機械CAD技術的發展

趙欣

（沈陽星光建材學校，遼寧 沈陽 110026）

機械CAD技術的發展

趙欣

（沈陽星光建材學校，遼寧 沈陽 110026）

計算機輔助設計（CAD）技術的發展，從根本上改變了機械設計自動化的研究方向，大大提高了機械設計的質量和效率，縮短了產品更新換代的周期，在機械設計領域正在引起深刻的變革。

機械設計；CAD技術；計算機技術

1 機械CAD技術的發展簡史

在過去的40多年中，CAD技術經歷了4個主要發展階段。20世紀50年代的初始準備階段，美國麻省理工學院（MIT）于1950年在“旋風”計算機上采用陰極射線管（CRT）做成圖形終端，并能顯示圖形。20世紀50年代后半期出現了光筆，由此開始了交互式計算機圖形學的研究。620世紀0年代前期的研制試驗階段，是交互式計算機圖形學發展的最重要時期。該時期較著名的交互式系統有：1962年美國學者Ivan. Sutherland研究“skrtchpad”系統；1964年美國通用汽車共識的“DAC-1”系統；1965年洛克希德公司推出的“CADAM”系統；貝爾電話公司的“GRAPHIC-1”系統等，但當時刷新式顯示器價格十分昂貴，CAD系統因此難以普及。

20世紀60年代末至20世紀70年代的商品化階段，交互圖形技術日益成熟并得到廣泛應用，此期CAD的發展著重于繪圖技術，幾何模型化及工程分析研究工作，仍以分離的單個軟件應用為主。此時它們大多是16位機上的三維線框系統及二維繪圖系統，只能解決一些簡單的產品設計問題。20世紀80年代的迅速發展階段，工業界開始認識到CAD/CAM新技術，大量推出了新原理、新方法、新軟件，并把單一功能軟件集成，使之不但能繪制工程圖形，而且能進行自由曲面設計、有限元分析、三維造型、機構及機器人分析與仿真等多種應用。與此同時，計算機硬件及輸入、輸出設備也有較大發展，32位的工作站可以和小型機、甚至中型機媲美，價格低廉的彩色光柵圖形顯示器占據傳統地位，計算機網絡獲得廣泛應用，所有這些都大大促進了CAD/CAM的更大發展。

改革開放30年來在國家統一規劃下，以汽車、拖拉機、減速器、內燃機、電動機、變壓器、汽輪機、軸承、發電設備、組合機床、數控等20多種機械產品為開發對象，開發上述產品的CAD應用系統及CAD方面，也推進了許多軟件，其中包括機械零部件的設計、傳動系統的設計、有限元設計、優化設計方法、數控加工、系統開發工具、結構形狀優化、運動學動力學分析、三維實體造型、數據庫等模塊。

進入20世紀90年底，我國的CAD技術出現了快速發展勢頭。筆者所編制的平鍵聯結的CAD程序，使用戶在1~2min內可完成原來需要數十小時的設計工作。它根據輸入的軸徑在數組K和數組a中查找與軸相配合的鍵高和鍵寬及鍵槽深數值，并給出尺寸公差和鍵長值，還可自動顯示軸徑或鍵長出界信息。目前國內大型設計院中，90%以上的計算工作量，50%的方案設計，25%的繪圖工作是用CAD完成的。

但總的來說，我國的CAD技術的實際應用領域還是很有限，尚未形成市場規模，與工業發達國家相比，還有很大差距。CAD技術在廣大企業中應用還僅僅處于起步階段。

2 機械CAD技術的發展趨勢

（1）集成化。為適應機械設計與制造自動化的要求，特別是近年來出現的計算機集成制造系統CIMS的要求，進一步提高集成水平是CAD/CAM的重要發展方向之一。當然，提高集成水平還要做以下方面工作：①在幾何造型方面，必須實現從傳統的實體造型到參數化特征的造型轉變，以便包括幾何信息在內的產品信息模型(包括幾何、工藝、加工、管理等信息)，創造CAD、CAPP，數控編程集成的必要條件。②CAD/CAM系統必須有自己統一的數據庫及其管理系統，數據庫的結構要以產品信息模型為基礎，使CAD/CAM系統內各模型都可以從統一的數據庫進行信息存取。③解決好不同CAD系統間產品模型數據轉換問題，應逐步內部應包括種類更多、功能更為完善的設計及應用軟件。例如CAPP軟件、面向對象的各種應用軟件、文字處理軟件等，使整個系統功能更為完善。

（2）智能化。①零部件設計。先后有三角帶、傳動軸、減速器、變速箱等智能CAD系統的開發。②方案設計和最優化選擇。③專家系統開發工具等。但目前在這方面還有以下兩個問題需要解決：一個是并行設計、方案設計、創新設計的智能化。發展新的設計理論和方法，特別是并行工程的設計理論以及概念設計理論，它們均是當前CAD系統。另一個是繼續深入研究機械設計型專家系統的一些基本理論及技術問題。如知識表達、知識獲取、推進機智、工具系統的研制等。

（3）標準化。隨著CAD技術的發展，工業標準化問題越來越顯示它的重要性。迄今已制定了不少標準，例如圖形設備標準GKS、PHIGS，面向不同CAD系統的數據交換標準IGES、STEP，此外還有窗口標準等。隨著技術的進步，新標準還會出現，而由此構成的STEP技術，將深刻地影響著產品的建模、數據管理、外部接口等。

3 我國“九五”期間CAD發展的任務

隨著我國科學技術的進步，國家對CAD技術的應用十分重視，以國家科委牽頭，國務院信息辦等10部委聯合組成了CAD應用工程協調指導小組，并在1992年開始實施“CAD應用工程計劃”。國家科委在“我國CAD應用工程發展綱要”中又提出：“九五”期間，我國將在國民經濟主要部門的科研、設計單位和企業大面積普及CAD技術，擺脫手工計算，甩掉繪圖板，實現工程設計和產品設計現代化，提高設計工作效率和質量，擴大我國的CAD市場，并建立起我國的CAD產業。提出機械、電子、工程建設、航空、航天、船舶等主要行業的大中型骨干企業和科研設計單位普及應用CAD技術，同時在全國各類企業事業單位中大規模推廣應用CAD技術，到2010年主要行業應用CAD技術的普及率和覆蓋率均應達70%以上。在國內CAD市場上，國產硬件與具有我國自主版權的支撐軟件和應用軟件所組成的CAD系統，其市場占有率應達30%左右，并力爭打入國際市場。實現國產CAD系統商品化，形成年產規模達2萬套CAD軟件系統的能力，年銷售額10億元，年增長率為15~20%，CAD應用水平達到國外發達國家20世紀80年代末90年代初的水平。在北京、上海、深圳、西安等地建立一批CAD軟件開發基地和相應的咨詢服務機構，并推出部分具有我國自主版權的有一定市場規模的CAD支撐軟件和一批商業化的CAD應用軟件、建立全國CAD應用工程培訓網絡，利用多渠道在職培訓大批CAD人才。

跟蹤國際標準，積極參加國際標準化工作，盡快把國際有關標準轉化成國家標準。加強CAD人才培養工。除全國工科院校學生要全面接受CAD技術基礎教育外，還要充分發揮各級CAD培訓網點的作用，每年培訓在職職工5~6萬人，加強對企業決策者的培訓工作。機械CAD技術在我國已有了良好的開端，隨著市場競爭機制的引入，機械工業對產品質量要求越來越高，更新換代周期越來越短，對CAD的需求也將越來越迫切。

Development of Mechanical CAD Technology

ZHAO Xin
（Shenyang Starlight Construction School，Shenyang，Liaoning 110026，China）

The development of computer aided design（CAD）technology has fundamentally changed the direction of study of mechanical design automation，greatly improved the machine design quality and efficiency shortened the cycle of product upgrades，which is leading profound changes in the field of mechanical design.

mechanical design；CAD technology；computer technology

TP391.72

A

2095-980X（2017）04-0038-02

2017-03-23

趙欣（1980-），女，遼寧人，大學本科，主要研究方向：機械。