基于CAD 在機械設計中應用的探索性研究

劉碧云

（廣東省機械技師學院，廣東 廣州510450）

我國在邁向制造業強國的道路上，必然要發展機械設計與制造行業。CAD 技術是機械設計中必用工具，它將設計人員從繁瑣緩慢的手工繪圖中解放出來，使設計人員工作效率更高。CAD 技術針對不同層級的人員有不同層級的應用模塊可學。其工具性強，適用于各不同行業，且優勢突出，在大量行業中應用廣泛。CAD 對行業的發展能起到強力作用，甚至可以提高行業的經濟效應。

1 CAD 的概述

1.1 CAD 的基本概念

CAD 全稱Computer Aided Design，計算機輔助設計，是利用計算機輔助設計人員進行工作的技術。正如其名，計算機以其強大的計算和存儲功能，在CAD 技術中起到核心作用。計算機能在大量不同方案中快速比較并抉擇出最佳方案，存儲各種設計信息并快速提取，將草圖便捷地轉換成工作圖，快速地將圖形轉換成程序并進行編輯加工。CAD 技術是制造業中的常用工具，它能將設計產品轉化成模型，在各行各業中都有創新性應用。裝修樓房建筑和工業零件制造都可以借助CAD 進行設計和二維圖樣的轉化。CAD 技術作為研究課題而言，有幾大特點造就了它的前沿地位：知識網絡緊密、智商要求高、經濟利益轉化快、對綜合能力要求高。

1.2 CAD 的歷史

二十世紀中葉麻省理工研究人員建立了CAD 的雛形，并在此基礎上發展出三維CAD 技術。由于昂貴的成本，在我國最初只應用于高端且極其重要的工業線。隨著我國經濟的（轉下頁）發展，它在我國各行業也更加推廣。

2 CAD 在機械設計中的應用

2.1 零件實體建模

零件建模就是確定零件所需特征的過程。零件與特征之間的關系是具有層次性的。設計人員構建零件的生產模型，需要借助強大的空間想象能力，結合零件建模的經驗技巧,使用合理的方法，才能完成任務。三維CAD 技術中主要的建模形式是表面模型、線框模型和實體模型這3 種。CAD 設計中包括六類基本體: 球體, 圓錐體, 楔體, 立方體, 圓柱體和環形體。在CAD軟件中，設計師將零件拆分成基本體，再將各個基本體進行數據優化，進而得到最優模型。運用CAD 技術，工程師可以根據產品的要求創建與要求尺寸完全相同的模型，提升機械工程設計效率，減少人員的工作量。三維CAD 軟件還能將零部件的實體模擬出來以便進一步修改。

2.2 裝配體建模

裝配體建模是借助CAD 軟件把零件裝配成模型的過程。機械設計的對象除零件外還有各零件間的組合方式。善用三維編輯功能的設計人員能夠在一定程度上對機械產品零件進行合理裝配，最終實現裝配圖的實體生成[2]。裝配需要確認的除零件位置外還有零件參數。

2.3 模具的集成制造

模具集成制造是CAD 的重要應用。模具CAD 指用CAD 進行模具設計。借助CAD，機械設計與制造人員能夠系統全面地進行模具集成制造。尤其是激光快速成型技術，為設計師給予了許多便利。倘若與其他技術融合，就能對學科總體造成極其正面的影響。如今科學技術發達，模具CAD/CAM激光快速成型技術已被廣泛利用。CAD 使模具的設計質量不斷提高，從而維持機械設計水平向上的發展趨勢。

2.4 輔助繪圖、設計機械

傳統的機械設計一般需要大量的手工繪圖，而手工繪圖大多數情況下會降低信息的準確性和整體的美觀性，且效率低下。CAD 軟件制圖借完成繪圖指令來提升機械設計圖的質量和效率，已經取代手工繪圖成為新的主流。機械設計制圖總體水平呈向上趨勢。

3 CAD 在機械設計中應用的優勢

3.1 直觀

CAD 技術的二維功能和三維功能都能為設計師提供許多便利，尤其是三維功能的直觀性。CAD 三維立體模型的設計能夠設置每一個零部件材質，不同材質有不同顯示，能一眼看出整體模型在更深層意義上的構成。

3.2 參數化，易于調整零件

CAD 的參數化是給設計師在調整的便利、提高設計效率的原因。機械設計一般設計師手工用繪圖工具進行設計，每次修改都要全盤重新繪制，增加許多無意義的工作量，影響設計工作的順利進行，偏偏這種修改又是無可避免且頻繁的。使用CAD 軟件時，當需要修改個別零件，可以通過修改周邊零件來容許其自然加入原有設計，提高了產品模型的精度和質量，避免了無意義的重繪工作，使機械設計效率提高。結合模型數據庫，設計師可以在遵循設計理念的同時，組裝或是拆散相關的設計圖形。通過參考待修改零件的周邊零部件，設計師可以便利地直接更改該零件的參數。三維CAD 軟件可詳細展示出所有零部件的裝配形式，使模擬裝配更加可靠，在實際裝配中減少出差錯的風險。通過查看模型，可以便捷地發現問題，易于修改。裝配的歷史修改記錄系統允許設計師隨時調查每個零件的修改過程。

3.3 提高設計效率，縮短設計周期

CAD 技術能夠改善機械設計的工作方式，將手工作業替換成機械作業，減輕設計師的工作壓力，提升工作效率。曾經的人工手繪建立在人腦空間想象能力的基礎上，難度高，需要考慮結構反復核實修改，操作繁瑣，容易因小錯變得難以挽回。在這個過程中會浪費大量時間和人力資源。CAD 軟件只要輸入數據就能生成機械設計圖。CAD 保證數據準確無誤的同時，能夠修改相關數據并保留，對重要設計能強調顯示，方便查看和修改。CAD 軟件可以保存歷史數據樣本，允許設計師調動并重復利用，需要重新設計與制造的僅部分零部件，將設計效率提升3 倍以上。據調查顯示，當今機械設計所需時間僅過往的百分之六十。

4 結論

在當今，機械設計輔助技術愈發智能化、自動化、科技化。通過CAD 技術，設計師能提升工作效率和設計的標準化程度。CAD 技術的進步，不僅幫助了廣大設計師，而且提高了行業整體水平，對企業也有很大的正面影響。