三维机械软件在五金行业中应用的一点探索

三维机械软件在五金行业中应用的一点探索Theapplicationof3D-mechanicalsoftwareinhardwarefield萨威奥五金贸易（上海）有限责任公司孙波摘要:科技是第一生产力。在中国的门窗五金行业中，计算机技术，特别是CAD技术得到了长足的发展。但是与国外同行相比，国内的CAD应用还局限于二维平面，远没有延伸到三维空间。就此问题，笔者进行了一定的探讨。Abstract:Scienceandtechnologyconstituteaprimaryproductiveforce.Thecomputertechnologyhasmadeabigprogressinhardwareofwindowsanddoors,especiallyCAD.However,comparingthetechnologyin3Dspacethathavebeenusedbytheforeigntechnicians,ourCADisonlyusedin2Dfield.Sotheauthorresearchesandstudiesthisprobleminthisarticle.前言大概在四、五年前，笔者出外公干，第一次见到国外的同事为客户所做的五金及型材的三维图，非常直观和立体,完全不同于当时在国内平日所见所用的二维平面图，赞叹之余笔者被深深震惊了。在后来的接触中才逐渐了解到这些立体图是国外的技术人员用专业的三维机械软件完成的,而且这些软件软件已经成为他们经常使用的一项很基本的工具，如同我们使用的AutoCAD。兴趣所至，同时为了减少与国外同行的差距，就此这几年笔者进行了一定的摸索，并在工作中不断反复实践，下面就自己的一点心得和大家分享。为什么五金行业需要用特别的三维机械软件？就真实产品的立体几何形状而言，门窗或幕墙中所用铝合金或PVC型材因为是模具挤压生产，具有明显的杆件特性（即横截面相同，只在线性长度方向上发生变化），所以相对来说，在没有特别的要求下，只要表现型材的横截面就可以了，正如我们见到的大多数的节点图那样。当然型材加工中的T型连接、十字连接、组角等明显还是三维图更直观一些，但即使这样的图做起来也不是更难，也只需要将截面图进行“拉伸”及一些简单的布尔运算处理即可。因此从这个角度而言，无论型材的二维还是三维视图都是较易处理的。而玻璃是形状规则的扁平的长方体，就更容易图形表现了。但开启部分的五金则完全不同，即使一个小小的锁座，都有比型材或玻璃复杂的多的多的曲线和曲面。理论上说，如果用AutoCAD之类的二维绘图软件来完成(或无限逼近)这些曲面是可能的（即用二维平面表现三维立体，俗称的2.5D），但实际操作起来要效率低下，费时费力，并且效果差强人意。而实际工作中的某些要求，如五金件的有限元受力分析则是根本不可能用原来的二维绘图软件完成的，下面会有介绍。因此，作为一名从业人员，为提高效率，在图纸上更能表达自己的想法和理念，更出色的完成工作，我们有必要使用专业的三维机械软件。所用软件如前所述，本质上开启扇五金是形状比较复杂的机械制品，所以涉及常用的三维软件包括pro/E,CATIA,AIP(Autodeskinventorprofessional),Solidwork等等，这些软件本身是制作精良的大型的CAD/CAM软件，被广泛的应用于机械领域的诸多其他行业，小到螺丝钉大到宇航飞船的样机设计，模具制造等（如波音飞机制造公司就是CATIA的大客户）。比起通用的二维软件，专业的三维软件功能基本上是另一套东西，从基本的使用理念到具体的操作命令都有很大的差异，功能强大，附带的模块也很多，对使用者的素质，计算机的硬件环境也要高得多。换句话说，进入这一领域的“门槛”要高。应用最关键的问题是，这种专业的三维机械软件到底能为我们做什么呢？需要说明的，前文提到的这些三维软件最初的使用目的都是用于机械零件的设计、生产，制造等环节。相比较非常专业且范围狭窄的五金设计及制造领域，笔者更关心这些软件中在销售、技术支持等范围内更普遍更具体的应用，这也是本文讨论重点。同时，因为各种软件之间的差异,本文也不涉及到某种具体操作和使用问题。1.五金立体表达图。在我们的工作中，“表达”是一件多么重要的事啊，无论是做销售还是技术，无论是总经理还是工程师，和周围的同事，拜访的客户，面对面的讨论、传真、电话会议，电子邮件等等我们所做的种种工作本质上都是一种表达，可以说，“表达”占了绝大多数人每天的工作的大部分内容，其重要性不言而喻。对于五金技术人员来说，图纸是每天与客户、与同事的“表达”的主要角色，一份好的图纸也能起到事半功倍的作用。而相比较平面功能较大的二维软件，三维软件更能表现五金的曲面及层次感，如我们要表现一个执手:萨威奥内开执手二维表现图萨威奥内开执手三维表现图萨威奥内开执手内部拨叉及背板的三维示意图很显然,拿着实物说明是最清楚、最直观的方法，但现实很多情况下这样做是局限性和不切实际的，特别是五金数量众多或要说明内部结构的时候。比如，当我们在跟非专业人士如业主，开房商、建筑师进行用幻灯片进行讲解，这样一目了然、夺人眼球的表达视图就格外重要，因为并不能强求每个人都能看懂二维的三视图并进行正确的三维空间想象的。同时，三维机械软件往往带有功能强大的渲染模块（或者可将文件输出到渲染软件中后期教加工），可以根据需要将实体模型赋予材质、颜色、灯光、环境等等，并渲染出不同风格，如手绘风格，油画风格等，多彩、生动的效果大大丰富我们的表现能力，也让略显枯燥的五金显得有趣、活泼起来。2.五金与型材、五金与五金之间的装配表达图门窗和幕墙都是一个系统工程，五金也不是单独存在的，当五金从业人员在跟客户沟通的时候，很多时候要阐述五金与五金之间，或五金与型材之间的空间位置和装配关系，如果仅凭语言，或是二维图说明白是很困难的，甚至会有严重的错误。如果这时候能够提供一张精细的三维装配图给客户，便能直观的说明问题，给予充分的指导，也显出了制图者的专业水准。如下图是笔者实际参与某中东工程中，从美观考虑，建筑师要求使用分离式执手，同时框上可视面的底座部分要求尽量小，并且有相应的遮盖罩，因为建筑师在国外，沟通起来非常不方便，根据其具体要求笔者做了几套方案并发给邮件给他，从使用效果来看，业主及建筑师还是比较满意的。这是其中的一套：读者可以想象如果用二维绘图软件如何表达以上内容。这份示意图仅是几个零件与型材的简单装配，事实上几十个、上百个的零件（如内开内倒、内倒侧滑）与型材之间的装配组合也可以清晰地表达出来，这对二维绘图软件来说，基本上是不可能完成的任务。3.加工图对门窗、幕墙公司等加工单位来说，型材加工图的重要性不言而喻，特别是有关五金的加工部分。五金件本身的复杂，零件众多，同时要求精度高，这都会造成一定的加工难度。对于某些五金件的加工尺寸只是平面内的加工（如内开内倒执手孔），相对简单，但有不少部分的型材加工图是立体的，即要整体考虑五金件对型材、五金件对五金件的各种空间影响。比如加工门型材的锁体部分，加工执手部分要同时兼顾侧面锁体的对应位置，不然就会出现门锁体和执手无法正常安装或互相配合。而立体功能强大，空间概念清晰的三维机械软件可以轻松解决这个问题，避免出现加工错误。同样以外开型材为例：某家外开型材的用萨威奥执手加工图4.五金件的受力分析在实际工程中，五金件往往是开启部分的主要受力件，如铰链，锁点锁座等等，承受窗扇重力、风荷载，轴转力，开启力等等形式各异的力。但往往五金结构特别，形状复杂，受力多样，因此按照常规的方法难以计算其受力情况。这个问题以前多凭经验甚至直接忽略掉（如门窗计算书中很少有考虑五金件的受力的），这样做的缺点自然是过于经验主义，缺乏科学根据，甚至会埋下五金出问题的隐患。这个计算传统的二维绘图软件基本上是帮不上忙的，但，三维软件可赋予物体材质特性及各种物理属性（抗拉/抗剪强度，弹性模量等等），因此可以利用三维软件自带的有限元分析模块或将零件导入有限元计算软件进行计算，得到定性结果。以某工程中萨威奥锁座受力为例：萨威奥锁点受力为1000N时的变形状态需要说明的是，因为实际环境中多种不确定因素的存在，有限元也是用数学方法尽量接近真实情况。因此，这种力学计算结果只能供参考，比如可以考察零件中最薄弱的地方。只可作定性而不能作定量使用，即趋势基本正确，但数据不可能与真实情况一模一样。5.运动仿真与相对固定的型材及玻璃不同，大部分的五金件本身往往是“活”的，除了支配开启扇运动之外，自身也会有各种各样的运动（如平动，或者转动），因此五金件运动轨迹往往值得我们研究，来确定整个开启扇的运动情况，最常见的是确定是否会出现型材与五金、五金与五金、型材与型材的干涉情况，亦可制成动画来查看。这样做的效果是可未雨绸缪，在设计阶段将问题事先解决掉，避免实际过程中带来可能无法挽回的严重后果。以前几日为客户校核型材为例：某幕墙厂家隐框开启扇开启干涉示意图由上图看出，作出摩擦铰链和客户型材模型进行运动仿真，得到的结果是客户这款隐框幕墙开启扇开到10°，上部的玻璃长边即与型材发生干涉。后经与客户沟通，修改了玻璃下料尺寸，有效的在工程前避免了这个问题的发生。总结依笔者观点，三维软件是一个非常有用的工具，对这种工具的熟练应用程度体现了技术人员和从业者的“基本功”。目前二维平面软件都有一定的三维功能，但总体来说还是相对弱的，而三维软件的各种强大功能会让我们如虎添翼，从二维软件到三维软件是进步也是必然趋势，其意义有些类似以前的画图板到AutoCAD的伟大过渡。目前，这些三维软件各种技术都在国外应用广泛而成熟，如果大家打开任何一本正规的国外五金或系统公司的目录或加工说明书，都能看到大量的三维表现图。而国内五金业界这方面的应用才是刚刚起步，我们这方面功力还远远逊于国外同行，因此需要我们不断努力，不断学习，才能屹立行业的最前端。