浅谈三维数字化设计制造技术应用与趋势

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1、浅谈三维数字化没计制造技术hV:川与趋势本文在阐述了三维数字化设计制造技术的发展历程基础上，对®于三维数模的产品定义、基于三维数模的产品建模与仿真、基于MBD的数字化工艺设计、基于仿真的三维工艺验证与优化、基于MBD的数字化检测技术等三维数字化设汁制造屮的关键技术进行了论述，以及企业未来如何成功实施.三维设汁制造技术。一、工程语言演变1、丁程师的语言语言、文字和阁形是人们进行交流的主要方式。在工程界，准确表达一个物体的形状的主要工具就是图形，在T程技术屮为了正确表示出机器、设备的形状、人小、规格和树料等内容，通

2、常将物体按一定的投影方法和技术规定表达在图纸上，这种根据正投影股理、鉍准或有关规定，表示工程对象，外有必要的技术说明的阁就称阁样。工程阉样是人们表达设计的对象，生产者依据阁样了解设计要求丼组织、制造产品。这种采用类似工程阁样的产品定义方式常被称为工程师的语言。2、工程语言的历史演进2.1第一•代工程语言工程定义需要明白和无歧义的表达。中国古代工匠就有采用物理实体模型(如：故宫“样式张”)和二维绘图法表达工程思想的历史。1795年法国科学家加斯帕尔•蒙曰(GaspardMonge,1746〜1818)系统地提出了

3、以投影几何为主线的画法几何，把工程图的表达与绘制高度规范化、唯一化，工程图便成为工程界常用的定义产品的语言——第一代工程语言。这种工程设计语言的缺陷足敁而易见的，设计师在设计新产品吋，首先涌现在脑海里的是三维的实体形象而不是Y•面视图。但为了M制造它的人传递产品的信息，必须将这个活生生的实体通过严格的鉍准和投影关系变成为复杂的、但为丁程界所共识的細准工程图。这当中的浪费不仅足投影阁的绘制，还包括了从实体形象向抽象的视图表达方式转换的思维，以及在转换过程屮不可避免出现的表达不清和存在歧义。制造工程师、工人在使用这

4、种乎而图纸吋，又要通过想象恢复它的立体形状，以理解没计意图。这又是一番思维、脑力和时间的浪费。平函图纸的再利用能力几乎没冇，定义的质量完全依赖设计人员的个人能力。耔吋不是创意而是对平而图形的理解程度，制图技术的好坏往往是能否没计、制造出好的产品的关键。对二维图样的绘制和理解足需要严格的专门训练，要求工程人员有良好的空间想象能力。直到今日画法几何和工程制图仍然足工科人学最重要的必修课之一。二n年来，制造业为这种平面图形的转换付出了巨人的代价。2.2第二代丄程语言20世纪50年代后期，随着计算机软硬件技术的发展，在

5、计算机屏菇上绘罔变为讨能，CAD技术越來越成为工程表达的标准方式，逐渐成为第二代工程语言。二维CAD将手工二维绘图计算机化，人们借助此项技术来摆脱烦琐、费时、精度低的传统手工绘阁，从而甩掉了沿用200多年的阁板。60年代初期出现了三维CAD系统，起初是极为简单的，只能表达基本儿何倍息线框系统，不能有效表达几何数据间的拓扑关系，缺乏形体的表而信息。进入70年代，由于飞机和汽车工业的蓬勃发展，飞机及汽车制造过程中遇到大量由曲而问题，此时，基于三视阁方法的多截而视阁、特征纬线近似表达所设计自由曲而产生的不完整性，□经

6、不能满足工程要求，人人拖延了产品研发吋间。由于贝塞氺算法的提出，使得用汁算机处理曲线及曲而问题变得吋行，从而结束了计算机辅助设计技术单纯模仿工程图纸的三视图模式，首次实现了汁算机完整描述产品零件的主要信息，同吋也使得CAD技术的开发有了现实的基础。曲而造型系统为人类带米了第一次CAD技术革命，改变了以往只能借助汕泥模型來近似表达曲面的落后的丁作方式。由于曲面造型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其他特征，如质S、電心、惯性矩等，从而提出丁对实体造型技术的需求。实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，

7、在理论上冇助于统一CAD/CAE/CAM的模型表达，给设计带来了惊人的方便性。可以说，实体造型技术的普及应用标志着CAD发展史上的第二次技术革命。2.3第三代工程语言80年代屮期，一种比无约束自由造型更新颖、更好的算&参数化特征造型方法开始出现。它具有基于特征、全尺寸约束、全数裾相关、尺寸驱动设计修改的特征。吋以认为，参数化技术的应用主导了CAD发展史上的第三次革命。此时众多CAD/CAM/CAE软件开发公司群雄逐鹿。80年代U期到90年代，CAD向系统集成化方向发展，引起了CAD发展史h的第四次革命。特别是波

8、音777实现了全数字样机，进一步发展了数字化没计制造技术，此后，波音公司在以波音787为代表的新型客机研制过程屮，全而采用了MBD技术，将三维产品制造信息与三维设计信息共同定义到产品的三维模型中，摒弃二维图样，将MBD模型作为制造的唯一依据。至此，基于三维模型定义技术的MBD己经成力第三代T程语言。近10余年，以波音、空客和洛克希德?马丁为代表的K机制造企业在三维数字化设汁制造技术应用