應用ＣＡＤ技術的現代機械設計

摘要：在機械設計中引入CAD技術，可以解決機械企業中重復性設計多、信息資源利用率低的難題，縮短產品開發周期，具有巨大的經濟效益和應用前景。

關鍵詞：機械設計；CAD技術

1 CAD技術的發展

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1950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（Com-puter Aided Manufacturing，CAM）和產品數據管理技術（Product Data Management，PDM）及計算機集成制造系統（Computer Itegrated manufacturing system，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CAD系統發展成為結合人工智能技術的智能CAD系統（ICAD）(Intelligent CAD)。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、智能活動是由設計專家系統完成。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。

2 三維CAD技術在機械設計中的優點

通過實際應用三維CAD系統軟件，筆者體會到三維CAD系統軟件比二維CAD在機械設計過程中具有更大的優勢，具體表現在以下幾點:

2.1 零件設計更加方便

使用三維CAD系統，可以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，避免了單獨設計零件導致裝配的失敗。資源查找器中的零件回放還可以把零件造型的過程通過動畫演示出來，使人一目了然。

2.2 裝配零件更加直觀

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，若裝配不正確即予以顯示，另外，零件還可以隱藏，在隱藏了外部零件的時候，可清楚地看到內部的裝配結構。整個機器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，及時對設計進行更改，避免了產品生產后才發現需要修改甚至報廢。

2.3 縮短了機械設計周期

采用三維CAD技術，機械設計時間縮短了近1/3，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3~5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。

2.4 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CAD CIMS組織生產，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、產品的虛擬設計、運動方針和優化設計等，保證了產品的設計質量。同時，大型企業數控加工手段完善，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 CAD技術在機械設計中的應用

3.1 零件與裝配圖的實體生成

3.1.1 零件的實體建模。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、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。

3.1.2 實體裝配圖的生成。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。

3.2 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(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。

3.3 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 CAD前沿技術與發展趨勢

4.1 圖形交互技術

CAD軟件是產品創新的工具，務求易學好用，得心應手。一個友好的、智能化的工作環境可以開拓設計師的思路，解放大腦，讓他把精力集中到創造性的工作中。因此，智能化圖標菜單、“拖放式”造型、動態導航器等一系列人性化的功能，為設計師提供了方便。此外，筆輸入法草圖識別、語言識別和特征手勢建模等新技術也正在研究之中。

4.2 智能CAD技術

CAD/CAM系統應用逐步深入，逐漸提出智能化需求.設計是一個含有高度智能的人類創造性活動。智能CAD/CAM是發展的必然方向。智能設計在運用知識化、信息化的基礎上，建立基于知識的設計倉庫，及時準確地向設計師提供產品開發所需的知識和幫助，智能地支持設計人員，同時捕獲和理解設計人員意圖、自動檢測失誤，回答問題、提出建議方案等。并具有推理功能，使設計新手也能做出好的設計來，現代設計的核心是創新設計，人們正試圖把創新技法和人工智能技術相結合應用到CAD技術中，用智能設計、智能制造系統去創造性指導解決新產品、新工程和新系統的設計制造，這樣才能使我們的產品、工程和系統有創造性。

4.3 虛擬現實技術

虛擬現實技術在CAD中已開始應用，設計人員在虛擬世界中創造新產品，可以從人機工程學角度檢查設計效果，可直接操作模擬對象，檢驗操作是否舒適、方便，及早發現產品結構空間布局中的干涉和運動機構的碰撞等問題，及早看到新產品的外形，從多方面評價所設計的產品.虛擬產品建模就是指建立產品虛擬原理或虛擬樣機的過程.虛擬制造用虛擬原型取代物理原型進行加工、測試、仿真和分析，以評價其性能，可制造性、可裝配性、可維護性和成本、外觀等，基于虛擬樣機的試驗仿真分析，可以在真實產品制造之前發現并解決問題，從而降低產品成本.虛擬制造、虛擬工廠、動態企業聯盟將成為CAD技術在電子商務時代繼續發展的一個重要方向.另外，隨著協同技術、網絡技術、概念設計面向產品的整個生命周期設計理論和技術的成熟和發展，利用基于網絡的CAD/CAPP/CAM/PDM/ERP集成技術，實現真正的全數字化設計和制造，已成為機械設計制造業的發展趨勢。

參考文獻

[1]黃森彬主編.機械設計基礎.高等教育出版社.

[2]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.

[3]徐建平，盛和太.精通AutoCAD2005[M].北京:清華大學出版社，2004.

[4]葛海霞，劉村.AutoCAD2004/2005輔助設計[M].上海:上海科學普及出版社，2004.

[5]秦志峰，齊月靜，胡仁喜，等.AutoCAD2005機械設計及實例解析[M].北京:機械出版社，2005.