機械CAD技術的發展及應用

任思杰，郭術義，楊 賽，張鵬博

(華北水利水電大學，鄭州 450045)

0 引言

我國早在2015年就提出“中國制造2025”這一宏偉計劃，使工業發展進程加快。機械CAD技術在機械工業發展中的作用越來越大，幾乎涵蓋了整個機械產品的設計過程，主要用于圖像的設計和處理，以及信息和數據的儲存、分析、計算等[1]。機械CAD技術作為機械領域的常用設計技術得到了快速的發展。

1 機械CAD技術簡介

機械CAD技術即計算機輔助設計技術，機械設計人員在計算機上對想要設計的對象進行圖形建模、信息處理、數據分析等操作，并形成設計方案[2]。機械CAD技術將人與計算機的特點結合起來，將設計人員的邏輯思維和創新性想法通過計算機的高速運算，直觀地將運算結果和模型呈現在設計人員面前，供設計人員進行設計參考和編輯修改。

目前，機械CAD技術廣泛應用在機械工業的整個過程中，機械設計中利用CAD設計軟件，對機械產品進行繪圖、建模、實體渲染以及數控仿真等[3]。現代化的制造業已經離不開 CAD 技術，它在產品設計和智能制造方面發揮著至關重要的作用。

2 機械CAD技術的發展史

20世紀50年代，美國麻省理工學院在旋風計算機上采用陰極射線管(CRT)做成圖形終端[4]。是CAD技術準備、醞釀、誕生的階段。

20世紀60年代，美國麻省理工學院(MIT)做了CAD的開拓研究工作, 發表了有關CAD的論文，CAD術語出現，交互式繪圖，CAD技術產業逐漸形成[5]。此時CAD技術到了初級應用階段。

20世紀70年代，CATIA軟件誕生于達索航空內部的軟件開發項目CADAM1、CADAM2，改變了以往只能借助油泥模型來近似表達曲面的工作方式，使人們可以用計算機進行曲線、曲面的處理操作[6]。這成為了CAD技術的第一次革命。1979 年，悉尼大學J.S. Gero 教授組織了第一個智能CAD 國際性學術會議，編輯并出版了一本論文集[7]，是人工智能和CAD 研究的正式結合。1979年美國的SDRC公司推出了世界上第一個基于實體造型技術的大型CAD、CAM軟件——I-DEAS。實體造型技術能夠精確表達零件的全部屬性，在理論上有助于統一CAD、CAE、CAM的模型表達，成為了CAD技術的第二次技術革命。

20世紀80年代，CV公司內部提出了參數化實體造型方法，它的主要特點是基于特征、全尺寸約束、全數據相關、尺寸驅動設計修改，這是CAD技術的第三次技術革命。IFIP 接連召開了關于“智能CAD”的專題學術會議，交流和總結智能CAD 技術的進展情況[8-9]，明確了智能CAD 研究的范疇、方向、方法和重點。1983年我國召開了全國第一次CAD工作會議[10]，為我國CAD的發展起到了推動作用。

20世紀90年代，SDRC公司的開發人員以參數化技術為藍本，提出了一種比參數化技術更為先進的實體造型技術——變量化技術，這是CAD技術的第四次技術革命。1991年我國科委起草了《關于大力協同開展我國“計算機輔助設計(CAD)應用工程”的報告》[11]，形成了我國CAD產業的起步階段。2019年召開的“國產CAD發展技術研討會” ，標志著我國CAD產業趨向成熟。

3 機械CAD技術的優勢

3.1 降低設計成本

與傳統的機械設計相比，機械CAD技術可極大地降低企業產品的設計成本[12]。使用機械CAD技術在計算機上可以對機械設計的全過程進行模擬規劃，從設計圖紙到產品生產，期間可以采用相同的設計標準，提高研究人員的設計效率，降低了企業的產品設計成本。

3.2 優化產品設計

使用機械CAD技術進行產品設計，可以有效貫徹綠色設計的理念，確保產品在整個生命周期內對環境和資源的影響最小化，在設計中要考慮到產品的可拆卸性、可回收性等，這些特性將會融入到設計的各環節[13]。此外還可以利用機械CAD技術對產品進行動態模擬，確保設計的產品在理論上可以實現，同時方便觀測設計的效果，及時對產品設計進行優化[14]。

3.3 促使設計智能化

利用機械CAD技術，設計人員可以在設計的過程中，便捷地利用繪圖工具和存儲功能設計數據，還能及時引入特征參數。同時在設計中，還需要各種信息的標準化和規范化集成、機械結構的可變量設計等方面功能，避免了人工完成耗費大量資源的弊端，使用機械CAD技術的智能化處理，設計人員只需要在推薦的幾種參數下選擇合適的即可，使設計更偏向智能化。

4 機械CAD技術在常見領域的應用

4.1 石油機械領域的應用

1988年，張曉東就提出了發展石油機械CAD技術的幾點設想，根據石油機械的特殊性，重點研發一些專用軟件，實現專用零件(如鉆機底座、卡盤、吊環等)的CAD設計[15]。石油機械CAD技術使設計偏向虛擬化和網絡化，可以對石油機械設備進行靜態和動態分析，有效提高機械設計和生產過程中的效率[16]。

4.2 農業機械領域的應用

農業機械CAD技術利用機械CAD技術為平臺，以農業機械零件庫、動力機械庫以及農業機械設計建模為支撐，建設高效通用的農業機械CAD平臺[14]。目前，農業機械CAD技術正在逐漸偏向智能化發展，在人機交互方面取得了一定的突破，可以記錄設計人員的常用操作，為設計人員減輕工作量。

4.3 礦山機械領域的應用

機械CAD技術可以提升礦山機械設計的便捷性和礦山機械產品的質量。使礦山機械在裝配的過程中，各個零部件之間的配合關系可以通過模型在設計人員眼前直觀再現，若發生裝配錯誤便會及時發出示警，提高了設計了的精確性[17]。

5 總結

機械CAD技術從開始研發到現在大規模的商用，解放了設計人員的雙手，提升了設計人員的工作效率。隨著科技進步，對制造業產業升級的要求越來越高，機械CAD技術也會隨之不斷得到提升。本文通過梳理機械CAD技術的發展歷程，有助于設計人員提高對機械CAD技術的理解及應用。