卫生瓷产品设计与模具设计智能CAD系统的研究和开发
尹显明 夏 季 王基生
宋丹路 林茂松 肖素梅
来源：西南工学院学报 时间：2013-7-16
摘 要
本文全面论述了卫生瓷产品造型设计系统的设计原理,关键技术,并确定了系统主要功能模块及设计方法。系统以先进的并行工程,把卫生瓷产品造型及产品设计集成一体,开发具有智能化特性的实用卫生瓷CAD系统。
关键词:卫生瓷 造型设计 流道优化
0 前 言
我国是一个具有悠久陶瓷生产历史的国家,在长期发展中,形成了一整套生产制造工艺,积累了丰富的经验,在我国建材工业中占有重要地位,而其中的卫生瓷产品在现代建筑工业、家庭日用品等方面占据越来越重要的地位。如何使卫生瓷产品在质量、品种、功能、造型诸方面满足现代社会的需要是卫生陶瓷工业发展的关健。目前,我国卫生瓷工业主要以手工设计、制作为主,中小型企业居多,设计手段落后,设计水平低,大多数企业设计者还停留在“凭经验、感觉”的低水平上,设计人员的经验知识对产品质量起着重要作用,另外专业化、标准化生产程度低,现代设计方法和原理的应用水平还较低,生产设备陈旧,加工方法落后,人员素质低。基于上述理由,瞄准世界先进水平,立足于国内卫生瓷生产企业的实际和需要,在高档微机网络环境下,应用人工智能和计算机技术研究卫生瓷产品设计及模具设计的智能化系统,实现卫生瓷产品的计算机造型设计、实体建模、三维二维图形转换、流道性能及优化分析设计,达到提高卫生瓷产品设计效率和质量,缩短订货周期,增强市场竞争力,促进卫生瓷企业的技术进步。
作为20世纪的先进技术之一的CAD系统在机械、建筑、冶金、化工等行业已获得广泛应用,取得明显的社会经济效益。而在卫生陶瓷产品设计方面计算机应用技术相对落后,智能的卫生瓷CAD系统更属空白。为此,我们在做了大量调研和论证后,选择对卫生瓷产品开发研制SFCADS(Sanitary fixture CAD System)系统解决卫生瓷产品设计和生产过程中的关键技术,使我国卫生瓷产品设计与模具设计技术上升到一个新的台阶,达到国际先进水平。
1、总体设计
1.1 系统设计的指导思想
SFCADS是一个直接面向工程设计人员的应用系统。为保证该系统能为广大设计人员所接受,要求在系统总体和各模块的设计中遵循如下原则:
a、面向应用 作为一个攻关课题,首先要考虑的是使攻关成果尽快转换为生产力。为此系统及模块的功能设计,紧紧围绕卫生瓷(如坐便器)设计中急需解决的问题进行,如在造型模块中的功能方面,要针对提高设计速度,合理创成型体,重点解决卫生瓷外部造型的要求,建立专用图库,通用图库及标准件库,编制自动生成图形软件及功能完备的绘图工具包等,并在此基础上建立图形管理系统。
b、面向用户 用户界面的设计应符合工程设计人员的习惯,使得工程设计人员经过简单的培训即可直接应用该系统完成设计工作。
c、确保系统的完整性和先进性 在总体设计中,通过总体调度管理软件把各模块组合成统一的整体。各模块之间通过数据库传递信息,形成一个以数据库、图形库为中心的一体化软件系统,并以先进的并行工程为基础,把卫生瓷产品造型,产品设计及性能优化分析集成于一体,开发具有智能化特性的实用卫生瓷产品与模具设计软件系统。
d、系统设计规范化、标准化 应用软件工程的方法,首先制定软件开发的规格说明书,使所有软件设计都依据统一的规范进行,以确保系统的统一性。
1.2 系统需求分析
SFCADS是一个综合型、复杂的CAD系统,经过对卫生瓷产品设计过程的分析可知,对于坐便器,洗面器等结构,其型体复杂,特别是坐便器产品,外型结构除了要按照国家标准确定的大样尺寸外,造型变化较大,从整体功能上看坐便器又可分为冲落虹吸式、旋涡虹吸式、喷射旋涡虹吸式等,这样就构成了坐便器内部结构和外型是一个复杂多变的实体。在设计过程中不但要依据现有的标准和一些设计准则外,还要综合运用设计人员的经验、知识,仍需使用推理思维方式和创造性,由以上分析可见,SFCADS系统为了满足用户对卫生瓷产品的要求应兼有检索,自动、交互等不同类型CAD系统特征,因此它是一个综合型、复杂的CAD系统。基于上述指导思想和分析,SFCADS主要针对系列化产品,采用模块化,参数化及标准化设计。
1.3 系统开发平台
针对卫生瓷产品是由各种曲面组成结构复杂的实体,经过认真论证和比较,我们选择了Autodesk公司的MDT软件作为开发平台,MDT是集AutoCAD R13与参数化实体、曲面造型、装配造型,双向关联式绘图以及IGES转换器等模块为一体的设计系统,再利用AutoVision可对曲面或实体模型实现全彩色真实感处理和漫游设计,从而可通过三维模型立即观看到未来产品的实物效果。
2、系统实现的关键技术实现
SFCADS必须研究与解决四项关键技术:模块化产品造型设计;性能优化分析;工程数据、图形库和图形交互技术。
2.1 模块化产品造型设计
只有经过造型设计过程,才能从根本上把握产品的结构保证产品质量,利用CAD技术进行产品造型设计,不仅是单纯地将手工造型设计的过程计算机化,而且更重要的是把原来手工造型设计的方法和设计人员的经验加以归纳总结,最大限度地发挥计算机特长,充分利用计算机自动检索、计算精度高,运行速度快等优势,来取代以往人工设计繁琐的重复性的劳动,我们针对卫生瓷中最复杂的坐便器产品,把坐便器划分为坐圈、水包、流道结构、底座等四个部分。采用模块化设计的方法,针对每一部分确定各自的功能模块,各功能模块又在数据库的基础上集成,在主控模块的控制下,协调一致工作,使得系统在造型设计应用过程中具有较高的自动化程度。
2.2 性能优化分析
作为卫生瓷产品,特别是坐便器产品,它的功能首先就由产品设计过程决定的,那么在造型设计过程怎样判定产品结构功能的优劣,是构成本系统的重要技术。我们在依据现行结构对功能影响的基础上,进行了大量的实验和论证,运用流体力学的相关理论和方法,建立一套对坐便器产品从结构到功能进行性能优化分析的功能模块,在主控模块控制下,协助造型设计模块,完成整个产品的造型和结构设计。
2.3 工程数据、图形库的管理
建立统一关联性的图形库,数据库系统,是实现产品造型设计性能优化分析在不同阶段之间数据信息,约束条件的一致性和传递的核心,我们利用大众关系数据库管理系统结合本系统的要求,自行开发SFCADS的工程数据库、图形库管理系统,支持整个设计过程,管理随时产生的各种数据、图形。
2.4 图形交互技术
产品造型设计的结果最终将以图形来表达,设计人员希望在造型设计过程中随时操纵和控制产品造型设计过程,为此,系统将提供以C语言编制的软件包和MDT相结合形成的图形支撑系统,并提供采用窗口技术实现的编辑功能,具有高效率的人机交互环境,使造型—设计—分析—绘图—设计形成一个信息反馈的过程,直至获得满意的产品。
3 系统主要功能模块的划分和设计原理
综合型SFCADS系统由总控模块,三维产品造型、二维图形处理模块,产品图形库模块,标准数据库模块,性能优化分析模块和图形输出模块等七大部分组成,下面简述各模块的主要功能和设计原理。
3.1 总控模块
提供一个完善、友好的人机界面,控制整个系统的运行流程,提供系统优化功能,完成主要外形尺寸参数的设计,整个系统以此为依据,来协调其它各功能模块的工作。
3.2 三维产品造型由于卫生瓷产品,特别是坐便器产品是一种典型复杂曲面构成的,此模块以基本参数和约束条件为主要输入,自动或交互式生成产品的三维形体。其主要功能有:
a、基本构件图库:在基本参数和约束条件确定后,生成产品(如坐便器)各部分形体,以参数和图形的形式存贮构成(坐便器)产品各部分多种形状曲面的生成参数,并提供完善的管理手段。
b、造型与拼合:确定卫生瓷产品的造型方法,可通过数据库、图形库中直接造型;也可通过交互式技术,在菜单提示帮助下,造型并实时修改编辑,造型后生成的各部分可通过拼合方法,实现光顺处理和连接,形成卫生瓷的整个实体。
c、着色渲染:在造型完成后,可通过对实体模型进行全彩色真实感处理,使设计人员和用户立即观察到未来产品的实物效果。
3.3 二维图形处理模块:此模块用于把生成的三维实体转换成二维视图,并按要求生成各种截面,剖面图形和数据。主要功能有:
a、生成产品二维安装视图和二维产品视图。
b、生成各种截面图形数据和剖面图形数据。
3.4 产品图形库:
此模块主要用于存贮完整产品的所有二维、三维信息参数以及图形;存贮产品各种典型曲线、曲面图形和数据,以便用户在造型设计过程中调用。
3.5 标准数据库
此模块主要用于存贮和管理在产品设计过程中,所选用的各种标准件,五金件等标准数据,用于确定产品造型过程中各有关参数和约束条件。
3.6 性能优化分析模块
此模块运用流体力学以及其它数学理论方法,建立性能优化分析的理论模型和实现方法,确定给定容积的极小曲面设计的数学模型和设计原则,确定最佳的流道结构和曲面,并给出算法和设计原理说明。
3.7 图形输出模块
此模块是根据以上三维、二维设计及分析结果输出完整资料及图形。其中包括提供尺寸标注,图幅图框等支持图形输出的基本功能函数模块。
4 结束语
SFCADS是综合型复杂的应用软件系统,它由三维实体造型,流道优化分析,设计程序包等组成,并通过总控模块构成一个以数据库、图形库为中心的一体化程序系统,系统的集成化程度较高,系统及模块的设计紧紧围绕当前卫生瓷企业产品设计中急需解决的问题进行,有较强的实用性和先进性。目前,此系统的研究和开发工作,正按照课题进度要求,已完成整个模块的划分和部分模块的设计工作。相信在学院各级部门的支持、关心、帮助下,在国家“九五”办公室的领导下,在课题组全体成员的共同努力下,一定能按时完成此项攻关课题任务,为建材行业的科技发展贡献一份力量。
参 考 文 献
1 左正兴等译《AutoCAD R13 for DOS》,清华大学出版社,1996.3
2 李中祥主编《建筑卫生陶瓷生产技术》,1993.12
3 Kurt Hampe,Jim Boyce著 现民 晓志译《AutoCAD应用开发工具大全》,清华大学出版社,1994.9
