淺談機械制造應用CAD技術設計發展趨勢

沈娜

摘要：本文基于機械設計領域的工作模式和特點，從基本原理、設計方法、設計效果等幾個方面探討了CAD技術在機械設計方面的應用。實踐證明，CAD技術在機械設計領域的發展起到了至關重要的作用，使機械設計提高到了全新的水平。

關鍵詞：CAD；機械設計

制造技術的智能化是制造技術發展的前景。近20年來，制造系統正在由原先的能量驅動型轉變為信息驅動型，這就要求制造系統不但要具備柔性，而且還要表現出某種智能，以便應對大量復雜信息的處理、瞬息萬變的市場需求和激烈競爭的復雜環境，因此智能制造越來越受到重視。在機械行業中，CAD是應用最為廣泛的計算機輔助設計軟件。現在，經過多次升級的CAD最新版本，使其繪圖功能有了更大的提高，繪圖方法更加多樣、更加靈活。對于機械設計人員來說，采用CAD繪圖技術，可以縮短設計周期，減少不必要的重復勞動，提高設計水平和工作效率。

一、CAD技術給機械設計帶來的變革

我國目前的CAD市場上已涌現了國外CAD/CAM/CAE 高端軟件、普及型三維CAD 軟件、二維CAD軟件平臺、國產三維CAD軟件等品種。由于三維CAD設計所得的立體圖更直觀、更易理解，不但可促進機械設計師思維的深入，也有助于設計的拓展，因而其得到了廣泛的運用。

（一）縮減了機械設計的周期

三維CAD機械設計有助于解決相對復雜的幾何造型難題。其可通過簡單的幾何實體經布爾運算等功能構建出各式各樣復雜的幾何實體，可自動生成截交線與相貫線，設計工作量大為減輕，機械設計周期也在原有程度上縮減了三分之一，機械設計與生產效率得以大幅度提升。使用三維CAD軟件進行機械的開發與設計時，僅需對部分零部件進行重新設計或制造，而大部分零部件設計將承襲既有信息，使得機械設計的效率提升了3倍以上。與此同時，三維CAD還具備高度的變型設計能力，可經快速重構生成全新的機械產品。

（二）零件設計與修正將更為便利

三維CAD軟件可在裝配環境下進行新零件的設計，也可利用相鄰零件的位置、形狀來進行新零件的設計，還可保障相鄰零件與新零件間的有序配合，規避了因零件單獨設計時存在的錯誤而引發的裝配失敗。如可在裝配環境下根據箱體的形狀或配合需求，快速而精準地設計出所需的箱蓋；此外，三維CAD使得零件的修改也變得極為便利，因零件環境中配有資源查找器，在進行機械零件造型時，查找器也同時將完成該零件時的所有命令羅列出來，只要點擊這些命令就可清晰地掌握該零件完成過程中的每個步驟，并可利用資源查找器中的零件回放功能將該零件造型的全部過程以動畫形式演示出來，需修改零件時，也可通過點擊查找器中相應的指令完成，更方便的是在進行零件裝配的條件下也可進行零件修改，通過點擊需修改的目標零件就可進入零件環境來完成修改。

（三）提升產品的技術含量與質量

由于機械產品設計與信息技術的結合，我們采用CAD設計技術與CIMS 來組織生產，使得機械產品的設計獲得了新的發展。三維CAD技術憑借其獨有的有限元受力分析功能等先進的設計手段，確保大大提升了設計產品的技術含量與質量。與此同時，多數企業的數控加工技術相對完善，通過采用CAD、CAM、CAPP技術來進行機械零件的加工，可收獲良好的一致性，保障了產品的質量。三維CAD機械設計不但可直觀地描述出設計對象的形態、大小、位置等特性，還可對被設計對象賦予體積、顏色、重心等多個信息，可實現被設計對象幾何形狀工作狀態的模擬與描述，從而更精準、全面地傳達設計者的設計意圖。

二、CAD技術在機械設計中的具體應用

CAD技術在機械設計中的具體應用主要集中在零件與裝配圖的實體生成、多維幾何繪圖、模具集成制造、機械CAE應用等方面。CAD技術更新了設計手段和設計方法，擺脫了傳統設計模式的束縛，引進了現代設計的觀念，促進了機械制造業的高速發展。

（一）零件與裝配圖的實體生成

CAD的只維建模有3種形式，即線框模型、表面模型和實體模型。具有實體建模功能的CAD軟件中都具有一些基本體系，如在CAD的三維實體建模中，系統提供了立方體、球體、圓柱體、圓錐體、環狀體和楔形體這6種基本體系。對一些簡單的零件，可通過對其進行結構分析，將其分解成若干基本體，先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，便可得到零件的三維實體模型。對于難以分解成若干個基本體的復雜零件，可在二維幾何元素構造中先定義零件的截面輪廓，然后在二維實體造型中通過拉伸或旋轉得到新的基本體，再通過交、并、差等運算得到所需要零件的三維實體模型。在零件實體模型構造完成后，利用CAD中的只維編輯功能即可實現對零件所在坐標進行裝配。

（二）多維幾何繪圖

機械設計過程中要處理的信息一般包含圖形和數據2種。其中，繪圖的工作量較大，約占70%左右。而隨著CAD技術的發展，CAD各種繪圖軟件的功能也日趨強大。CAD繪圖軟件的主要功能包括：交互式繪圖、圖形編輯、標準尺寸、文字、填充剖面、調用圖塊、區分層次以及實現圖形交換等。

（三）模具集成制造

隨著科技發展，制造業的生產技術不斷提高，從過去的普通機床到現在的數控機床，從傳統的人工設計和繪圖到現在的CAD技術，機械制造業逐步走向了信息化。與此同時，模具CAD/CAM技術、模具激光快速成型技術等，也基本包含了整個現代機械制造技術。一個較為完整的CAD/CAM系統是由三維繪圖、圖形編輯、數控加工、曲面造型、動態顯示、仿真模擬、圖形編輯以及有限元分析等這些模塊組成的，這些模塊以工程數據庫為基礎，而實體造型是工程數據的主要來源。

（四）機械CAE的應用

機械CAE系統具備結構優化設計、工程數值分析、壽命評

估、動力學/運動學仿真以及強度設計評價等功能。運用CAD技術解決造型問題后，便可由機械CAE解決設計的若干問題，如設計的合理性、剛度、強度、壽命以及動態特性等。

三、基于CAD技術的機械制造技術發展趨勢

隨著計算機技術的不斷革新，信息技術的普及及信息處理的智能化，使得CAD技術正趨于智能化、集成化的方向發展。

（一）智能化

所謂智能化就是將計算機科學領域中富有智能化的學科和技術應用到機械設計CAD系統中，如知識工程、機器學習、聯想啟發、推理機制、專家系統等技術。隨著計算機硬件性能的迅速提高和三維CAD技術的逐步完善，在輔助設計的基礎上，融合機器學習、智能推理和技術，使機械設計的CAD系統提高智能化的水平，具備學習能力，應用專家的經驗和知識的機制，已成為眾所矚目的發展方向。這里所指的“智能化”主要是對機器行為的描述，是基于控制理論，吸收人工智能、計算機科學、模糊數學、混沌動力學等新思想、新方法，模擬人類智能，使它具備邏輯思維、判斷推理、自主決策等能力，以期得到更高的控制目標。誠然，使機械設計產品具有與人類完全相同的智能性是不可能的，也是不必要的。但是，高性能、高速的微處理器使CAD 機械設計賦予低級智能或人類部分智能，則是完全可能而又必要的。

（二）集成化

當今CAD技術發展的一大明顯趨勢為集成化，CAD技術并非孤立存在的，首先其集合了外圍設備、計算機軟硬件、網絡、數據庫、圖形學等多個應用領域的技術。同時又不斷與CAM、CAPP、MIS系統、PDM、MRP等系統相統一。再加上互聯網技術的發展，使得種種合理的設想均得以實現。如何構建基于Internet體系的CAD、CAM 集成化系統必將成為日后發展的熱點。尤其是在全球經濟一體化的發展背景下，基于Web技術并兼具工程、異地設計與制造等理念的集大成者的設計制造系統將會成為機械設計與制造企業的新寵。現有的3D-XML、XML可解決異構平臺問題，其獨有的多層圖像表示法對復雜的幾何數據具有良好的壓縮能力，且生成的3D圖形精準度較高，轉換后模型可維持原有CAD模型關于產品結構、材質、尺寸等草圖信息的描述，以及可實現三維圖像在互聯網上共享的VRML標準編程軟件的出臺與運用均為日后建立協同設計與工作的環境打下了堅實的基礎。

四、總結

綜上所述，CAD技術的進步必將推動機械設計與制造技術的進步，盡管目前我國的CAD技術取得了喜人的成就，但與國外水平相比仍具有較大的差距，不斷加大CAD技術的研發力度是我們今后工作的重中之重，從而促進機械制造整體的發展。