CAD技術在機械設計中的應用

CAD技術在機械設計中的應用

李汾娟

(蘇州工業園區職業技術學院，江蘇蘇州215000)

摘要：CAD技術的飛速發展對機械設計產生了巨大的影響，不僅縮短設計周期、降低成本，而且提高了機械產品質量，使設計變更方便與快捷。以煤礦機械設計為例，淺析CAD技術優勢在設計方案確定、三維建模與渲染，以及CAD/CAE/CAM相結合的具體應用。

關鍵詞:CAD機械設計應用帶傳動

中圖分類號：TH122文獻標識碼：A

作者簡介：李汾娟(1983-)，女，遼寧鐵嶺人，講師/工程師，主要從事計算機輔助設計與制造研究。

收稿日期：2015-04-07

Introduction to the application of CAD technology in mechanical design

LI Fenjuan

Abstract:The rapid development of CAD technology has had a huge impact on mechanical design, which not only shortens the design cycle, reduces costs, improves the quality of mechanical products, but also makes the design changes easily and fast. Taking coal mine machinery for example，this paper discuss the advantages of the specific application CAD technology in areas including the determination of design,3D modeling and rendering,as well as integrated application of CAD/CAE/CAM.

Keywords:CAD；mechanical design；application；belt transmission

0引言

現代設計是以產品為總目標的一系列種類繁多的現代設計方法和技術的綜合運用。由于計算機具有運算速度快、數據處理準確、存儲量大等特點，成為現代工程設計中分析、計算、綜合、決策、數據處理、圖形處理和與現代設計方法結合的不可替代的重要工具。這種人機交互式的設計方法，就是計算機輔助設計(Computer Aided Design, CAD) 。CAD技術的飛速發展對機械設計產生了巨大的影響，設計效率得到了極大的提高。

1CAD技術在機械設計中的優勢

1.1設計周期縮短、耗費降低

傳統的機械設計方法是以實踐經驗為基礎，依據力學和數學建立的理論公式和經驗公式，運用數表、圖形和手冊等技術資料，進行方案擬定、設計計算、繪圖和編寫設計說明書 。因而，傳統設計往往需要人工資料檢索、計算和手工繪圖，歷時長、耗費大。CAD技術讓設計人員擺脫繁瑣的資料檢索與計算，通過計算機的高速運算，縮短設計進程；同時，CAD技術支撐圖形程序庫處理，完成圖形的自動生成，大大減輕設計人員的繪圖工作量。

1.2設計變更方便、快捷

設計變更在企業中是非常普遍的。設計企業會根據客戶需求，對原設計內容進行修改、完善、優化。設計變更通常包括增減工程內容、改變使用功能、修改工藝技術等內容，其中由于設計的錯誤和遺漏原因而需要設計變更的情況，CAD技術可以快速解決。例如，對零件設計而言，參數化設計有利于快速實現尺寸修改；基于虛擬裝配模塊，查看修改后的零件是否與原組建中其他零部件存在干涉，保證裝配的精確度。

1.3助于提高機械產品質量

CAD技術向標準化、集成化和智能化方向發展，一些標準的圖形接口軟件和圖形功能相繼推出，將CAD技術拓展，結合計算機輔助工程(Computer Aided Engineering, CAE)求解分析復雜工程和產品的結構力學性能，優化結構性能；利用計算機輔助制造(Computer Aided Manufacturing, CAM)進行生產設備的設置、控制和操作，實現仿真加工，優化加工工藝過程。CAD/CAE/CAM技術的融合，有助于更好的保證機械產品的質量。

2CAD技術優勢在煤礦機械設計中具體應用的探討

煤礦機械可分為露天煤礦機械和井下煤礦機械。帶式輸送機具有長距離、大運量等優點，在露天煤礦機械中較為廣泛應用。皮帶傳動是帶式輸送機的重要組成部分，筆者將以帶式輸送機中皮帶傳動設計為例，探索CAD技術優勢在機械設計中的具體應用。

2.1基于CAD技術的設計方案信息確定

設計人員利用CAD技術不斷的從工程數據信息庫中檢索設計資料，調用設計程序庫的設計計算程序進行計算，確定設計方案和主要設計參數；利用圖形程序庫處理和構造設計圖形；將設計方案和設計圖形存儲到數據庫中，完成設計方案信息的確定與輸出。

帶式輸送機帶傳動設計中，要求工作環境溫度一般-25~+40℃，連續單向運轉，載荷較平穩，使用壽命至少5年，三班制工作，技術參數如表1。

表1

主要技術參數

利用CAD技術確定設計方案與圖形繪制，過程如下：1)設定參數。從工程數據庫中檢索設計資料設置工況如圖1；2)設計計算與修改。系統計算出一系列可行性方案供設計人員參考，設計人員根據經驗選擇、修改與調整，最終確定最優方案如圖2；3)校核計算與輸出結果。調用設計程序庫進行計算，確定設計方案和主要設計參數，并保存成*.TXT文件格式輸出如圖3；4)構造圖形。設定帶輪結構參數如圖4，包括：帶輪類型、輪轂直徑、鍵槽寬度和深度，調用圖形程序庫處理和構造設計圖形；5)圖紙選擇與出圖。標注與設置圖紙樣式如圖5，完成小帶輪設計如圖6。

圖1　設定參數　　　　圖2　設計計算與修改

可見，利用CAD的技術優勢，可以方便快捷地將設計需求轉變成設計方案，完成工程圖的繪制任務，縮短了設計周期，大大降低了設計人員的工作量。

圖3　校核計算　　　　　　　圖4　設定帶輪 　　　　　　　　　　　　　　　　　　結構參數

圖5　圖紙的選擇　　　　圖6　小帶輪零件圖

2.2三維CAD技術的應用

(1)三維建模與模型渲染的應用

CAD在輔助設計實現零件的二維圖上表現優異，同時，三維CAD技術可以快速高效地實現三維建模與模型渲染，以小帶輪為例如圖7，過程如下：① 提取二維截面輪廓特征；②創建帶輪基本體；③鍵槽面域的三維旋轉；④拉伸特征；⑤布爾差集運算；⑥渲染效果圖。

此外，資源查找器中的零件回放可以將零件造型的全過程通過動畫連續地演示出來，幫助工作人員加深了解 ；三維CAD技術的裝配模塊可以構建組件與干涉檢查，避免相鄰零件干涉導致設計失敗。

圖7三維建模與渲染

(2)CAD/CAE/CAM技術綜合應用

CAE技術的主要功能是產品的建模、工程分析與仿真，在幾何建模功能上比較薄弱。通常將CAD建立好的模型導入到CAE中進行工程力學分析。CAM技術的主要功能是依據輸入零件的工藝路線和工序內容，輸出刀具加工時的運動軌跡和數控程序。機械設計中將CAD與CAE 技術融合，幫助工程結構分析；將CAD與CAM 技術融合，幫助加工工藝分析。CAD/CAE 和CAD/CAM 的獨立融合與并行操作，有利于實現對產品設計的評價與修改，保證產品質量，提高市場競爭力。

3CAD技術在機械設計中的存在問題

3.1對CAD認知不足

許多企業對CAD應用大多停留在二維出圖與三維建模上，將CAD作為效果展示的工具，并沒有意識到CAD輔助設計的含義，同時在CAD/CAE與CAD/CAM并行操作實現優化設計上的認識不夠。CAD不是輔助繪圖，而是輔助設計，并幫助實現輔助分析與加工 。

3.2精通CAD的技術人員的缺乏

CAD技術本身是一個復雜的系統，并不是每個設計人員都接受過系統的培訓，了解CAD中的主要模塊與相互聯系，更不用說CAD/CAE與CAD/CAM的并行操作，因而在機械設計中無法有效的加以利用。

4結論

現代化信息技術迅猛發展，機械設計與制造企業需要深入應用CAD技術。CAD不是輔助繪圖，而是輔助設計。先進的設計方法與手段是企業在激烈競爭中獲得成功的保證。加強CAD技術的應用，為機械設計提供必要的技術支撐，增強企業機械產品的研發能力，從而提高企業機械裝備水平。

參考文獻

[1]郭仁生.機械設計基礎[M].北京：清華大學出版社，2011

[2]張立榮.三維CAD 技術在機械設計中的應用[J].煤炭技術，2011，30(2)：16-18

[3]肖勁，王磊.AutoCAD 技術在機械設計中的應用與發展[J].煤炭技術，2013，32(4)：5-6