論機械設計中ＣＡＤ技術的應用

梁　山

摘要：本文在闡述CAD技術在機械產品設計中應用的基礎上，總結了CAD技術在機械設計中的優點，并分析了常見的機械設計中的CAD技術，最后對機械設計中CAD技術的發展進行了展望。

關鍵詞：機械設計；CAD；應用

機械設計作為一個具有幾百年歷史的技術領域，也在世界科技進步的大潮中獲得了新生。各種設計技術、計算技術、設計工具乃至新材料、新工藝在機械設計與制造中的應用，使機械工程設計過程中單調機械的工作大幅度持續減少，設計人員的創造性思維得到前所未有的解放。與此同時，傳統的理論體系、方法體系也受到強烈的沖擊。CAD技術是先進制造技術的重要組成部分，是計算機技術在工程設計、機械制造等領域中最有影響的一項高新應用技術。CAD系統的發展和應用使傳統的產品設計方法與生產模式發生了深刻的變化，已經產生并必然繼續產生巨大的社會經濟效益。

1 CAD技術在機械產品設計中的應用

CAD技術作為機械工程設計中最具活力的技術手段，它主要應用于機械設計的以下諸方面：幾何建模、工程分析(如結構分析中的應力／應變計算、動態特性、熱傳導特性分析等)、設計審查與評價(如公差分配審查、干涉檢查、運動仿真等)、計算機輔助繪圖、工程數據庫的建立及其操作、工程設計信息的處理、檢索和交換等。目前來看，在機械產品設計中，CAD技術的應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、結構優化2個方面。

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

另一方面，在機械產品的設計中，借助CAD技術，產品的性能設計和結構優化設計技術能得到充分的施展，即CAE計算機輔助工程技術，而不僅僅是代替簡單而重復的人工勞動。在進行產品設計過程中，產品設計人員可以進行產品的性能分析設計和結構優化設計，并將產品的形體設計與產品性能設計結合起來，運用相關計算機輔助設計技術實現對產品各主要零部件的動、靜態分析和結構形體等的優化。

盡管CAD技術具有其獨特的優越性，但是目前為止，機械人員利用CAD技術進行產品設計的效率和質量還停留在一個初級的水平，需要得到不斷的實踐和總結。

2 CAD技術在機械設計中的優點

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

2.1 縮短了機械設計周期

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

2.2 在裝配環境中裝配零件方便直觀

運用不同的裝配關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系，若裝配不正確或發生干涉，查找器即予以顯示，同時可對零件的裝配進行靜干涉的檢查，如果發現干涉就可及時對零件等進行修改，以保證設計的正確性。另外，零件還可以隱藏，在隱藏了外部零件后，可清楚地看到內部的裝配結構。在整個機器或某個部件裝配模型完成后還能進行運動演示，對于有一定運動行程要求的，可檢驗行程是否達到要求，對于在靜態下不發生干涉而在運動中出現碰撞的也可檢驗出來，從而及時對設計進行更改，保證設計的正確性，避免了機械產品生產后才發現問題需要修改甚至報廢。

2.3 提高機械產品的技術含量和質量

由于機械產品與信息技術相融合，同時采用了CAD設計方法和CIMS組織生產，使機械產品設計有了新發展。三維CAD技術采用先進的設計方法，如優化、有限元受力分析等，保證了產品的設計質量。同時，大型企業數控加工手段較完善，再采用CAD／CAPP／CAM進行機械零件加工，一致性很好，保證了產品的質量。

3 常見的機械設計中的CAD技術

CAD技術在機械設計中的應用主要集中在零件與裝配圖的實體生成、CAD／CAM、CAE軟件的應用。CAD技術徹底更新了設計手段和設計方法，擺脫了傳統設計模式的束縛，引進了現代設計觀念，促進了機械制造業的高速發展。

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，系統提供了六種基本體系，即立方體、球體、圓柱體、錐體、環狀體和楔形體。對簡單的零件，可通過對其進行結構分析，將其分解成若干基本體，對基本體進行三維實體造型，之后再對其進行交、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進行“裝配”，這一過程可用CAD軟件的三維編輯功能實現。

其次，模具CAD／CAM的集成制造。隨著科學技術的不斷發展，制造行業的生產技術不斷提高，從普通機床到數控機床和加工中心，從人工設計和制圖到CAD／CAM／CAE，制造業正向數字化和計算機化方向發展。同時，模具CAD／CAM技術、模具激光快速成型技術等，幾乎覆蓋了整個現代制造技術。一個完整的CAD／CAM軟件系統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、數控加工、有限元分析、動態顯示等。這些模塊應以工程數據庫為基礎，進行統一管理，而實體造型是工程數據的主要來源之一。

再者，機械CAE軟件的應用。機械CAE系統的主要功能是：工程數值分析、結構優化設計、強度設計評價與壽命預估、動力學／運動學仿真等。CAD技術在解決造型問題后，才能由CAE解決設計的合理性、強度、剛度、壽命、材料、結構合理性、運動特性、干涉、碰撞問題和動態特性等。

4 機械設計中CAD技術的發展

三維CAD系統使人們能夠直接由思維中的三維模型開始設計，有了表達全部集合參數和設計構想的可能，使整體設計過程能夠在三維模型中分析與研究，并能使用統一的數據，因而能夠更好地完善其設計思想，從而使設計方案理想化。在三維的CAD產品設計中，可以建立充分而完整的統一數據庫，并以此為基礎，對整體設計或部件進行各類分析。從長遠的觀點看，三維CAD技術必然會替代二維繪圖。隨著計算機性能的提高，網絡通訊的普及化、信息處理的智能化、多媒體技術的實用化，CAD三維技術正向著開放、集成、智能和標準化的方向發展。正確把握CAD技術的發展趨勢，對我國CAD軟件行業的開發及企業正確規劃自身的CAD應用系統，都有深遠的意義。

可以預見，隨著近年來人工智能、知識庫數據庫技術、信息集成與交換技術的飛速發展和信息交換標準的擬定、發展與完善，CAD技術正在向智能化、信息集成化、信息交換接口標準化方向發展，它在機械設計過程中的應用也趨于向設計早期深入。

參考文獻

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