浅谈三维数字化设计制造技术应用与趋势.pdfVIP

浅谈三维数字化设计制造技术应用与趋势

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，对基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

维数字化设计制造中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计制造技术。

一、工程语言演变

1、工程师的语言

语言、文字和图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，在工程技术中为了正确表示出机器、设备的形状、大小、规格和材料等

内容，通常将物体按一定的投影方法和技术规定表达在图纸上，这种根据正投影原理、标

准或有关规定，表示工程对象，并有必要的技术说明的图就称图样。工程图样是人们表达

设计的对象，生产者依据图样了解设计要求并组织、制造产品。这种采用类似工程图样的

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·蒙日

（GaspardMonge，1746～1818）系统地提出了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是显而易见的，设计师在设计新产品时，首先涌现在脑海里的是

三维的实体形象而不是平面视图。但为了向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标准和投影关系变成为复杂的、但为工程界所共识的标准工程图。这

当中的浪费不仅是投影图的绘制，还包括了从实体形象向抽象的视图表达方式转换的思维，

以及在转换过程中不可避免出现的表达不清和存在歧义。制造工程师、工人在使用这种平

面图纸时，又要通过想象恢复它的立体形状，以理解设计意图。这又是一番思维、脑力和

时间的浪费。平面图纸的再利用能力几乎没有，定义的质量完全依赖设计人员的个人能力。

有时不是创意而是对平面图形的理解程度，制图技术的好坏往往是能否设计、制造出好的

产品的关键。对二维图样的绘制和理解是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是工科大学最重要的必修课之一。二百年

来，制造业为这种平面图形的转换付出了巨大的代价。

2.2第二代工程语言

２０世纪５０年代后期，随着计算机软硬件技术的发展，在计算机屏幕上绘图变为可能，

CAD技术越来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

手工绘图，从而甩掉了沿用200多年的图板。

６０年代初期出现了三维ＣＡＤ系统，起初是极为简单的，只能表达基本几何信息线框系

统，不能有效表达几何数据间的拓扑关系，缺乏形体的表面信息。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自由曲面问题，此时，基于三

视图方法的多截面视图、特征纬线近似表达所设计自由曲面产生的不完整性，已经不能满

足工程要求，大大拖延了产品研发时间。由于贝塞尔算法的提出，使得用计算机处理曲线

及曲面问题变得可行，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，

首次实现了计算机完整描述产品零件的主要信息，同时也使得ＣＡＤ技术的开发有了现实

的基础。曲面造型系统为人类带来了第一次ＣＡＤ技术革命，改变了以往只能借助油泥模

型来近似表达曲面的落后的工作方式。

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，如质量、重

心、惯性矩等，从而提出了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，在理论上有助于统一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年代中期，一种比无约束自由造型更新颖、更好的算法———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、全数据相关、尺寸驱动设计修改的特征。可以认

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年代后期到９０年代，ＣＡＤ向系

统集成化方向发展，引起了ＣＡＤ发展史上的第四次革命。特别是波音７７７实现了全数

字样机，进一步发展了数字化设计制造技术，此后，波音公司在以波