機械工程設計中CAD 技術的應用

王 春 徐留明

（鐘山職業技術學院，南京 210049）

計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）技術是設計工程師群體中運用較多的一種設計技術，該技術的科學利用可以使機械工程設計工作更加合理[1]。設計時，通過聯合運用有關輔助軟件即可制作出想設計的內容，然后經過復制、修改以及比較制作出產品的多個設計圖，最后聯系實際情況做好全面的分析選出最佳設計方案[2-3]。在機械工程設計工作中，科學運用CAD 技術手段，能夠使CAD 技術擁有更好的發展前景。

1 我國CAD 技術的現狀

在20 世紀的70 年代，我國就已經展開了CAD技術的研究，設計人員通過采用計算機等輔助設備設計比較復雜的工業產品，并計算曲線擬合數值，明顯提升了工作的質量。在20 世紀80 年代時，一些大型設計院和企業開始引進CAD 系統，這項技術手段逐漸得到普及和發展。從20 世紀90 年代以后，國內的很多大型企業以及科研單位、高校等加大了研究開發CAD 系統的力度，得到了用于繪圖、分析、計算和圖紙檔案管理的CAD 軟件[4]，如圖1 所示。與國外的一些發達國家相比，我國的CAD 技術開發較晚，雖然在不斷進步發展，但是技術差距仍然較為明顯，如CAD 軟件功能相對單一、缺少足夠的穩定性、集成度低、競爭力有待提升、未能充分應用CAD 系統深層次功能以及對于CAD 系統二次開發的力度不夠等[5-6]。另外，該類技術的資金支持不足、商品化程度較低、營銷手段落后、企業重視程度有待提升、國家對標準的制定有待提高以及缺乏專業技術人員等也是影響到CAD 技術發展的關鍵性因素。

圖1 軟件功能界面圖

2 CAD 技術應用于機械工程設計領域中的優勢

2.1 縮短工程設計時間

傳統的繪制軟件不能達到設計參數化的目標，已經滯后于迅速發展的機械工程。隨著CAD 技術的不斷發展，此缺陷問題得到了解決，該技術不但能夠將設計問題參數化，而且能夠調整設計產品的機械結構[7]。CAD 技術通過模型的尺寸、結構變化以及形狀等信息能夠選取最優圖形展開所需繪制，同時能夠按照零件部位、形狀等合理調整零件圖紙，從而完美呈現零部件自身結構，而且能夠規避零部件之間不匹配的問題，CAD 技術繪圖原理，如圖2 所示。

2.2 保證機械產品質量

在信息化技術的時代背景下，很多機械工程企業為得到最優經濟效益，通常采取CAD 這種先進的技術手段，從而在根本上改變機械零部件設計的質量，通過采取這種先進的技術，切實提升了零部件的設計水平[8-10]。CAD 軟件技術能夠輔助獲得更高精度的機械工程設計結果，使機械零部件的生產更加標準化、智能化，從而保證實際生產所得產品更貼近于具體情況，同時還能夠使設計圖紙更科學合理，從而減少設計結構的偏差問題，提升機械產品的綜合質量，是確保機械零件生產質量更高的重要手段。

3 CAD 技術在機械工程設計中的應用情況

3.1 CAD 軟件的使用

現代機械工程設計領域中，繪圖處理技術是提高設計質量的關鍵性技術手段，其中CAD 繪圖處理技術是當前機械工程設計以及有關的制造行業中應用率較高的繪圖處理技術手段[11]。隨著CAD 繪圖處理技術的不斷完善發展，這種技術的繪圖處理功能越來越強大。

計算機輔助設計軟件中的CAD 輔助技術，是采用CAD 軟件展開輔助繪圖，并運用軟件、插件等設計出機械產品所需要的尺寸和規格等參數的技術，從而更加直觀、準確地表達產品的結構信息。繪圖是機械工程設計中非常關鍵的環節，運用CAD 技術繪制產品結構圖紙，能夠減少設計人員的工作量，避免以往人工繪圖、經驗繪圖中的各種不足和缺陷等問題，提升繪圖工作的可行性[12-13]。繪圖完成以后，需要明確標注數據信息，從而更精細化地呈現整體設計工作。通常CAD 軟件中的功能包括編輯圖形、交互式繪圖、層次區分、圖塊調用、剖面填充、文字、標準尺寸以及交換圖形等功能，如圖2 所示，科學利用各項功能能夠迅速繪制出精準度較高的符合工程實際的設計圖。

圖2 CAD 技術繪圖原理

3.2 機械建模的運用

通常，機械設計工程師制造產品之前會對新設計的各種產品零部件展開針對性的機械建模，同時分析并觀察實際產品的狀態，以掌握其尺寸、外觀、物化性質等信息，從而保障新設計生產出的機械產品符合用戶的實際應用需求[14]。

機械工程設計中，CAD 技術中的機械三維造型以及機械設計的最終實體造型屬于重要的造型方法，可以方便設計者觀察設計出的產品，同時合理推斷產品的生產工藝[15]。生產機械工程相關產品的過程中，應該先以建模的形式構建最優狀態的機械工程產品模型，從而獲得更加科學的數據資料，保障得到的信息準確可靠，以便于研究設計出的機械工程產品的理化性質。一般情況下，機械制造業在實際設計生產中，若不能準確地收集、分析機械工程模型的數據來進行設計和修改，就會導致諸多問題，從而對接下來的工作產生影響，如產品會產生不充分的抗壓能力、較低的理化性質、韌性不足問題等[16]。為了運用好已有機械工程相關的設計模型，機械設計工程師在設計生產過程中應該保障設計參數準確，以免產生機械設計零件不達標的現象。

運用三維建模這一技術手段，可以直接從三維軟件中建立起相應的機械工程設計模型，如圖3 所示，從而減少產品結構不合理、整體誤差以及設計重構等問題，提升產品的設計質量，縮短產品設計時間，提高整體工作效率。

圖3 三維建模

3.3 優化機械設計結構

將CAD 技術應用于機械工程設計中，一方面能夠實現機械工程相關產品設計的繪圖和建模，另一方面能夠在生產期間進一步優化和完善零件的機械結構，以便于展開科學的機械力學分析，從而使有關產品能夠達到實際標準，推動優化和升級機械設計結構。在機械工程設計領域中運用CAD 技術，能夠在之后的機械力學分析設計中建立模型零件，以便于展開針對性的試驗操作，在之后的工作中就能按照試驗結果以及分析的結果調整并優化設計零件的結構，從而保障機械產品的性能及質量水平，提升設計工作的效率和有效性。

在現代機械工程設計領域中運用相應軟件、插件是CAD 設計的重要優勢，不但能夠監測各設計人員整個圖紙的設計過程，而且能夠分析整個設計圖紙制作過程的穩定性，從而找到其中的缺陷和不足，再通過聯系實際情況和各項要求標準，就能對設計圖紙展開可行性評價。CAD 技術的應用，可以分析設計人員的工程設計圖紙并展開建模、評價，促使零件模型進一步優化，從而保障機械工程制造過程中的可靠性，減少差錯問題，提升設計質量。

3.4 CAD 技術的智能化應用

隨著社會的發展，智能化技術已經被廣泛應用于生產以及生活中的各個領域，從而帶動了機械工程設計穩定發展。基于主管層面的角度，保障智能化的思想理念、技術策略、產品等符合人性化的需求，并使其滿足現代社會人們的多樣化需要，能夠明顯拓寬設計方案的范圍，突破傳統設計的局限性。在科學運用CAD 技術智能化模式后，可以促進機械工程設計工作向更深層次發展。

首先，CAD 技術智能化的應用，可以聯系實際的需求以及數據分析的結果構建有關設計方案。其次，通過采取先進的CAD 技術優化處理操作步驟，能夠減少人為設計產生的弊端。最后，將CAD 智能化技術推廣應用以后，逐漸增加實際設計的智能化內容是推動機械產品智能化進一步發展的重要保障，這樣不僅可以多方面顯示產品的功能，而且能夠增強產品自身的利用價值，從而帶動機械行業穩定可持續發展。

4 未來CAD 技術在機械工程設計中的應用發展趨勢

4.1 集成化發展

近年來，隨著我國數控加工技術發展速度的加快，應用到CAD 技術的領域更多，這項技術針對機械工程、工藝的設計方面產生的作用也更加凸顯。然而，并不是所有的CAD 技術均擁有此類集成化的功能，設計人員在采取CAD 技術的基礎上，只有科學分析模型結構，同時全面把控設計中的市場需求信息，才可以開展相關的設計與分析，設計過程與CAD 過程的關系如圖4所示。正是由于CAD 技術的集成化發展，才可以優化煩瑣的計算程序，增強程序的計算精度，從而達到不斷提升機械工程設計效率與質量的目的。

圖4 設計過程與CAD 過程的關系

4.2 虛擬化發展

應用CAD 技術能夠促進現實技術的虛擬化發展，而且在普及運用CAD 技術手段以后，也能夠帶動有關虛擬化技術健全與完善發展。通過分析現實技術的虛擬化信息，能夠了解機械工程設計中已經大量應用的虛擬現實技術，如以模擬操作的方式分析產品結構與質量等。

4.3 參數化和網絡化發展

參數化在計算機硬件技術不斷發展的情況下獲得了發展，CAD 技術也逐漸從二維繪圖發展至三維建模。參數化以及變量化的設計思想不斷加強，明顯降低了設計工作工作量，這也是CAD 技術的重要發展趨勢。以參數約束設計對象，可以更加精確地表達出形狀結構的設計結果，形成產品的集成信息模型。另外，在電子商務經濟高速發展的背景下，CAD 技術會面向網絡化獲得更先進的發展，此時在設計期間采用CAD 技術，能夠更快地將設計方案與圖紙傳送到生產場所，以達到動態化分析的效果，從而提升生產效率，節約生產成本，為企業創造最優的經濟效益。

5 結語

在機械工程設計領域運用CAD 技術，能夠提升機械產品設計制造的效率，減小實際生產的誤差，同時在保障機械零件質量的情況下，還可以增強機械產品整體的質量水平，使機械工程設計具有更高的核心競爭力。隨著計算機技術的功能不斷完善，信息處理呈現出了智能化的發展趨勢，工程設計人員應該全面認知CAD 技術，掌握好設計的各個環節，才能創造更多的經濟效益和社會效益。