CAD技术在陶瓷工业中的应用
作者：张 明、曾令可、李 明 时间：2013-7-24
摘 要 本文综述了CAD技术在我国的发展概况及其发展趋势,分析了CAD技术在陶瓷工业中的工艺设计、窑炉及机械设备的设计、模具及产品设计等方面的设计方法及发挥的作用,并对CAD技术在陶瓷工业中的进一步应用提出了一些看法。
1 概 述
CAD(Computer Aided Design——计算机辅助设计)是信息技术(包括计算机、网络通讯、数据库等技术)和设计技术(包括工业设计、产品设计、生产过程设计等)相结合而发展形成的一门高新技术。特别是在制造业中,CAD已成为先进制造技术群中的一项占主体地位的关键技术,统计表明:在设计过程中一旦确定了产品的结构、零件形状、材料、精度(公差)等数据,则产品成本的70-80%将因此被确定了,而产品设计、工艺设计占新产品开发周期的50%以上。CAD是改进产品性能和质量、降低成本、缩短产品开发周期和制造周期的重要技术手段,是企业提高竞争力的一项关键技术。因此受到世界各工业发达国家的高度重视,得到了愈来愈广泛的应用。德国政府在80年代中期就制定了“工业企业CAD技术推广应用计划”。意大利维高公司的设计室只有16人,全部工程设计均采用CAD,每人都配有计算机实现了办公自动化,设计和研究都用计算机。我国也很重视CAD技术的开发应用。国家科委和其它工业部门已确定在2000年以前现代设计技术发展和应用重点是CAD技术,并作为先进制造技术的重要技术基础。据1992年的抽样调查结果表明:机电行业已有CAD系统16067台套;航天工业约90%以上的单位配备了计算机并开发了大型的CAD软件系统;在工程设计院90%以上的工作量,50%左右的方案设计,30%的绘图量用CAD来完成。在“九五”期间,我国将大面积普及CAD技术,摆脱手工设计和绘图,使主要行业应用CAD的普及率和覆盖率为70%以上,其中工程设计单位要达到100%和90%。
2 我国CAD技术的发展状况
我国的CAD技术应用经过近几十年的努力已经取得了较大的发展,但与世界上发达工业国家相比,CAD技术的应用无论在广度和深度上都有很大的差距。抽样调查[1]的结果表明:
2.1 我国CAD技术应用的总体水平比较落后CAD是一种使用计算机辅助设计人员进行从合理构思方案开始,直到完成全部产品设计任务的先进技术,其应用覆盖了整个设计过程,广义的CAD技术还延伸到整个生产技术准备各阶段,即CAD/CAPP/CAM。
表1所示是我国CAD技术应用深度统计结果:
表1 企业CAD的应用深度统计结果
Table 1 Application of CAD technology in enterprises
上述统计表明:CAD技术普及率在50%多一点,而且在整个设计过程中应用仅限于二维绘图,而二维绘图生成所起的作用是有限的,还没有触及设计工作的核心。
2.2 CAD技术应用仅以二维图形为主CAD技术的应用领域主要有:方案分析、设计分析、绘图、工装模具设计、工艺设计、NC编程、工程管理等,在所有统计企业中绘图和设计分析就占63.7%,方案分析占13.3%,其它均在10%以下。这说明目前我国CAD技术的应用领域还是有限的。
2.3 设计图纸的CAD化率不高,离抛开图板还有很大差距我国计划在2000年以前甩掉图板,实现绘图工作的计算机化。但就目前计算机绘图占图纸总数的比例来看:在展开CAD应用的企业中,2/3的企业只在小范围应用,只有少量图纸用计算机绘制,CAD出图率很低。
2.4 以微机CAD为主CAD技术的发展与计算机硬件技术的进步紧密相关。发达国家由于计算机应用历史较长,CAD系统经历了从集中式主机终端到分布式工作站和微机CAD的发展过程。现在处于主机终端式、工作站、微机CAD三足鼎立之势,而我国目处在微机CAD唱主角,工作站数量正在增加阶段。
3 CAD的发展趋势
由于微机CAD是在DOS、WINDOWS的工作环境下,在图形处理能力、网络通讯和CAD软件功能方面的局限性,因而,世界上主要的CAD系统生产商都把主流工作站作为自己CAD软件产品的硬件平台。因为随着计算机技术和微电子技术,特别是RISC芯片技术的发展,工作站的计算速度,图形处理能力、存储容量和通信联网功能都有了显著提高,在具有开放式体系结构的硬件系统和软件系统支持下,为CAD软件系统的开发和应用提供了良好的环境。另外,CAD软件系统的功能也日益完善。由于工作站性能的迅速提高及计算机图形学和各种应用科学的发展,CAD软件在造型、分析计算、传真、图形表达、数控加工等方面有了较完善的功能。目前,CAD技术的发展主要表现在以下几个方面:
(1)CAD硬件系统的集成;
(2)CAD软件系统的智能;
(3)并行工程是CAD工作站功能发展的重点;
(4)产品数据管理寻找。
4 CAD技术在陶瓷工业中的应用
CAD技术不仅是企业提高产品质量,缩短开发周期和降低成本的重要手段,而且也是工业企业增强自主研究和开发能力,提高管理水平,参与国际竞争的重要条件。根据陶瓷及其产品的特点,CAD技术的应用主要有以下几个方面:
4.1 计算机辅助设计在工艺配方中的应用
陶瓷材料成分及其制备工艺条件的设计要解决的主要问题:1)要求确定一个陶瓷坯釉的化学组成及其相应的配料组成,使产品具有一种或几种预期的理化性能;2)寻找最佳的工艺生产条件:3)使其有较低的生产成本而又获得最大的经济效益,即有最好的投入产出效果。可见,对于材料设计的要求是多方面的。既有材料性能方面的,也有生产工艺及经济效益方面的,这是一个多目标问题。只有采用多目标寻优或决策分析的方法才能加以解决,全面协调地满足全部条件。为此,高力明等应用计算机辅助设计技术,采用一些较新的实验设计方法对组成和工艺条件寻优,建立材料性能—结构—组成或工艺条件问题的数学模型,并通过优化或决策分析的方法寻找最佳组成和工艺条件,成功地设计了有关材料配方和性能的改性,建立了中国陶瓷坯料数据库及坯料最优配料比计算软件包,既可以寻优和多目标决策分析,也可以预测性能及绘制性能等值线图等,是CAD技术在工艺配方设计中应用的较成功的例子[2]。
4.2 CAD技术在工艺设计中的应用
国外陶瓷厂的工艺设计很多都是采用计算机进行辅助设计的,其优点是可以大大缩短设计工作的周期,提高设计工作的效率,将设计工作人员从繁杂的设计和大量重复性的工作中解放出来。我国的陶瓷行业不少人也进行了尝试,比较有代表性的是张柏清等人所开发的工艺设计CAD系统[3]。该软件系统是在AUTOCAD10.0版本的基础上进行二次开发而成的,系统采用AUTOLISP编程、菜单以及AUTOCAD定制技术,改变了AUTOCAD的标准环境,使之适应陶瓷工艺设计的设计环境。在图形装配上采用如下五种方式:1)利用AUTOCAD原软件对工艺设计中非标准化的图例,不规则的厂房结构等进行人工交互式绘图;2)对重复出现的图形(如机械设备)用AUTOLISP程序按单位尺寸定义参数图形库及对于标准设备图库,各种建筑构件等编制程序列入CAD.LSP文件中,以随时调用;3)对陶瓷行业使用的专用符号标题栏等应用图形文件生成图块进行调用;4)建立共享数据库,把设备平面图及主体图形的几何尺寸,厂房建筑构件的几何尺寸、各视图的绘图坐标原点、各设备间的定位尺寸,生产能力等参数进行建库,供各种图块共享以进行参数化图形生成;5)利用旧图进行修改。该系统既可以满足陶瓷厂工业设计要求,具有运算出图快的优点,又可以提高工作效率,缩短设计周期,提高设计质量。
4.3 CAD技术在窑炉及其它设备设计中的应用
辊道窑作为陶瓷窑炉发展的主要方向之一,随着技术的交流和发展,其设计布局逐渐标准化、成套化,因此使得辊道窑设计计算机化成为可能。在AUTOCAD的基础上的图形绘制及二次开发日益普及,这不仅加速了设计速度,而且使得窑炉及其配套设备设计一体化。中伦陶瓷总公司和武汉大学计算机中心联合开发了陶瓷辊道窑CAD系统。该系统以意大利唯高陶瓷装备公司的FRW2000型辊道窑为蓝本,使陶瓷窑炉设计的结构计算、机械选型、热损计算、图纸绘制、数据查询等功能软件化,将意大利的辊道窑原始数据输入该系统,能够获得与唯高公司同样的窑段和带的总体布局结论和机械选型型号[4]。在文献[5]中还介绍了实现图形的八种工作模式,并认为将研制的FORTRAN、C或LISP的参数绘图软件与建立的图块库相结合是实现计算机绘图卓有成效的方法。不少单位已把CAD技术语言于机械设备的辅助设计上。如:压机设计、喷雾干燥器设计、磨机及其它陶瓷机械设备的设计。
4.4 陶瓷模具及产品的设计
早在1988年景德镇职工大学就尝试了采用长城0520CH机,利用FORTRAN和8088汇编语言设计了陶瓷器型设计软件,大大地提高了工效,如设计一套普通54头中餐具比手工可提高工效30倍[6]。高士俭等利用CAD技术,采用HP公司绘图软件,利用扫描仪对面砖大理石纹样进行扫描,并把连续画面进行数字量化处理,组成庞大的MXN象素矩阵,用疏密不同的点表示灰色成分,经过计算机图案处理技术处理出比较满意的大理石面砖样品,由激光打印机输出A4幅面的胶片,该面砖图案辅助设计技术可大大地提高对设计图案纹样的分辨率,其艺术效果远优于传统的手工制版[7]。陶瓷产品,特别是卫生洁具,以其种类繁多、造型复杂而困扰着设计开发人员,促使产品及其模具开发的CAD技术运用迅速发展。早在60年代剑桥大学提出了DUCT三维完整的卫生洁具设计和生产系统,专用于复杂形状表面产品的开发[8]。数据的输入不一定用二维图纸,对实物大便器只需要三轴坐标测量器,将其测量的数据实时的输入DUCT/CER-AM以提供计算机的基础模型,设计者可在显示屏上任意修改模型,利用色彩明暗技术既可使数据的模型有立体感,又可使所设计的模型色调和成品的色调一致。设计者可方便操纵
屏幕图像,以显示各个角度的影像,并可拷贝或拍摄出立体图象,还可以利用其制造能力用泡沫塑料制造出一个为实物大小一半的模型,还可以自动产生割切加工信息在NC机床上实现最大为五维同时控制,以加工出所设计形状的产品。英国的CARDON洁具公司完成了洁具设计的CAD系统。该系统借助二维工作提供轮廓线、剖面和结构能准确模拟出三维模型,不仅产生出效果图、示意图、投影图,而且能按比例作出泡沫橡胶模型[9]。美国加利福尼亚州NORTHRIGE的SOLI-GEN公司开发了一种生产压铸系统(DSPC)用于卫生洁具陶瓷模型的快速制模。该系统是以麻省理工学院的技术为基础的CAD存储资料制成陶瓷压铸模型。DSPC系统能够大大降低制造陶瓷模型的成本和生产时间[10]。
4.5 耐火材料及其模具的辅助设计
耐火材料作为窑炉结构的主体材料是决定窑炉使用寿命的关键,因此对耐火材料的优化设计及造型成为众家窑炉及耐火材料生成厂家开发的主要目标。而耐火材料模具又对耐火材料的造型起到决定作用。但是模具的设计通常是人工完成的,不仅劳动强度大、效率低,而且容易出现偏差,给工作和生产带来不应有的损失。为此,洛阳耐火材料厂和西安冶金建筑科技大学合作开发了模具CAD系统,该系统结构由六大模块组成,利用数据库、图形库、数据映射模式等技术,解决了四大类、六千多个砖号的模具设计,该系统不但覆盖面广、设计种类多,而且处理速度快,设计计算准确,图形输出美观,尺寸标注准确,操作简便。该系统在为宝钢三期工程生产的优质焦炉耐火材料的模具设计图纸看:原来人工设计时,一个工作日(8小时)在不出差错的情况下最多出两套模板图,使用了该系统后只用25分钟就绘制出一张模板图[11]。
5 展 望
CAD技术正在陶瓷行业兴起。该技术的普及与应用对传统产业的改造、新兴产业的发展、对劳动生产效率的提高、对国际竞争能力的增强无疑具有巨大的带动作用。随着科学技术的发展及CAD技术应用的深入,优化设计、有限元分析、数据库技术与图形库技术的完备结合、人工智能专家系统等可使我国陶瓷行业采用CAD技术水平跃上一个台阶,为我国陶瓷行业的振兴发挥更大的作用。
参考文献
1 黄瑞清、张秋英。上海机械CAD技术应用现状及对策研究。模具技术。1996(2):3。
2 高力明等。材料成分及其制备工艺条件的CAD。陶瓷导刊。1992(1):25-28。
3 张柏清等。陶瓷厂工艺设计CAD软件的开发。中国陶瓷工业。1995(4):21-26。
4 周迪勋等。陶瓷辊道窑CAD系统研究。武汉工业大学学报。1995(2):61-63。
5 周迪勋。陶瓷工艺装配图计算机图库研制技术。陶瓷。1994(5):5-9。
6 计算机世界。第20期,1995.5.25。
7 高士俭等。釉面砖图案计算机辅助设计初探。陶瓷。1994(2):16-18。
8 曾令可译。用DUCT进行卫生洁具的设计。江苏陶瓷。1987(3):40-41。
9 李爱党译。卫生瓷计算机辅助工业设计的应用。建筑陶瓷。1996(3):35.39。
10 中国陶瓷工业。1994.12。[1](3):51。
11 刘辉。计算机辅助设计在耐火砖模具设计中的应用。耐火材料。1995.29(6):338-340。
