CAD/CAM促进企业科技进步

    一、前言

    CAD技术在60年代兴起于工业发达国家，随着计算机硬件技术及制造业本身的飞速发展，CAD软件业也迅速成长起来。80年代初，国内开始CAD技术的应用，于80年代末形成规模。90年代初，我厂就开始CAD技术的应用，1997年开始进入集CAD/CAM/CAE，CAPP技术等多项高新技术于一身的逆向工程技术领域。现在CAD/CAM已成为企业设计、制造最基本的工具和方式。

    二、CAD/CAM系统的建立

    我厂是高低压电器元件和成套装置生产厂家。每年生产几千台套各种开关及开关设备。产品的特点是:品种更新快、交货时间短，其中钣金、冲压件占产品全部零件的80%以上。随着应用技术的发展和生产规模的不断扩大,工厂在“八五”、“九五”期间引进了日本的数控冲床、瑞士的激光切割机、焊接机械手、美国的加工中心、三座标测量仪等许多先进的加工设备进行了大规模的技术改造。在产品的设计实践中我们认识到,产品设计是决定产品性能、质量、水平和经济效益的重要环节,产品是否有竞争能力,在很大程度上取决于产品的设计。当今先进开关及开关设备的一切优良性能是集世界先进设计技术、先进造型技术、先进分析技术、先进加工工艺技术、先进制造技术并融新材料、新方法等于一身，是通过许多高科技的手段来实现的。开关设计由于要求体积小、机构操作既要可靠又轻便简单，因此在结构设计上、制造工艺技术上就有一定的特殊性，而加工工艺的制定又取决于前期的选型设计和结构设计。面对众多同行厂家的激烈竞争，为了加快自身科技进步的脚步，加速产品的升级换代，提高产品的高技术含量，早在1989年底，就开始关注CAD技术引进了模具CAD软件，对冷冲模进行了辅助设计，1992年又从西交大引进“JDS计算机自动布线”软件，使开关柜的二次接线布线图实现了计算机设计，为今后CAD技术的普及应用打下了良好的基础。1996年底，我厂经过调研，试运行，系统测试，于1997年初从华中理工大学引入了开目CAD软件。第一期的软硬件设备配置投资不到20万元系统已初具规模，而经过几个月的应用就取得了良好的效果，随着应用的不断深入，应用范围也越来越广。最初仅在设计科室应用，而今，从设计，工艺到生产加工已全面铺开。到目前为止我厂已经先后四次引入开目CAD软件共50多套，运行在60多台微机上，可以说已具有一定的规模。1998年初又从美国EDS公司引进UGII软件，开始由二维设计逐步转入三维设计，从而使我厂的设计水平前进了一大步。目前我厂仅技术口就配有：联想586计算机60台，SGI工作站一台，HPVectraXU两台，HP650，HP700绘图机各一台，EPSON喷墨打印机六台，累计投资二百多万元。所有的微机用NT网联接，SGI工作站也与微机采用网络联接，在微机上安装了FTP软件，采用双工方式实时以及后处理NC数控代码数据。在数控冲床工作区，采用数控NC系统提拱的通讯协议，NC机床的RS232C串行通讯口与PC486连接，数据传送采用半双工模式，允许NC与PC之间通过该线路进行双向轮流传输。我们还开展了CAD/CAM一体化的尝试，在UG上制作出零件的外形，进入UG的CAM模块生成.CLSF文件，再利用UG软件的通用后置处理生成.ptp文件，利用SGI工作站网络、PC网络、PC与NC机床间的通信，完成从CAD到CAM的一体化设计。

    三、CAD/CAM/CAE的应用

    1．三维设计与二维设计的集成

    我厂从1996年底开始全面推广二维计算机设计的应用，取得了较显著的成效。首先，应用二维CAD提高了绘图速度、图形方便、出图美观。从我厂应用开目CAD设计伊始，我们就非常重视CAD数据库的建立工作，在设计过程中，无论是结构设计，工艺设计还是模具设计，有许多工作是相同或相近的，对于这部分工作，我们称其为“标准件”，利用软件提供的强大功能，结合我国国家标准及本单位的具体情况，把它们全部做成“标准件数据库”，大大减少重复劳动使设计人员从繁锁的劳动中解放出来，有更多的精力到从事创造性的优化产品结构的设计。在引进开目CAD软件的同时，我厂还针对应用最多的钣金加工进行了二次开发，成功实现了钣金加工的计算机设计，制造一体化。自行设计开发出电流互感器二次绕组计算书，KYN4（A）10F对面桥自动生成模块。被评为华中理工大学的“最佳用户”、“典型用户”、省CAD示范企业。目前我厂产品开发全部应用CAD设计，出图率达98%以上，普及率100%，二维图纸已有上万张。然而，这一步仅完成甩图板的工程，在平面上生成图样，而无法实现三维造型布局和动态分析。我们认为要提高设计水平可通过应用现有的二维设计图建立三维数学模型进行三维的变形的设计，生成系列件图库，零件的模具图。
 
    将已有资源通过优化组合而成为一种新的资源，这本身就是一个创造性劳动。二维与三维的集成就是这样一种综合性的技术运用工程。开目CAD与UG系统中的每一个部件对象都支持OLE/COM接口标准，开目设计软件都可生成一个DXF格式文件，而UG三维软件也可直接读取DXF文件格式，这使得二维与三维的集成成为可能。

    2.应用三维技术进行新产品设计

    1998年初我厂选用真空接触器作为使用UG进行产品开发的“样板设计”。进行方案设计时,首先，是进行满足技术指标要求的功能设计。利用UG的三维建模功能,进行外观设计,确定总体布局,做出简单的几何外形,制定出产品完成其功能应具备哪些功能部件,以及各功能部件之间的相对位置。根据不同的使用要求,设计出几种不同的方案,然后综合用户及各方意见,进行不断修改,直到满意为止。将方案模型做成彩色tif图片,在计算机上进行多媒体演示,以获得最佳效果。第二,总体结构设计。在这个阶段开始具体的工程设计。根据方案确定的结构,确定各部件的外形结构尺寸和配合尺寸,以及各部件之间的约束关系。第三,零、部件的结构设计。根据组成部件的各零件间的相关性和可修改性,进行“自上而下”,和“自下而上”的设计。在部件中,各零件的相互配合尺寸及空间位置、各种必要的数据被最终确定下来。部件设计完成后,根据部件中所确定的各零件的结构,再设计出形状各异的零件。设计人员综合使用三维UG软件的各种技巧，先后完成零件设计。第四，设计验证。利用UGInfoAnalysisinterference检查装配件之间是否有干涉,相互位置是否正确,将大量的设计误差消灭在出图之前。利用MSC/Nastran软件对结构体进行有限元分析计算,利用UG/GFEMPlus模块来做有限元的前后处理,得出在高速运动及强力作用下结构体的动态特性及动态响应,为设计零件的结构形式及所选材料提供依据,从而确保设计出的零件结构合理,材料选用恰当。根据检查、分析、计算结果,反过来对设计进行反复修改,使零、部件得到最优化设计,设计出完美的产品。最后,我们将所有的零件进行细化,并作出二维工程图纸。

    3．利用UG的CAE功能进行产品的机构分析

    利用UG中的cationMechanism进行运动件的运动分析。在运动过程中检查运动件间的约束关系是否正确,运动过程中是否有干涉。这在利用图板设计中是无法实现的。这不仅提高了设计质量而切能准确地预测产品的性能。如我们应用UG所完成中置柜的机构分析。首先，利用UG的高级建模功能完成中置柜主要部件的三维造型，包括接地开关传动闭锁装置，活门联琐装置，并用UG的装配功能将这些零件装配在一起。完成装配后，标记出相对运动的各零件间的连接点和方向，据此，用UG的机构分析模块分别定义出活门联锁机构的组成元素。根据机构的组成原理,先生成组成活门联锁机构的运动构件，UG中称之为连杆（link），可以用三维零件实体作为连杆，根据实际机构中各构件的运动关系在连杆间建立运运动副（joint）。并且按实际运动定义两个主动运动副：上、下活门，并且规定转向运动的极限值，最后形成一个完全约束（自由度为零）的活门运动机构。

    利用UG/Mechanism中的Artification功能求解，仿真给定机构的运动，求活门运动轨迹，利用后处理功能中的Trace功能将活门定义为被跟踪轨迹的物体。通过运动分析和后处理，可以很方便地求得活门运动的最大极限值等，检查运动时各零件的干涉情况。利用UG/Mechanism功能,我们在很短时间内解决了活门的运动规律问题。UG中构成机构的构件（link）是真实的三维零件实体,因此整个机构直观、形象而且十分准确。后处理功能中可以利用测量、跟踪轨迹和干涉检查等手段求得所需运动部件的各种参数。所以说要精确描述现实空间的运动，必须以三维实体为基础，以此形成运动构件，合理选取运动副和运动条件，实现机构的正确约束，在定义运动副时，其运动、原点、方向、限制点对机构建立的正确与否有重要作用。

    四、CAD/CAM应用过程中的几点体会

    第一循序渐进的目标，分期恰当的投资，正确可行的实施方案很重要

    任何事物都有其发展规律，CAD/CAM这一先进的制造技术也经历了漫长的发展道路。
同样，要实施掌握这一技术必然会有一个过程，即使在发达国家成功率也非100%，部分在某阶段停滞不前，部分则失败，关键也许就在于目标，投资，实施三者应切合实际并取得平衡，目标应具体且易于实现并能为实现下一个更大目标打下基础，投资应以刚够用为宜，防止产品更新换代或闲置造成浪费。实施方案应具体，可操作性强并与强有力的行政措施相结合加快实施进度。

    第二领导的决策和目标至关重要
 
    我厂的CAD/CAM的应用之所以能够迅速推广，是因为厂领导直接提出实施目标，制定实施措施。1996年底厂领导决定先引进开目CAD对工程技术人员进行普及推广实现甩图板工程，当这一目标实现后，1997年底，又不失时机地组织CAD应用的专题研讨会，对如何进一步提高设计效率，缩短设计周期，减少设计差错，特别是怎样在更高层次上应用三维软件进行实体模拟，以减少样机试验的工作量方面进行了充分的探讨，最后经过认真调研从美国EDS公司引进UGII软件，并制定了详细的实施规划。

    第三具有一支素质良好的技术队伍并培养骨干分子是实现目标的重要保证。

    在我们技术口，想起实现丢掉图板的过程，大家都很感慨，尤其是年纪稍大，英语基础差的老技术人员，承受了很大的竞争压力，既要改变几十年技能与习惯，又要学习新技术，应用新技术从事设计工作，这确是非常艰苦的过程，在这过程中青年骨干发挥了传帮带的作用，达到了“以点带面”的目的，正所谓“榜样的力量是无穷的”很大程度上加快了新技术的推广普及进程。它体现出我厂这支技术队伍的良好素质和务实精神。目前，技术口年轻人的比例大大增加，更增添了这支队伍的活力。

    第四培训在实施过程中，自始至终是重要手段。

    CAD/CAM技术主要是在实践中学习的，在CAD/CAM各个实施阶段，各有其特定的目标和特定的技术难点，我们实施“火炬式”的接力培训，采用边实践边培训边应用的方法，使得CAD/CAM技术迅速推广。

    第五依靠高校或高技术产业，走出一条到达目标的又快又好的捷径。

    我们单位毕竟是一个生产单位，搞开发的精力和能力是有限的。在CAD/CAM实施，推广应用过程中，我们先后与好几所高校进行了多项课题的合作，得到UG、开目CAD等公司很大的技术支持，是他们加快了我们CAD/CAM的实施进程。