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机械产品设计中的电气CAD系统【CICEE】

发布时间:2022年11月24日    点击:[1]人次

机械产品设计中的电气CAD系统

当前机械产品设计CAD技术的发展趋势

集成化

计算机集成制造系统是在新的生产组织原理指导下,所形成的一种新型生产模式,它要求从产品整体角度将CAD/CAPP/CAE/CAM集成起来,建立新的设计、制造、分析及技术管理一体化,而不是将这些独立系统进行简单的连接,CAD模型将最大限度地被后续的分析、加工、工艺和彷真所利用。目前,基于产品数据管理PDM的CAD/CAPP/CAE/CAM一体化集成,已成为协同开发环境和实施计算机集成制造、并行工程、敏捷制造等先进制造技术的关键基础之一。

络化

企业生产过程是一个包括产品规划、产品设计、工艺准备、零部件生产、标准件/外购件采购、产品组装检验、产品销售及服务等的信息协作过程,并行工程等先进制造技术的发展,要求现代CAD系统实现从单机到络化的转变。当前,随着互联的发展,建立动态联盟制造体系已成为全球化制造系统的发展趋势,发展络化的CAD技术,将支持动态联盟中协同设计所需的环境和设计技术。

标准化

随着CAD系统的集成化和络化,制定各种CAD产品设计和数据的标准化及完备的图库、数据库结构,充分发挥CAD系统的作用是势在必行。

我国这方面存在的问题及解决途径

停留在零部件绘图的“甩图板”阶段

这种以计算机代替图板及绘图仪器的二维辅助绘图,还不能实现真正的辅助产品设计,它对产品的创新设计、提高产品的整机设计质量、缩短产品的设计制造周期等,都无法起到根本性的作用。

缺乏完善、实用和开放的集成应用环境

由于商品化的CAD支撑软件系统,通常只是提供CAD/CAM等技术的基本应用平台,如:几何造型系统、工程图处理系统、物性计算系统、图形输入输出系统,较高档的还提供有限元分析系统、数控加工系统等,并没有提供一个产品设计全过程所需各种信息的辅助设计系统,如各种专业产品设计所需方法、数据、计算公式、产品标准、技术要求、外购件与原材料优选手册,以及本企业产品的典型结构、经验数据、工装情况等。因此,要把商品化的CAD硬、软件的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,以建成能较全面支持设计人员应用的软件开发环境。

解决问题的途径

开发适合设计人员操作的和开放的CAD应用软件开发环境,应有良好的CAD应用框架结构、基于特徵的参数化或变量化产品建模、完备的图库、数据库结构,营造开放环境,使设计人员可以根据需要补充开发,建立起该企业的应用软件系统。

机械产品设计中电气设计的系统分析

市场经济的发展,传统的手工设计方式已难于适应市场竞争的需求,采用CAD技术是必然趋势。从22世纪82年代以来,各种CAD支撑软件开发应用已日渐成熟,但是应用CAD支撑软件进行设计,它仅仅提供了设计绘图的工具,而缺乏设计过程中所需设计规范、设计数据、资料、标准等。由于机械设计应用CAD比较早,故此已出现了在应用CAD支撑软件的基础上通过二次开发形成的机械设计应用软件,如德国西门子公司开发SIGRAPH-DESIGN智能型机械CAD系统,包含了机械设计从概念到结构设计的全过程,为机械产品设计系统化、通用化、标准化以及CAD/CAM一体化提供了统一解决方案。因为机械产品离不开电气部分,所以电气设计也必须有通过二次开发形成的电气设计应用软件。

电气设计的特点

机械产品的电气化已有悠久的历史,从常规电气设计发展到应用现代电子技术、与计算机技术互相结合,目前向机电一体化发展,电气设计的工作量与复杂程度也在不断增加。

另外,由于电气元器件在国际、国内标准化程度较高,电气设计方式因而以元器件组合达到系统的功能、性能为主。

电气设计存在的问题

重复劳动量大。因为电气设计方式以组合元器件为主,而电气元器件标准化程度较高,所以设计工作中重复劳动量大;

设计周期增长。由于机械产品电气复杂程度不断增加,电气设计的工作量也随之增加,设计周期必然增长;

设计自由度大,设计不规范。电气设计中电气元器件标准化程度较高,但电气元器件品种规格非常多,而且更新换代非常快,如何组合元器件以达到系统功能、性能要求没有规范或规范不全,设计自由度将非常大,同时影响产品功能、性能、结构的标准化,以及电气元器件采购、产品成本与交货期。

基于传统机械产品设计中电气设计方式、方法无法适应现代市场经济快变、多变的需求,为此必须改变传统机械产品设计中电气设计方式、方法。

机械产品设计中电气CAD系统的设计

电气CAD系统的目标与范围

机械产品电气设计包括电路图、接线图、安装图、接线盒和电柜以及按钮站的设计,这五个部分之间不是孤立存在的,而是互相联系,这五个部分既能单独运行又能实现信息共享。为此电气CAD系统的目标与范围是:建立适应完成以上功能要求、保证设计质量又能提高效率、缩短设计周期、减少人工劳动的电气CAD系统,包括电路图、接线图、安装图、接线盒和电柜、按钮站的设计。

电气CAD系统拟采用的设计方式

首先,根据机械产品设计中电气设计的特点及存在的问题,必须采用检索式设计方式,以解决电气设计中设计自由度大、设计不规范问题,使电气元器件选用实现标准化,电气设计功能、性能达到规范化,满足降低产品成本的要求,并能解决电气设计中大量的重复劳动,缩短设计周期以达到缩短交货期的目的,把设计人员从大量的重复劳动中解放出来,去从事创造性的劳动。

在传统机械产品电气设计中已积累了大量的资料,可以整理、归纳由元器件组合为一定功能的常用的组件或小部件,这为电气CAD系统建立通用组件或小部件图形库、数据库奠定基础,也为进一步发展模块化设计创造了条件。

再者,通过对机械产品电气设计中部分零部件的分析,发现不单其形状较规范和相似,而且尺寸也比较规范,有很多品种和规格,根据这些条件完全可以采用参数化设计方法。

为了提高电气设计的水平,在检索式设计的基础上,总结电气设计的经验,使之形成设计规则,并利用检索式设计已建立的各种数据库、图形库,将系统提升为专家系统。

电气CAD系统的功能设计

实现信息共享并达到以上的目标,系统必须有以下功能:

—建立统一电气设计图面、图幅、元件标注、标题栏格式;

—建立共享数据库、图形库,包括按国家标准GB4728与行业、企业标准相结合的电气图形符号库;

—提供用户建立、扩充图形符号库的功能;

—提供对系统内图形符号库的快速、简便、灵活检索功能,包括查询、调用、插入、删除等。

—分别提供标注图形符号与标注文字的功能,标注图形符号时能自动识别不同元件图形符号,并提取相应的标注内容,为生成接线图作好准备;

—能自动确定在图纸上触点和线圈的相对应坐标位置,减少人工查找劳动,提高工作效率,避免人工查找容易发生的错误;

—能调用机械CAD完成的图形,完成电气安装图的设计;

—系统能读取电路图中信息,半自动生成接线图;

—系统能读取标准件、外购件库,对安装图进行标注并生成标准件、外购件明细表或标准件、外购件清单。

—接线盒的设计应用参数化设计方法,接线盒形状比较规范、尺寸规格参数可以系列化,采用参数化设计方法效果最佳;

—电柜、按钮站的设计应用模块化设计方法,电柜、按钮站的功能与形状相似性很高,设计工作重复工作量大,应用模块化设计方法效果最佳。图2是电气CAD系统的功能设计。

图2 电气CAD系统功能设计图

电气CAD系统的结构设计

按照电气CAD系统功能设计,电气CAD系统的总体结构设计如图2:

图2 电气CAD系统结构

电气CAD系统数据库、图形库设计

图形库结构

图形库是该系统重要基础,建立图形库需要收集大量的资料,并进行分析、整理,根据图形特徵、用途来分类,对经常出现的图形组合,还可建立功能小部件图形库。为了用户使用方便,不但各图形库是开放的,而且专门设立了用户自建图形库,其结构如图3:

图3 图形符号库结构

图形库内容

包括:开关符号、组合符号、功能小部件、电机、变压器、些特殊符号、常用文字、术语库等。

数据库的建立与检索

为了方便检索,数据库按外购件分类建立。

电气CAD系统设计采用的关键技术

第一,与先进的设计方法相结合。电气CAD系统设计充分采用先进的设计方法,为了发挥CAD技术的作用,对电气设计进行了系统分析后,得出电气设计中元器件的标准化程度很高,设计过程基本上是元器件功能与结构的组合,其中部分可形成模块化设计,如电柜、按钮站,有不少小的功能部件可以作为通用部、组件,还有一些零部件已形成系列化设计,可以采用参数化设计方法。为此系统设计中首先决定大量采用检索式CAD,将设计过程中可能用到的元器件建立数据库,对元器件的符号、代号、接线号建立图形库,对经常使用的符号组合、小功能部件、模块化部件建立图形库,并对其中系列化部分可建立参数化图库,这样把CAD技术与先进的设计方法有机的结合起来,形成一个现代化、数字化的电气设计平台。

第二,采用全自动批处理技术。一台机器尤其是功能完备的装备,一般其电气设计图纸少则几张多则几十张,而程序一般只能在一个图形过程中执行,但是电气设计几十张图都有相互联系,要想全部提取每张图纸的信息,如果依靠人工一张一张的打开,一张一张的执行提取程序,既繁琐又费时,工作效率低,为此采用批处理技术功能,通过菜单在程序后面加上由该程序产生的SCR文件名,再点菜单,程序即能自动执行。由于SCR文件相当于批处理文件,整个过程不需人工参与,这是处理大批量图纸的有效方法。

第三,采用参数化技术。一般机器上接线盒外形已形成系列化,但各面安装的管接头有多种规格,对应的开孔尺寸也不一,而且不同接线盒的内置导轨不同,相应的接线端子也不一样,在一般交互式设计时,往往要反覆多次查阅手册进行计算、判断,为了使这一设计过程自动化,在程序设计时把所有参数以结构数组或以子程序方式嵌入程序中,这样设计时只需从对话框中选择接线盒尺寸,输入各面安装的管接头型号及规格,再选择安装图或开孔图,系统就可自动完成全部设计任务。在设计过程中对一些关键尺寸具有智能判断能力,及时提出判断防止不良设计。

第四,采用数据库技术。数据、图形是CAD应用系统的重要组成部分,在实施PDM前,把数据与图形从CAD程序中独立出来,建立单独的数据库,进行独立管理。目前大多数的CAD软件都提供了与数据库的接口ODBC,这样不同的程序都可与数据库交换信息,实现数据共享。数据与程序的分离,减少了各程序模块的依赖性,方便了程序的修改与扩充,而且提高了管理效率,为应用先进的设计方法和标准化技术提供了条件。

图4 电路图设计实例

最后是原理图与接线图标注数据共享。图4是电路图设计实例。

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