CAD技術在機械工程設計中的應用

鄭 健

（魯南技師學院，山東 臨沂 276001）

引言

CAD技術的出現與發展為機械工程設計提供了新的思路，也為設計人員提供了專業設計平臺。因此，機械工程設計人員應提高對CAD技術的重視程度，利用CAD技術優化細節設計、控制設計誤差，從而推動機械制造行業的發展。

1 CAD與機械工程設計概述

1.1 CAD技術與CAD系統

CAD技術即計算機輔助設計，指的是利用計算機與圖形設備進行設計。CAD技術出現于二十世紀六十年代，而我國CAD技術起源于國外CAD平臺技術的二次開發。CAD技術當中的基本技術包括交互技術、曲面造型技術、圖形變換技術以及實體造型技術。交互技術可實現設計人員與計算機系統之間的信息交互，幫助設計人員更改設計圖紙。曲面造型技術指的是對線條的曲面造型進行研究，以滿足異形設計需求。圖形變換技術可以將用戶坐標系與圖形輸出設備的坐標系結合起來，對圖形進行平移、縮放、旋轉或透視變換。實體造型技術可以將設計圖紙轉變為實體造型[1]。在設計過程中應用CAD技術，可有效減少數據運算量、減少誤差，因此，CAD技術在設計中占據著重要地位。

CAD系統主要由軟件與硬件共同構成，其中，硬件包括計算機以及圖形設備，而圖形設備又包括顯示器、輸入設備以及輸出設備。軟件由操作系統與應用軟件構成，操作系統包括Linux、UNIX等工作站操作系統以及Windows等PC機操作系統，應用軟件包括AutoCAD、CAXA電子圖板等二維CAD系統與Solid-Edge、Inventor等三維CAD系統。

1.2 機械工程設計

機械工程是利用物理定律對機械系統進行分析、設計、制造以及維修的工程學科。機械工程將自然科學與技術科學結合起來，可以為機械開發、運行以及維修提供指導。機械工程設計即根據用戶需求與產品規劃方案進行機械產品的設計，具有復雜性、標準性等特點，對設計質量的要求相對較高。

2 CAD技術在機械工程設計中的優勢

2.1 有利于提高機械工程設計的數字化水平

在機械工程設計中應用CAD技術可以實現數字化設計與控制，提高設計效率。利用CAD技術進行設計，可以將數據元素轉變為圖形元素，也可以將圖形元素轉變為數據元素，應用CAD技術可以提高數據處理效率，為機械工程設計提供更多的數據信息。

2.2 有利于縮短機械工程的設計時間

在傳統的設計工作中，設計人員需要通過手繪等方式繪制圖紙，并進行大量計算，在一定程度上降低了設計效率。而應用CAD技術可進行輔助繪圖，提高數據處理效率，縮短機械工程設計的時間。同時，設計人員運用CAD技術可以隨時更改設計細節，不需要重新繪制設計圖紙，可有效節約設計時間[2]。此外，應用CAD技術可以提高變型設計能力，加快設計速度。

2.3 有利于提高機械工程的設計質量

在進行機械工程設計時，可以利用CAD技術進行參數的計算與調整，增強設計的準確性。也可以進行模型建構，對設計圖紙進行優化。CAD技術結合了結構優化以及力學體系等內容，可以提升機械工程的設計質量。

3 CAD技術在機械工程設計中的具體應用

3.1 在輔助繪圖中的應用

繪圖是設計工作的關鍵環節，而傳統的人工繪圖不僅會消耗大量的時間，也會影響到圖紙的精準性。如在設計過程中設計人員無法充分展現機械結構細節，導致后續生產出現問題。而應用CAD技術可以進行計算機輔助繪圖，增強圖紙的準確性。因此，設計人員需要提高對CAD技術的重視程度，并充分發揮其計算機輔助繪圖功能的作用，降低繪圖難度。常用的計算機輔助繪圖軟件有AutoCAD、CAXA電子圖板等，設計人員可以利用這些軟件進行繪圖，提高繪制效率。其中，AutoCAD具有圖形繪制、圖形編輯、圖形轉換和數據交換等多重功能，可以進行用戶定制與二次開發，也可以為多種硬件設備與操作平臺提供支持。設計人員可以利用AutoCAD軟件進行平面繪圖，創建直線、曲線、多邊形等基本圖形，并利用正交、捕捉追蹤、極軸追蹤等功能捕捉幾何對象中的特殊點，利用該軟件進行圖形的移動、旋轉、延長、拉伸與縮放，并對圖形的尺寸、文字等各個方面進行調整，利用該軟件進行三維繪圖，并構建機械產品模型。

3.2 在優化設計中的應用

在CAD技術與機械工程設計不斷融合的過程中，CAE技術應運而生。CAE技術可以計算復雜工程與產品結構的剛度、強度、動力響應和三維多體接觸等參數，并對機械工程結構性能進行優化設計。常用的CAE軟件有專用CAE軟件與通用CAE軟件。其中，專用CAE軟件是針對特定工程或產品進行性能分析與優化的軟件，而通用CAE軟件是針對不同工程與產品的力學性能以及物理性能對工程進行優化設計的軟件。CAE軟件的關鍵在于有限元方法，可以對結構進行離散化處理并根據變形協調條件進行求解。在機械工程設計中應用CAE軟件具有多重優勢，可以完善設計功能、增強機械工程設計的合理性、降低設計成本、縮短設計周期、通過優化設計明確最佳設計方案。

3.3 在機械工程建模中的應用

模型建構是機械工程設計的關鍵環節，對設計質量會產生較大影響。但模型建構難度相對較大，如果不采用先進的技術手段可能會降低建模的準確性。在機械工程設計中應用CAD技術，可以通過相關軟件構建三維模型，降低模型建構難度。同時，CAD技術的建模體系較為完善，不僅包括立方體、球體、圓錐體，也包括圓柱體、楔形體以及環狀體等建模體系，基本可以滿足機械工程建模需求。設計人員在構建三維模型時只需要選擇合適的建模體系，進行分解與組裝即可。在應用CAD技術時，設計人員應輸入設計參數并構建表面模型、線框模型與實體模型，展現設計效果。此外，設計人員利用三維建模功能可以進行彈性設計。在建模過程中，設計人員可以根據實際情況，直接利用CAD技術進行數據調整，增強模型的精準性。

3.4 在CAD/CAM模具集成制造中的應用

應用CAD技術可以提升機床性能，優化機械工程設計。設計人員可以利用CAD技術提升數控機床的智能化與數字化水平，并對設計工作進行嚴格監督。設計人員也可以利用CAD/CAM技術進行仿真模擬與數控加工，提高模具制造的集成化程度。

3.5 在工程結構設計中的應用

設計人員可以利用CAD技術分析機械產品零部件的結構與力學情況，及時調整零件結構與受力，提升產品的整體性能。

4 CAD技術在機械工程設計中的發展方向

CAD技術是機械工程設計中的關鍵，可以為工程建模、工程分析和設計審查提供技術支持。但機械工程設計是動態變化的，人們對機械工程設計的要求也是不斷變化的，因此，需要進一步完善CAD技術，促進CAD技術向標準化、集成化、智能化、網絡化以及自動化方向發展。

4.1 標準化

當前，常用的CAD軟件功能較為豐富，使用價值也比較高，但兼容性相對較差，會對數據共享造成影響。在這種情況下，應對CAD軟件數據模型以及交換資源格式化標準進行深入研究，不斷完善STEP標準體系，從而使CAD技術向標準化方向發展。

4.2 集成化

在機械制造行業不斷發展的過程中，設計手段逐漸向多樣化方向發展。同時，機械工程設計當中存在大量的非結構化信息，如產品樣品圖像、工程圖樣等，若想科學管理這些數據信息，就需要進行集成化管理。因此，為了充分發揮CAD技術在機械工程設計中的作用，需要提升CAD技術的集成化水平，即對CAD、CAM以及CAPP等技術進行集成，從而實現工藝分析、產品設計等各道工序的集成。同時，設計人員也需要利用CAD軟件研究機械產品的力學特點，對設計工藝進行集成，提高設計質量。

4.3 智能化

智能化時代，若想突出CAD技術的優勢、提升機械工程設計質量，需要促進CAD技術向智能化方向發展。技術人員要充分發揮人工智能技術在CAD技術中的作用。在CAD技術中應用人工智能技術以提升CAD軟件的創造力，因此，可以通過利用基于約束滿足的設計、基于范例推理的設計以及專家系統，提升CAD技術的智能化水平。同時，可以利用基于神經網絡的設計方案推導系統，解決設計條件描述不充分等問題，利用針對機械工程設計的模糊評判方法與多解性模糊設計，進行智能化設計。設計人員要根據相關需求制定設計計劃，并利用CAD軟件創新設計手段，使設計工藝更具有智能化的特點。

4.4 網絡化

在網絡技術不斷發展的過程中，推動CAD技術向網絡化方向發展具有重要意義。技術人員要充分發揮互聯網技術在CAD技術中的作用，增強二維圖紙的傳輸效率。并在網絡協作模式的基礎上，保障機械產品設計質量，降低設計成本。

4.5 自動化

信息化時代，不僅需要提升CAD技術的智能化與網絡化水平，也需要提升機械工程設計的自動化程度。技術人員應進一步研究CAD技術的自動繪圖功能、自動分析功能和自動建模功能，提升技術的自動化水平，降低機械工程設計對人工的依賴。

5 結語

在機械工程設計中應用CAD技術可以提升設計的數字化水平、縮短設計時間、提高設計質量。設計人員應靈活應用CAD技術，不斷更新設計理念，完善機械工程設計的內容。同時，技術人員也需要對CAD技術進行深入研究，促進CAD技術向標準化、集成化、智能化、網絡化以及自動化方向發展。