論機械設(shè)計中ＣＡＤ技術(shù)的應(yīng)用

梁　山

摘要：本文在闡述CAD技術(shù)在機械產(chǎn)品設(shè)計中應(yīng)用的基礎(chǔ)上，總結(jié)了CAD技術(shù)在機械設(shè)計中的優(yōu)點，并分析了常見的機械設(shè)計中的CAD技術(shù)，最后對機械設(shè)計中CAD技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：機械設(shè)計；CAD；應(yīng)用

機械設(shè)計作為一個具有幾百年歷史的技術(shù)領(lǐng)域，也在世界科技進(jìn)步的大潮中獲得了新生。各種設(shè)計技術(shù)、計算技術(shù)、設(shè)計工具乃至新材料、新工藝在機械設(shè)計與制造中的應(yīng)用，使機械工程設(shè)計過程中單調(diào)機械的工作大幅度持續(xù)減少，設(shè)計人員的創(chuàng)造性思維得到前所未有的解放。與此同時，傳統(tǒng)的理論體系、方法體系也受到強烈的沖擊。CAD技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，是計算機技術(shù)在工程設(shè)計、機械制造等領(lǐng)域中最有影響的一項高新應(yīng)用技術(shù)。CAD系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用使傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計方法與生產(chǎn)模式發(fā)生了深刻的變化，已經(jīng)產(chǎn)生并必然繼續(xù)產(chǎn)生巨大的社會經(jīng)濟(jì)效益。

1 CAD技術(shù)在機械產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用

CAD技術(shù)作為機械工程設(shè)計中最具活力的技術(shù)手段，它主要應(yīng)用于機械設(shè)計的以下諸方面：幾何建模、工程分析(如結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)力／應(yīng)變計算、動態(tài)特性、熱傳導(dǎo)特性分析等)、設(shè)計審查與評價(如公差分配審查、干涉檢查、運動仿真等)、計算機輔助繪圖、工程數(shù)據(jù)庫的建立及其操作、工程設(shè)計信息的處理、檢索和交換等。目前來看，在機械產(chǎn)品設(shè)計中，CAD技術(shù)的應(yīng)用主要集中在計算機二維繪圖和三維實體造型和性能分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化2個方面。

一方面，從CAD技術(shù)產(chǎn)生的初期只能進(jìn)行一些簡單的二維圖形繪制到如今CAD技術(shù)質(zhì)的飛躍，已經(jīng)由形成之初的計算機輔助繪圖，發(fā)展成為了真正意義上的計算機輔助設(shè)計。目前在機械行業(yè)中應(yīng)用比較廣泛的二維CAD繪圖軟件依次是：AUTOCAD、CAXA電子圖板、開目CAD、機械設(shè)計師CAD、PCCAD等。現(xiàn)在設(shè)計人員已經(jīng)開始具有有效地、全面地進(jìn)行計算機輔助設(shè)計的思想觀念。同時，目前多數(shù)企業(yè)的圖形CAD系統(tǒng)通過不斷的摸索和應(yīng)用，總的設(shè)計效率得到了一定程度的提高。另外，他們也逐漸認(rèn)識到了圖形分析、圖紙資料的共享、信息集成化等較高層次的CAD技術(shù)應(yīng)用的重要性。

另一方面，在機械產(chǎn)品的設(shè)計中，借助CAD技術(shù)，產(chǎn)品的性能設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)能得到充分的施展，即CAE計算機輔助工程技術(shù)，而不僅僅是代替簡單而重復(fù)的人工勞動。在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計過程中，產(chǎn)品設(shè)計人員可以進(jìn)行產(chǎn)品的性能分析設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，并將產(chǎn)品的形體設(shè)計與產(chǎn)品性能設(shè)計結(jié)合起來，運用相關(guān)計算機輔助設(shè)計技術(shù)實現(xiàn)對產(chǎn)品各主要零部件的動、靜態(tài)分析和結(jié)構(gòu)形體等的優(yōu)化。

盡管CAD技術(shù)具有其獨特的優(yōu)越性，但是目前為止，機械人員利用CAD技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計的效率和質(zhì)量還停留在一個初級的水平，需要得到不斷的實踐和總結(jié)。

2 CAD技術(shù)在機械設(shè)計中的優(yōu)點

通過實際運用三維CAD系統(tǒng)軟件，體會到三維CAD系統(tǒng)軟件比二維CAD系統(tǒng)軟件具有更高效率、更快速度、更低成本的優(yōu)勢。具體表現(xiàn)在以下幾點：

2.1 縮短了機械設(shè)計周期

使用三維CAD系統(tǒng)軟件，可以在裝配環(huán)境中設(shè)計新零件；也可以利用相鄰零件的位置及形狀來設(shè)計新零件，既方便又快捷，還可保證新零件與相鄰零件的精確配合，避免了單獨設(shè)計零件出現(xiàn)錯誤而導(dǎo)致裝配的失敗。總之，采用三維CAD技術(shù)，縮短了機械設(shè)計周期，大幅度地提高了設(shè)計和生產(chǎn)效率。在用三維CAD系統(tǒng)進(jìn)行新機械的開發(fā)設(shè)計時，只需對其中部分零部件進(jìn)行重新設(shè)計和制造，而大部分零部件的設(shè)計都將繼承以往的信息，使機械設(shè)計的效率提高了3倍～5倍。同時，三維CAD系統(tǒng)具有高度變型設(shè)計能力，能夠通過快速重構(gòu)，得到一種全新的機械產(chǎn)品。

2.2 在裝配環(huán)境中裝配零件方便直觀

運用不同的裝配關(guān)系可以把各個機械零件裝配起來。在裝配過程中，資源查找器中的裝配路徑查找器記錄了零件之間的裝配關(guān)系，若裝配不正確或發(fā)生干涉，查找器即予以顯示，同時可對零件的裝配進(jìn)行靜干涉的檢查，如果發(fā)現(xiàn)干涉就可及時對零件等進(jìn)行修改，以保證設(shè)計的正確性。另外，零件還可以隱藏，在隱藏了外部零件后，可清楚地看到內(nèi)部的裝配結(jié)構(gòu)。在整個機器或某個部件裝配模型完成后還能進(jìn)行運動演示，對于有一定運動行程要求的，可檢驗行程是否達(dá)到要求，對于在靜態(tài)下不發(fā)生干涉而在運動中出現(xiàn)碰撞的也可檢驗出來，從而及時對設(shè)計進(jìn)行更改，保證設(shè)計的正確性，避免了機械產(chǎn)品生產(chǎn)后才發(fā)現(xiàn)問題需要修改甚至報廢。

2.3 提高機械產(chǎn)品的技術(shù)含量和質(zhì)量

由于機械產(chǎn)品與信息技術(shù)相融合，同時采用了CAD設(shè)計方法和CIMS組織生產(chǎn)，使機械產(chǎn)品設(shè)計有了新發(fā)展。三維CAD技術(shù)采用先進(jìn)的設(shè)計方法，如優(yōu)化、有限元受力分析等，保證了產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量。同時，大型企業(yè)數(shù)控加工手段較完善，再采用CAD／CAPP／CAM進(jìn)行機械零件加工，一致性很好，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。

3 常見的機械設(shè)計中的CAD技術(shù)

CAD技術(shù)在機械設(shè)計中的應(yīng)用主要集中在零件與裝配圖的實體生成、CAD／CAM、CAE軟件的應(yīng)用。CAD技術(shù)徹底更新了設(shè)計手段和設(shè)計方法，擺脫了傳統(tǒng)設(shè)計模式的束縛，引進(jìn)了現(xiàn)代設(shè)計觀念，促進(jìn)了機械制造業(yè)的高速發(fā)展。

首先，就零件與裝配圖的實體生成而言，CAD的三維建模方法有三種，即線框模型、表面模型和實體模型。在許多具有實體建模功能的CAD軟件中，都有一些基本體系。如在AUTOCAD的三維實體造型模塊中，系統(tǒng)提供了六種基本體系，即立方體、球體、圓柱體、錐體、環(huán)狀體和楔形體。對簡單的零件，可通過對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，將其分解成若干基本體，對基本體進(jìn)行三維實體造型，之后再對其進(jìn)行交、并、差等布爾運算，便可得出零件的三維實體模型。另外，在零件實體構(gòu)造完成后，利用機器運動分析過程中的資料，在運動的某一位置，按各零件所在的坐標(biāo)進(jìn)行“裝配”，這一過程可用CAD軟件的三維編輯功能實現(xiàn)。

其次，模具CAD／CAM的集成制造。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，制造行業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)不斷提高，從普通機床到數(shù)控機床和加工中心，從人工設(shè)計和制圖到CAD／CAM／CAE，制造業(yè)正向數(shù)字化和計算機化方向發(fā)展。同時，模具CAD／CAM技術(shù)、模具激光快速成型技術(shù)等，幾乎覆蓋了整個現(xiàn)代制造技術(shù)。一個完整的CAD／CAM軟件系統(tǒng)是由多個功能模塊組成的。如三維繪圖、圖形編輯、曲面造型、仿真模擬、數(shù)控加工、有限元分析、動態(tài)顯示等。這些模塊應(yīng)以工程數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，進(jìn)行統(tǒng)一管理，而實體造型是工程數(shù)據(jù)的主要來源之一。

再者，機械CAE軟件的應(yīng)用。機械CAE系統(tǒng)的主要功能是：工程數(shù)值分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、強度設(shè)計評價與壽命預(yù)估、動力學(xué)／運動學(xué)仿真等。CAD技術(shù)在解決造型問題后，才能由CAE解決設(shè)計的合理性、強度、剛度、壽命、材料、結(jié)構(gòu)合理性、運動特性、干涉、碰撞問題和動態(tài)特性等。

4 機械設(shè)計中CAD技術(shù)的發(fā)展

三維CAD系統(tǒng)使人們能夠直接由思維中的三維模型開始設(shè)計，有了表達(dá)全部集合參數(shù)和設(shè)計構(gòu)想的可能，使整體設(shè)計過程能夠在三維模型中分析與研究，并能使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)，因而能夠更好地完善其設(shè)計思想，從而使設(shè)計方案理想化。在三維的CAD產(chǎn)品設(shè)計中，可以建立充分而完整的統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫，并以此為基礎(chǔ)，對整體設(shè)計或部件進(jìn)行各類分析。從長遠(yuǎn)的觀點看，三維CAD技術(shù)必然會替代二維繪圖。隨著計算機性能的提高，網(wǎng)絡(luò)通訊的普及化、信息處理的智能化、多媒體技術(shù)的實用化，CAD三維技術(shù)正向著開放、集成、智能和標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。正確把握CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢，對我國CAD軟件行業(yè)的開發(fā)及企業(yè)正確規(guī)劃自身的CAD應(yīng)用系統(tǒng)，都有深遠(yuǎn)的意義。

可以預(yù)見，隨著近年來人工智能、知識庫數(shù)據(jù)庫技術(shù)、信息集成與交換技術(shù)的飛速發(fā)展和信息交換標(biāo)準(zhǔn)的擬定、發(fā)展與完善，CAD技術(shù)正在向智能化、信息集成化、信息交換接口標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展，它在機械設(shè)計過程中的應(yīng)用也趨于向設(shè)計早期深入。

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