CAD在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探究

李雪金

（浙江內(nèi)曼格機(jī)械制造有限公司，浙江 嘉興 314500）

CAD技術(shù)是隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而逐步發(fā)展起來(lái)的，目前CAD技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于許多行業(yè)，如機(jī)械、汽車、飛機(jī)、船舶、電子、輕工、建筑、化工、紡織及服裝等。CAD技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械類產(chǎn)品設(shè)計(jì)的比例最大。在機(jī)械行業(yè)中，Auto CAD是應(yīng)用最為廣泛的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件。現(xiàn)在，經(jīng)過(guò)多次升級(jí)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(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，采用AutoCAD繪圖技術(shù)，可以縮短設(shè)計(jì)周期。

1 CAD技術(shù)發(fā)展概述

1.1 CAD概述

CAD(Computer Aided Design)是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的英文縮寫，是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形處理能力和數(shù)值計(jì)算能力，輔助工程技術(shù)人員進(jìn)行工程或產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與分析，達(dá)到理想的目的，并取得創(chuàng)新成果的一種技術(shù)。自195。年計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)誕生以來(lái)，已廣泛地應(yīng)用于機(jī)械、電子、建筑、化工、航空航天以及能源交通等領(lǐng)域，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率飛速地提高。現(xiàn)已將計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)((CAM)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù) (PDM)及計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)集于一體。產(chǎn)品設(shè)計(jì)是決定產(chǎn)品命運(yùn)的研究，也是最重要的環(huán)節(jié)，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作決定著產(chǎn)品75%的成本。目前，CAD系統(tǒng)已由最初的僅具數(shù)值計(jì)算和圖形處理功能的C AD系統(tǒng)發(fā)展成為結(jié)合人工智能技術(shù)的智能CAD系統(tǒng)(ICAD)。21世紀(jì)，ICAD技術(shù)將具備新的特征和發(fā)展方向，以提高新時(shí)代制造業(yè)對(duì)市場(chǎng)變化和小批量、多品種要求的迅速響應(yīng)能力。

以智能CAD(ICAD)為代表的現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)、智能活動(dòng)是自設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)完成。這種系統(tǒng)能夠模擬某一領(lǐng)域內(nèi)專家設(shè)計(jì)的過(guò)程，采用單一知識(shí)領(lǐng)域的符號(hào)推理技術(shù)，解決單一領(lǐng)域內(nèi)的特定問(wèn)題。該系統(tǒng)把人工智能技術(shù)和優(yōu)化、有限元、計(jì)算機(jī)繪圖等技術(shù)結(jié)合起來(lái)，盡可能多地使計(jì)算機(jī)參與方案決策、性能分析等常規(guī)設(shè)計(jì)過(guò)程，借助計(jì)算機(jī)的支持，設(shè)計(jì)效率有了大大地提高。

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(jì)。有了表達(dá)全部集合參數(shù)和設(shè)計(jì)構(gòu)想的可能，使整體設(shè)計(jì)過(guò)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(jì)思想，從而使設(shè)計(jì)方案理想化。在三維的CAD產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，可以建立充分而完整的統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)，并以此為基礎(chǔ)，對(duì)整體設(shè)計(jì)或部件進(jìn)行各類分析。從長(zhǎng)遠(yuǎn)的觀點(diǎn)看。三維CAD技術(shù)必然會(huì)替代二維繪圖。隨著計(jì)算機(jī)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(shí)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(shì)，對(duì)我國(guó)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。

1.2 CAD在機(jī)械設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)

在機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，借助CAD技術(shù)，產(chǎn)品的性能設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)能得到充分的施展，即CAE計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)，而不僅僅是代替簡(jiǎn)單而重復(fù)的人工勞動(dòng)。在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員可以進(jìn)行產(chǎn)品的性能分析設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并將產(chǎn)品的形體設(shè)計(jì)與產(chǎn)品性能設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，運(yùn)用相關(guān)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品各主要零部件的動(dòng)、靜態(tài)分析和結(jié)構(gòu)形體等的優(yōu)化。此外，CAD技術(shù)還有其它方面的應(yīng)用，如驗(yàn)證二維設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性、復(fù)雜零件體積、重量的計(jì)算、演示功能、廣告、樣本、宣傳資料的制作等等。

2 CAD在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 實(shí)體應(yīng)用

CAD的三維建模方法有三種，即線框模型、表面模型和實(shí)體模型。在許多具有實(shí)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(shí)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、圓錐體、環(huán)狀體和楔形體。對(duì)簡(jiǎn)單的零件，可通過(guò)對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析將其分解成若干基本體對(duì)基本體進(jìn)行三維實(shí)體造型，之后再對(duì)其進(jìn)行交、并、差等布爾運(yùn)算，便可得出零件的三維實(shí)體模型。對(duì)于有些復(fù)雜的零件往往難以分解成若干個(gè)基本體，使組合或分解后產(chǎn)生的基本體過(guò)多，導(dǎo)致成型困難。所以。僅有基本體系還不能完全滿足機(jī)器零件三維實(shí)體造型的要求。為此可在二維幾何元素構(gòu)造中先定義零件的截面輪廓然后在三維實(shí)體造型中通過(guò)拉伸或旋轉(zhuǎn)得到新的“基本體”進(jìn)而通過(guò)交、并、差等得到所需要零件的三維實(shí)體造型。在零件實(shí)體構(gòu)造完成后。利用機(jī)器運(yùn)動(dòng)分析過(guò)程中的資料.在運(yùn)動(dòng)的某-位置，按各零件所在的坐標(biāo)進(jìn)行“裝配”，這一過(guò)程可用CAD軟件的三維編輯功能實(shí)現(xiàn)。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(jī)床到數(shù)控機(jī)床和加工中心從人工設(shè)計(jì)和制圖到CAD/CAM/CAE，制造業(yè)正向數(shù)字化和計(jì)算機(jī)化方向發(fā)展。同時(shí)，模具CAD/CAM技術(shù)、模具激光快速成型技術(shù)(RPM)等，幾乎覆蓋了整個(gè)現(xiàn)代制造技術(shù)。一個(gè)完整的CAD／CAM軟件系統(tǒng)是由多個(gè)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(shù)控加工、有限元分析、動(dòng)態(tài)顯示等。這些模塊應(yīng)以工程數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行統(tǒng)-管理，而實(shí)體造型是工程數(shù)據(jù)的主要來(lái)源之一。

機(jī)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(jì)、強(qiáng)度設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)與壽命預(yù)估、動(dòng)力學(xué)，運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真等。CAD技術(shù)在解決造型問(wèn)題后，才能由CAE解決設(shè)計(jì)的合理性、強(qiáng)度、剛度、壽命、材料、結(jié)構(gòu)合理性、運(yùn)動(dòng)特性、干涉、碰撞問(wèn)題和動(dòng)態(tài)特性等。

2.2 多維繪圖應(yīng)用

進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)，所處理的信息，無(wú)非是圖形和數(shù)據(jù)兩個(gè)方面。其中，繪圖工作量約占60%-70%以上。二維圖形的處理目標(biāo)，就是繪制傳統(tǒng)的工程圖。進(jìn)行二維工程繪圖，首先要有適用的繪圖軟件。目前在CAD應(yīng)用中，微機(jī)和和工作站繪圖軟件相當(dāng)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(jìn)行圖形編輯，并具有標(biāo)準(zhǔn)文字，尺寸和填充剖面，區(qū)分層次和調(diào)用圖塊，以及賦予圖形屬性和實(shí)現(xiàn)圖形交換等各項(xiàng)功能。但要真正發(fā)揮CAD的繪圖功能，往往還需要在通用的繪圖軟件包基礎(chǔ)上，按專業(yè)開發(fā)具有宏命令功能的參數(shù)化繪圖軟件，并建立相應(yīng)的圖形符號(hào)庫(kù)，使用戶無(wú)需掌握復(fù)雜的計(jì)算機(jī)操作知識(shí)和編輯功能，就能按菜單進(jìn)行自動(dòng)設(shè)計(jì)繪圖。

2.3 CAD在機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用趨勢(shì)

迄今的CAD系統(tǒng)，通常僅限于處理“可數(shù)類型”的信息，包括計(jì)算、分析和繪圖。然而，在機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往還需處理另一種符號(hào)類型的信息，包括方案構(gòu)思、結(jié)構(gòu)布置，參數(shù)選擇和推理決策等。近年來(lái)，機(jī)械CAD在這方面也有些發(fā)展，例如開發(fā)了一些機(jī)械產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)和機(jī)械零部件設(shè)計(jì)的智能化軟件，還有人推出了機(jī)械故障診斷專家系統(tǒng)。有人預(yù)言，智能時(shí)代即將來(lái)。在九十年代，機(jī)械設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)將會(huì)更多的涌現(xiàn)。為此，還要做許多工作，特別是進(jìn)行基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的深人研究，例如設(shè)計(jì)方法、產(chǎn)品模型，知識(shí)獲得和評(píng)價(jià)決策等。機(jī)械CAD技術(shù)的發(fā)展將更加迅猛異常，CAD/CAM為代表的高新技術(shù)正急劇地改變著傳統(tǒng)機(jī)械行業(yè)設(shè)計(jì)制造的落后面貌，在加快設(shè)計(jì)制造進(jìn)度，促進(jìn)產(chǎn)品的更新?lián)Q代，提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面起著舉足輕重的作用。同時(shí)為我們從事機(jī)械設(shè)計(jì)者提出了新的任務(wù)，要求我們更新觀念，擴(kuò)大視野，跳出古樸的設(shè)計(jì)方法圈子。利用現(xiàn)代高科技，設(shè)計(jì)制造出更好的產(chǎn)品。

3 結(jié)語(yǔ)

從形式上看，CAD技術(shù)作為機(jī)械設(shè)計(jì)中的輔助工具，不可缺失；從實(shí)際應(yīng)用意義來(lái)看，無(wú)論從模擬機(jī)械實(shí)體，還是多維繪圖，其在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用意義都非常明顯。隨著CAD技術(shù)的發(fā)展以及成熟，機(jī)械設(shè)計(jì)中必然在使用CAD的頻率越來(lái)越高，相信未來(lái)的機(jī)械設(shè)計(jì)必然是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，CAD為手段的設(shè)計(jì)。

[1]陳君.機(jī)械設(shè)計(jì)中CAD技術(shù)的應(yīng)用探討[J].機(jī)械與電子，2007，(26).

[2]趙志.Auto CAD在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].同煤科技，2007，(12):44-45.

[3]榮涵銳.新編機(jī)械設(shè)計(jì)CAD技術(shù)基礎(chǔ)(M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.