维和三维脱离开来，修改三维时二维不能随着改变。时间一长就会造成三维和二维的数据不统一。从而产生数据混乱的现象，后果不堪设想。
5、自动产生明细（BOM）表
明细表是工厂指导生产的物料清单和工艺流程路线等技术环节。
SolidWorks的数据管理是统一的数据管理，所有的资料都从所要出的三维装配体中提取，设计师只要在所设计的零件中加入材料、比重、名称等相关信息，该模块就可以自动地汇总零件、计算重量、编排顺序等。最终形成一个数据文件，该文件可以用任何格式自动输出，即：生成明细表、图纸明细栏，格式和内容与工厂的要求完全相同。从而实现全厂明细数据的自动化生成和管理。
6、 PDM系统
PDM是当今数据管理的热门话题，PDM系统可以使企业所有数据包括：财务、人事、设备、物资等，都纳入到PDM范畴。但只是今后的一种发展方向，当前的首要任务是对设计进行数据管理。因为所有的管理数据都要先把设计所产生的数据作为基础，如：只有当设计归档后，才能根据设计所提供的数据进行工艺路线的划分、财务预算、物资采购等管理工作。
SmarTeam是伴随WINDOWS环境下产生的先进的管理系统，它可以把SolidWorks嵌入到系统中，同时也把它的SmarTeam–Works模块嵌入到SolidWorks中，SmarTeam–Works是专门为SolidWorks所创建的“无缝集成”。它给用户提供创建、编辑、观察和注解SolidWorks文档和微软的Office类文档的工具。另外用户还可以进行高级查找、直观地实施修订和快速的预览文档而不用打开原始应用程序。SmarTeam–Works对设计部门的应用是非常理想的，并对将来的企业级的应用打下良好基础。
并行工程的实施，首先应是并行设计的实施，SmarTeam用一种流程图的方式来控制并行设计的进程，即形象又直观，非常容易掌握。设计师在设计中很容易进行所谓的“check in”和“check out”工作，从而实现了并行设计。
另外，SolidWorks与分析软件COSMOS/Works和ANSYS、三维实体的运动分析软件MotionWorks、数控加工软件CAMWORKS等都作到了“无缝集成”的程度。
以上是应用SolidWorks过程中对它的一些特色功能所做的总结和分析，SolidWorks是一个模块化的集成软件，它首先把自身的三维设计完善好，然后，为其他专业软件提供友好的集成接口。用户就可以各取所长，合理地选择自己所需要集成的软件，这样就避免了某些系统软件所带来的功能不突出和多余浪费的现象。
四、结论：
以上是在这次大规模应用SolidWorks软件中，得到的一些经验和看法。从以上的分析中可以得出以下结论：
软件的零件设计功能比较先进完善，软件的装配关系合理；并能进行动态模拟装配；可以进行静、动态干涉检查。产生装配的爆炸图和动态装配录象文件等,功能齐全。可以满足客车的装配要求。自动二维工程图，线型粗细合理，尺寸标注和一些相关的注释基本上是符合标准的。
总之，在设计师接受一周时间的培训后，马上就能进行设计，在不到一个月的时间，完成了所有北京地铁车的三维设计工作。而且所有设计是在正常的工作时间内完成的，从没加班加点。说明此软件易学、易懂、易掌握，适合在工厂客车的设计中推广。