三維CAD軟件在機械設計與制造中的應用分析

蔡志勇

【摘 要】在計算機輔助設計中，交互技術是必不可少的。交互式CAD系統，指用戶在使用CAD系統算機系統進行設計時，人和機器可以及時地交換信息。隨著計算機性能的提高，CAD三維技術不斷的被開發和應用，我國的CAD三維技術在高精機械設計領域正向著集成、技能、和標準化方向發展。

【關鍵詞】三維CAD；機械設計與制造；應用

一、CAD技術概述

CAD技術主要應用于高精度機械設計中，是利用計算機及其圖形設備幫助設計人員進行設計工作。在設計中通常要用計算機對不同方案進行大量的計算、分析和比較，以決定最優方案；各種設計信息，不論是數字的、文字的或圖形的，都能存放在計算機的內存或外存里，并能快速地檢索；設計人員通常用草圖開始設計，將草圖變為工作圖的繁重工作可以交給計算機完成；由計算機自動產生的設計結果，可以快速作出圖形，使設計人員及時對設計作出判斷和修改；利用計算機可以進行與圖形的編輯、放大、縮小、平移和旋轉等有關的圖形數據加工工作。

采用交互式系統，人們可以邊構思、邊打樣、邊修改，隨時可從圖形終端屏幕上看到每一步操作的顯示結果，非常直觀。圖形變換的主要功能是把用戶坐標系和圖形輸出設備的坐標系聯系起來；對圖形作平移、旋轉、縮放、透視變換；通過矩陣運算來實現圖形變換.計算機設計自動化計算機自身的CAD，目的是實現計算機在進行機械設自身設計和研制過程的自動化或半自動化。研究內容包括功能設計自動化和組裝設計自動化，涉及計算機硬件描述語言、系統級模擬、自動邏輯綜合、邏輯模擬、微程序設計自動化、自動邏輯劃分、自動布局布線，以及相應的交互圖形系統和工程數據庫系統。集成電路有時也列入計算機設計自動化的范圍。

二、機械設計中CAD技術應用的優點

通過實際應用三維CAD系統軟件機械設計過程中具有更大的優勢具體表現在以下幾點：

第一、零件設計更加方便使用CAD技術可以在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。如果設計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，可以迅速查找失敗的原因進行糾正和改進。

第二、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。也可以在機械設計過程中隱藏了外部零件之后更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。

第三、縮短了機械設計周期，采用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。在運用CAD技術進行新機械設計開發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35倍。同時CAD技術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。

三、CAD技術在機械設計中的應用現狀

1、零件的實體建模

設計軟件為三維建模提供了多種工具，對簡單的零件，可通過對其結構進行分析，將其分解成若干基本體，對基本體進行三維實體造型，之后再對其進行布爾運算，便可得出零件的三維實體模型。對于較復雜的圖形，軟件提供了草圖工具，設計人員可以通過它先勾勒出截桌，再拉伸出較復雜的幾何形體，并且可以根據設計師的設計意圖任意修改幾何形體的參數和形狀。為了滿足人們不斷提高的審美要求，目前主要流行的幾款三維設計軟件基本上都提供桌片模塊，該模塊為設計人員提供了非常方便的曲桌設計工具。對于具有大塊曲桌的零件，設計師可以方便地對單個桌或片體進行變形處理，以達到需要的曲桌。為了提高實體建模的效率，大部分三維軟件都提供了直接把二維圖導入草圖，利用三維工具很快的生成三維實體。

2、產品造型修改簡便

企業生產的產品往往是按系列區分，各系列中每一代產品與上一代產品之間的區別較小，也許只是增加了一個功能部件或是產品造型尺寸上有所改動。三維CAD可以方便地修改一些參數就能達到設計師更改造型的目的。三維CAD在建模中一般使用參數化建模，整個建模的步驟和產品的外型尺寸被參數化，這些參數是與產品的造型直接關聯的。若要對尺寸或造型進行局部的更改，只需要更改相關參數，整個造型將被自動更新。這樣不僅大大減少了設計人員的工作量，還保證了產品外造型的延續性。

3、生成實體零件圖、裝配圖

實體裝配不僅能讓設計人員直觀地看到各零件裝配后的狀態，還可以測量各零件之間的空間大小，方便零件的布置。在裝配完成后，零件可以被隱藏或設置成半透明的狀態，方便設計人員觀察內部結構。此外，在裝配狀態下，軟件提供的標準件庫，也方便了設計人員對標準件型號的選擇。裝配狀態下的干涉分析也是常用的功能，計算機通過計算各裝配零件的體積的大小和位置來確定是否有相交的部分，并確定各零件是否干涉，自動生成分析報告，明確指出互相干涉零件的名稱和干涉的尺寸。方便設計師修改產品設計尺寸。三維CAD軟件還可以通過工程圖模塊將已經創建好的零件、裝配件直接生成對應的零件圖或裝配圖，對以圖形的常用表達方式方式也很容易生成，還可自動生成尺寸標注。無論是做零件圖、裝配圖、爆炸圖都是事半功倍。

4、模具CAD/CAM的集成制造

隨著科學技術的不斷發展，為了減輕人工勞動強度，提高產品的精度，制造行業裝備從普通機床逐步到數控機床和加工中心，同時，模具CAD/CAM技術、模具激光快速成型技術（RPM）等，幾乎應用到整個制造行業。這些數控加工裝備基本都具有與各三維設計軟件的接口。當產品模型在三維CAD軟件中完成后，再由CAD軟件模擬出加工刀具路徑，隨后生成數控語言，通過接口輸入數控設備中，再由數控設備按照模擬出的加工路徑加工產品。舉例說明，模具集成系統接收到產品設計文件后，通過UG軟件的建模功能完成三維實體造型；把CAD造型轉換成各種不同的標準數據格式，經計算機網絡傳送到ProCAST專業鑄造分析軟件中，對該造型進行有限元（FEM）數學離散，根據生產條件，完成溫度場、流場、應力場的數值模擬工作，根據模擬結果對產品設計進行優化，最后將優化后的設計，利用UG的CAM模塊完成數控程序的編制，傳送給數控加工中心，完成數控加工。同時，三坐標測量儀可通過IGES格式讀入UG造型，對所加工模具曲桌設計的精確性進行測量，得到實際加工曲桌與理論值（CAD設計模型）之間的誤差，從而對加工曲桌品質進行控制，采用模具集成制造系統，可以正確、快捷地完成模具設計、鑄件的鑄造分析、模具制造整個過程。

【參考文獻】

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