CAD在機械設計中的應用探究

李雪金

（浙江內曼格機械制造有限公司，浙江 嘉興 314500）

CAD技術是隨著電子技術和計算機技術的發展而逐步發展起來的，目前CAD技術已經應用于許多行業，如機械、汽車、飛機、船舶、電子、輕工、建筑、化工、紡織及服裝等。CAD技術應用于機械類產品設計的比例最大。在機械行業中，Auto CAD是應用最為廣泛的計算機輔助設計軟件。現在，經過多次升級的Auto CAD最新版本，其繪圖功能有了更大的提高，繪圖方法更加多樣、更加靈活。對于機械設計人員來說，采用AutoCAD繪圖技術，可以縮短設計周期。

1 CAD技術發展概述

1.1 CAD概述

CAD(Computer Aided Design)是計算機輔助設計的英文縮寫，是利用計算機強大的圖形處理能力和數值計算能力，輔助工程技術人員進行工程或產品的設計與分析，達到理想的目的，并取得創新成果的一種技術。自195。年計算機輔助設計(CAD)技術誕生以來，已廣泛地應用于機械、電子、建筑、化工、航空航天以及能源交通等領域，產品的設計效率飛速地提高。現已將計算機輔助制造技術((CAM)和產品數據管理技術 (PDM)及計算機集成制造系統(CIMS)集于一體。產品設計是決定產品命運的研究，也是最重要的環節，產品的設計工作決定著產品75%的成本。目前，CAD系統已由最初的僅具數值計算和圖形處理功能的C AD系統發展成為結合人工智能技術的智能CAD系統(ICAD)。21世紀，ICAD技術將具備新的特征和發展方向，以提高新時代制造業對市場變化和小批量、多品種要求的迅速響應能力。

以智能CAD(ICAD)為代表的現代設計技術、智能活動是自設計專家系統完成。這種系統能夠模擬某一領域內專家設計的過程，采用單一知識領域的符號推理技術，解決單一領域內的特定問題。該系統把人工智能技術和優化、有限元、計算機繪圖等技術結合起來，盡可能多地使計算機參與方案決策、性能分析等常規設計過程，借助計算機的支持，設計效率有了大大地提高。

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。

1.2 CAD在機械設計中的優勢

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。此外，CAD技術還有其它方面的應用，如驗證二維設計的準確性、復雜零件體積、重量的計算、演示功能、廣告、樣本、宣傳資料的制作等等。

2 CAD在機械設計中的應用

2.1 實體應用

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，都有一些基本的體系。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、圓錐體、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。對于有些復雜的零件往往難以分解成若干個基本體，使組合或分解后產生的基本體過多，導致成型困難。所以。僅有基本體系還不能完全滿足機器零件三維實體造型的要求。為此可在二維幾何元素構造中先定義零件的截面輪廓然后在三維實體造型中通過拉伸或旋轉得到新的“基本體”進而通過交、并、差等得到所需要零件的三維實體造型。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-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。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(RPM)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目留模塊組成的。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-管理，而實體造型是工程數據的主要來源之一。

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。

2.2 多維繪圖應用

進行機械產品設計，所處理的信息，無非是圖形和數據兩個方面。其中，繪圖工作量約占60%-70%以上。二維圖形的處理目標，就是繪制傳統的工程圖。進行二維工程繪圖，首先要有適用的繪圖軟件。目前在CAD應用中，微機和和工作站繪圖軟件相當多，功能較好的也不少。它們都以交互式繪圖為主，都能繪制各種圖形和進行圖形編輯，并具有標準文字，尺寸和填充剖面，區分層次和調用圖塊，以及賦予圖形屬性和實現圖形交換等各項功能。但要真正發揮CAD的繪圖功能，往往還需要在通用的繪圖軟件包基礎上，按專業開發具有宏命令功能的參數化繪圖軟件，并建立相應的圖形符號庫，使用戶無需掌握復雜的計算機操作知識和編輯功能，就能按菜單進行自動設計繪圖。

2.3 CAD在機械設計中應用趨勢

迄今的CAD系統，通常僅限于處理“可數類型”的信息，包括計算、分析和繪圖。然而，在機械設計過程中，往往還需處理另一種符號類型的信息，包括方案構思、結構布置，參數選擇和推理決策等。近年來，機械CAD在這方面也有些發展，例如開發了一些機械產品方案設計和機械零部件設計的智能化軟件，還有人推出了機械故障診斷專家系統。有人預言，智能時代即將來。在九十年代，機械設計專家系統將會更多的涌現。為此，還要做許多工作，特別是進行基礎理論和關鍵技術的深人研究，例如設計方法、產品模型，知識獲得和評價決策等。機械CAD技術的發展將更加迅猛異常，CAD/CAM為代表的高新技術正急劇地改變著傳統機械行業設計制造的落后面貌，在加快設計制造進度，促進產品的更新換代，提高產品質量等方面起著舉足輕重的作用。同時為我們從事機械設計者提出了新的任務，要求我們更新觀念，擴大視野，跳出古樸的設計方法圈子。利用現代高科技，設計制造出更好的產品。

3 結語

從形式上看，CAD技術作為機械設計中的輔助工具，不可缺失；從實際應用意義來看，無論從模擬機械實體，還是多維繪圖，其在機械設計中的應用意義都非常明顯。隨著CAD技術的發展以及成熟，機械設計中必然在使用CAD的頻率越來越高，相信未來的機械設計必然是以計算機為基礎，CAD為手段的設計。

[1]陳君.機械設計中CAD技術的應用探討[J].機械與電子，2007，(26).

[2]趙志.Auto CAD在機械設計中的應用[J].同煤科技，2007，(12):44-45.

[3]榮涵銳.新編機械設計CAD技術基礎(M].北京：機械工業出版社，2002.