CAD在機械設計中的應用研究

馬文肖 秦文秀

摘要：機械設計屬于一種技術含量較高的工作，在機械設計過程中靈活使用CAD軟件，可提高設計質量以及設計效率。隨著CAD技術的不斷成熟，CAD軟件的各項功能也不斷加強，并成為機械行業中極為重要的技術。文章介紹了CAD軟件在機械設計領域中的優勢以及CAD軟件在機械設計領域中的實際應用，并分析了CAD技術的應用趨勢，旨在為機械設計者提供參考。

關鍵詞：機械設計；CAD軟件；制圖軟件；二維繪圖；三維造型；參數化設計 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH122 文章編號：1009-2374（2016）18-0034-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.018

CAD軟件屬于一種功能齊全的制圖軟件，并在機械領域、建筑領域等發揮重要作用。設計師借助CAD軟件，可快速完成機械設計的相關任務，并能保證零件設計的精確度以及真實度，確保設計成果能夠更好地應用到機械加工中。機構設計作為機械相關的專業基礎課程，同時也是高校畢業生必須攻讀的基礎必修課。在機械類課程的教學內容中，最重要的就是基本的知識、方法以及理論等。高校在培養學生機械操作能力的過程中，必須著重訓練設計的構思以及技能，綜合應用先修課程中有關的知識以及技能，結合實際的教學實踐活動幫助學生順利過渡到相關專業的學習上，為機械設計專業的學生打下良好的基礎。在機械行業發展迅猛的背景下，設計師掌握CAD軟件的應用技巧可有效地提升機械加工的工作效率，為促進機械行業的發展提供技術保障。

1 機械設計實踐的現狀

在我國，機構設計發展的時間較為漫長，通過這幾個世紀的發展，人們會將自身所想到的設計理念以及想法通過手工繪圖的方式來進行表達。在工程師的心目中，其語言就是設計圖紙，不僅體現了工程設計技術師的結果以及思想落實，還有效地提高了與技術人員之間的溝通，為其交流帶來了一定的便利性。隨著科學以及工業的不斷發展，尤其是計算技術的發展，為機械設計的發展提供了空前的資源以及有效操作性，使手工繪圖的方式逐漸被淘汰。19世紀70年代，機構設計成功實現了由手工繪圖到計算機繪圖的大轉變，不僅將繪圖效率帶入了新的層次，還有效地提升了繪圖的質量，為其發展帶來了便利。

在設計的現行階段，CAD技術的代表軟件主要為二維繪圖軟件AUTOCAD，在設計的實際實踐過程中，只是單純對學生操作以及繪制進行簡單的教學，而要想繪制裝配圖以及對工程進行分析則較難實現。因此，為了便于裝配圖的繪制，在進行實際教學時，要逐步使用相關的繪圖軟件或繪圖工具，例如CAXA電子圖版以及開目CAD等軟件，采用相關的繪圖軟件能夠有效地降低人工的勞動力，提升相關的經濟效益。隨著科學技術的不斷發展，CAD技術也得到了有效的發展，目前的CAD技術已是三維CAD技術，為企業獲得了巨大的社會以及經濟效益。企業在發展過程中需要能夠掌握此技術的相關專業人才，因此掌握現有的技術已成為工科畢業生的基本條件。在機械設計實際教學過程中運用CAD技術已成為當代教學改革的重要內容。

2 CAD軟件在機械設計領域中的優勢

2.1 與人的思維相匹配

一般來講，設計師在進行機械設計時往往先構思機械模型再繪制機械圖形。由于設計師在構思過程中腦海里呈現的產品都屬于三維結構，而借助CAD軟件進行設計能夠得到更直觀的機械產品，隨著社會的發展，STEP標準體系也逐步得到了完善，此標準體系能夠為新一代的CAD技術提供相應的開始指導。這樣不僅能激發設計師的思維能力，也便于設計師與同行進行交流。在當今社會，參數化特征模型依舊是一個世界性的難題，但在STEP標準的基礎上定會有所突破。

2.2 減少設計周期

CAD軟件能夠將結構簡單的實體通過運算等功能進行轉換，以此組合出各種結構復雜的實體。同時，CAD軟件還具有自動生成截交線以及相貫線等線條的功能，有效減少設計師的工作量，縮短設計師的工作周期，有效提高機械設計的實際效率。此外，設計師在使用CAD軟件進行設計時，只要對一些零部件進行適當的調整，而其余零部件都是自動繼承之前的信息，從而提高機械設計的工作效率。設計師還可以利用CAD的高度變形功能，將一些零散的零部件進行快速重構，便能形成一種新型的機械產品。

2.3 使用便利

使用CAD軟件后，不僅能夠在裝配環境中對新零件進行相應的繪制，還能將其余零件的位置以及形狀進行新的開發，使其成為新的零件。如此一來，設計師既能快速便捷的進行操作，還能確保新零件以及相鄰零件之間能夠精確配合，有效提高零件裝配的精準度。此外，CAD軟件的修改功能也十分強大，設計師既可以通過點擊軟件中資源查找器的相關命令來完成對零件的修改，也可以在裝配環境中對相關零件進行修改。

2.4 零件裝配更為直觀

在使用CAD軟件對各種零部件進行裝配時，軟件的裝配路徑管理器能夠自動記錄零件之間的各種裝配關系。如果裝配出現錯誤或出現干涉，裝配路徑管理器便會立即顯示，并對零件裝配過程進行有效的靜干涉檢查，以此為設計師提供參考。同時CAD軟件還具有隱藏零件的功能，如果想清楚地了解裝配的內部構造，可將外部零件進行隱藏，便能掌握裝配的內部構造。

2.5 機械產品更為逼真

CAD軟件不僅能快速描繪出各種零件的大小、位置以及形狀，還能為零件賦予顏色、體積、慣性矩以及紋理等信息，以此將機械產品更逼真的呈現給設計師。從20世紀60年代至今，三維建模技術的發展經歷了線框建模、曲面建模、實體建模、特征建模、參數化建模、變量化建模以及當今正在研究的產品集成建模、行為建模等發展過程。如此一來，設計師便能通過觀察機械產品細節對實體模型進行細微調整，以此全面地表達自己的設計意圖。

3 CAD軟件在機械設計領域中的實際應用

3.1 二維繪圖

二維繪圖是CAD軟件最為基礎的功能，設計師可通過CAD軟件簡單描繪出實體的二維形狀。例如，設計師可使用CAD軟件簡單繪制出零件的主視圖、俯視圖、左視圖、解剖圖等，以便為后面的零件裝配打下基礎。

3.2 圖形、符號庫

設計師在使用CAD軟件時，可將復雜的零件圖形進行分解，以此形成多個簡單的符號以及圖形。同時，將分解的符號和圖形進行儲存，在需要的時候將符號和圖形調出，經過簡單的編輯修改后再將這些圖形和符號插入到其他圖形中。

3.3 三維造型

三維造型是CAD軟件最為強大的功能，設計師可借助系統已存的實體造型來繪制零件結構，再將零件結構圖進行著色處理以及消隱處理，便可顯示出零件的真實形狀。此外，CAD系統的實體造型還能用于運動仿真以及零件裝配等工作，以便設計師觀察零件圖是否存在干涉情況。

3.4 參數化設計

一般來講，系列化零部件以及標準化零部件往往有著較為相似的構造，設計師在使用這種零部件時只需對其尺寸進行相應調整，便能直接用于其他的零部件設計。對此，設計師可借助CAD軟件的參數化功能來建立龐大的圖形程序庫，在調用時只需對已存的零部件尺寸賦以新的參數，便能生成一個全新的零件圖形。

3.5 工程分析

CAD軟件具有優化設計、動力學分析以及有限元分析等多種功能，設計師可根據設計對象的特征以及應用采取相應的分析方法。例如，設計師在設計注塑模時可對實體模型進行變形分析、塑流分析以及冷卻分析，確保設計的注塑模型能夠滿足注塑工藝的實際要求。

4 CAD軟件的應用趨勢

4.1 集成化

目前，技術人員為了增強機械生產效率，將CAD軟件以及CAM軟件相結合，使CAD軟件的設計結構能夠直接應用到數控加工中，從而省去打印CAD圖紙以及制定數控參數等環節。

4.2 智能化

CAD軟件系統屬于人機系統，使用CAD軟件的設計師在系統運行中起到決策作用。基于這一點，將人工智能以及專家系統等技術與CAD軟件技術相結合，使CAD軟件系統更具智能化，以便更好地用于機械加工。

4.3 協同化

將CAD軟件進行協同化處理，使計算機能夠具備協同工作的功能，可達到遠程設計的要求。基于這一點，可構建CAD網絡，確保機械設計單位能夠共同參與機械設計工作。

5 結語

綜上所述，CAD軟件是一款功能齊全的制度軟件，在機械行業中有著重要作用。設計師可利用CAD的高度變形功能，將一些零散的零部件進行快速重構，可形成一種新型的機械產品；借助CAD軟件的參數化功能來建立龐大的圖形程序庫，在調用時只需對已存的零部件尺寸賦予新的參數，便可生成一個全新的零件圖形；在裝配環境中對新零件進行繪制時，還能將其余零件的位置以及形狀進行新的開發，使其成為新的零件。CAD軟件具有集成化、智能化、協同化的應用趨勢，在當前信息科學技術大發展的背景下，CAD軟件的實際主要是二維繪圖、圖形、符號庫、三維造型、參數化設計、工程分析等。隨著CAD技術不斷成熟，CAD軟件功能也將不斷完善，在未來的機械生產中發揮重要作用，也有助于我國工業化4.0進程的推進。

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（責任編輯：蔣建華）