CAD在機械設計中實施及機械制造技術新發展芻議

梁秀娟，嵇海旭

（廣東海洋大學機械與動力工程學院，廣東 湛江 524008）

在國內，機械設計中的機械制造技術已經成功引入CAD技術，結合CAD技術的集成化、智能化與敏捷化特征，就基本解決了機械企業生產過程中的重復性設計、信息資源利用率整體偏低等等問題，同時也通過技術水平提升有效縮短產品開發周期，滿足經濟效益與應用前景發展提升。

1 CAD在機械設計中實施及機械制造技術的集成化創新發展趨勢

1.1 集成化創新技術發展概述

目前的計算機集成制造CIMS生產已經被認定為新世紀的核心生產方式，其中CIMS生產體系中就囊括了多個相互關聯部分，結合系統組成主要劃分為三大部分：

第一部分中就引入了CAD技術，它主要基于工程技術基礎建立信息系統，其中也包括了計算機輔助工程分析CAE技術，另外還配搭數控程序編制NCP系統等等；第二部分是管理信息分系統MIS配合經營管理BM系統。這其中的財務管理系統FM與人事管理系統LM都發揮了重要價值作用；第三部分是制造自動化系統MAS系統，它其中融入了計算機數控單元CNC、加工中心MC以及柔性制造單元FMS，再配合工業機器人Robot就能夠實現自動裝配技術有效應用。

可以見得，上述三部分技術內容系統的構建充分體現了CAD在機械設計中實施及機械制造技術的集成化創新技術優勢，結合計算機強大的圖形處理能力與數值計算能力來輔助工工程產品設計與分析過程，達到理想目的效果。在創新成果技術過程中，主要基于CAD技術來保證產品設計效率飛速提升，同時結合CAM（Computer Aided Manufacturing）技術與產品數據管理技術PDM（Product Data Management）體現技術集成一體化優勢，凸顯CAD在機械設計中的機械制造技術創新發展與應用效能。

1.2 集成化創新技術發展要點

在集成化創新技術發展要點中，主要應用三維CAD技術在機械設計中凸顯其技術優勢。

具體來講，就是將三維CAD系統軟件與二維CAD在機械設計過程中作比較，體現巨大技術優勢，大體上表現為以下4點。

（1）其零件設計趨于便捷化發展，在采用CAD三維技術系統過程中，主要結合配置環境設計零件應用，確保利用相鄰零件位置形式來設計新零件，整個設計技術應用過程方便快捷，能有效規避單獨設計零件可能導致的裝配失敗問題。而在結合資源查找零件造型過程中也可以設置3D動畫演示體系，例如將三維坐標直接轉換為二維坐標展示到屏幕上，確保模型展示生動化。這一轉換環節主要包含了諸如視點轉換、模型轉換、投影轉換、規范化轉換等多個部分。轉換后的模型可以正常顯示在設備屏幕上，參考圖1。

圖1 三維模型轉二維模型示意圖

在模型轉換過程中，需要針對對應位置進行矩陣變換計算，結合模型視點矩陣對模型視點進行變換，有效調整物體位置，實現模型物體的位置、姿態全面轉換。在這一過程中，CAD技術希望在機械設計制造過程中發揮優勢，例如將視覺對象裁剪開，顯示立方體視覺景象，生成正視投影矩陣，保證投影生成圖像伴隨視點物體距離變化而發生變化，始終保持物體大小一致，如圖2。

圖2 CAD技術模型平行投影示意圖

（2）結合上一點集成化設計，要確保裝配零件逐漸朝直觀化方向發展，設置資源查找器裝配路徑明確化，記錄不同零部件之間的裝配關系，確保裝配正確。從這一點看來，裝配零部件是可以隱藏的，它確保內部裝配結構優化，體現整機裝配模型實現運動演示優化，對于CAD技術模型的平行投影運動形成提出了一定技術要求。在有效規避產品生產之后的諸多問題同時，也希望有效滿足檢驗技術要求，做好設計更改，提高機械指導技術應用效率與價值。

（3）它縮短了機械設計制造技術生產周期，因為這其中采用到了大量的CAD三維技術，在機械設計時間方面有所縮短（縮短至少1/3），這大幅度提高了機械制造技術的整體設計與生產效率。在這里還運用到了三維CAD系統開發設計技術內容，結合部分零部件重新設計與制造過程來調整信息技術應用，確保機械設計生產效率大幅度提高3～6倍左右。另外，就是采用了三維CAD系統，基于高度變形設計能力來快速重構設計模型，如此能過獲得全新的機械產品。

（4）它提高了機械產品的整體技術含量與產品質量。這主要是因為機械產品與信息技術實現了相互融合，在三維CAD技術應用過程中優化設計方法，保證有限元受力分析到位，同時體現產品虛擬設計水平，保證產品設計質量有所提高。在這一過程中就采用到了大型數控加工技術手段，配合CAD、CAM等等展開機械零件加工過程，體現出了較好的技術統一性，在優化產品質量方面也表現突出。

2 CAD在機械設計中實施及機械制造技術的智能化創新發展趨勢

2.1 智能化創新技術發展概述

在CAD機械設計制造的智能化創新技術發展領域中，它主要圍繞智能機械與人類專家組成的人機一體化智能系統展開分析，保證系統做到技術分析、推理、判斷、構思與決策到位，滿足智能系統設計要求，體現其極強的“軟”特性。在采用模塊化技術方法過程中，則主要希望圍繞智能制造技術安全性與友好性展開分析，提高系統應用效能，特別強調技術安全性與環境優化，為資源回收、再利用創造更多可能性。

2.2 智能化創新技術發展要點

在CAD機械制造技術智能化創新中，主要利用CAD技術創建了透明模型，主要對光線照射折射與反射問題進行分析，形成透射光，研究光的衰減作用，這一點在機械制造技術應用方面起到一定作用。比如說創建多光源的簡單局部系統光照模型，在自然情況下對光源同時照射、實際光照效果進行分析，保證N個光源照射機械制造系統過程中再形成N個點光源疊加結果，同時考慮光的衰減作用，形成機械制造系統的光照模型。

另外，在CAD機械制造自動智能化技術領域中，主要要將CAD技術與科學信息技術有機融合起來，更好加入技術應用保證先進科學信息技術有效應用，這其中就包括了專家系統以及智能化管理技術系統。這些技術在改善并提高技術智能化應用方面效果突出，最大限度減輕了工作人員的整體工作量與工作壓力。比如說，目前的CAD機械制造自動智能化技術就能夠被應用于PDM和CAM等新技術維護體系中，它充分依賴于互聯網的技術完成PDM、CAM新技術維護體系操作，這一技術結合體也將成為未來人類學習和研究的一個重點。而伴隨世界經濟進步和發展形勢，CAD集成技術應用程度越高，就越有可能受到國家和企業的歡迎。同時3DAX技術可以幫助解決異構平臺的問題，壓縮繁復的幾何數據，讓多層圖像表現的功能得到體現，3DMAX在CAD的基礎建設上進行更高技術規格的轉換，能夠在保存CAD設計產品中的各種各樣的信息，同時標準的VRML編程軟件可以完成三維圖像的資源共享，為集成化的合作打下了堅實的技術基礎。

3 CAD在機械設計中實施及機械制造技術的敏捷化創新發展趨勢

3.1 敏捷化創新技術發展概述

在CAD機械設計生產過程中，主要結合機械制造技術的敏捷化內容展開設計優化，確保技術應用到位，體現CAD在機械設計中實時以及機械制造技術的創新發展趨勢。具體來講，敏捷化創新技術就是以虛擬制造技術作為基礎的，它在現代集成制造系統中發揮了重要價值作用，在系統技術應用過程中需要優化相關發展水平，結合現代集成化制造系統展開技術操作，確保虛擬化技術應用到位。

3.2 敏捷化創新技術發展要點

在節能、降耗并縮短產品開發周期過程中，需要快速采用各種技術內容，保證建立敏捷化創新技術并行工程體系，將大量虛擬制造、智能制造、網絡制造技術內容融入到體系中，保證敏捷化創新技術能夠被合理融入到CAD機械設計與制造生產技術體系中。

比如說在數控高速切削機械加工技術中就可以應用CAD技術，充分體現其敏捷化、虛擬化技術優勢。具體來講，數控高速切削加工技術先進、復雜且系統性較強，相比于傳統切削技術，它對機床、刀柄、刀具、控制系統、CAD/CAM軟件等多項指標的要求更高，以下談談它在各種機械制造過程中的關鍵技術應用。在銑削加工機床中的技術應用中，數控高速切削加工技術主要配合微電子技術、CNC技術、新材料結構基礎技術展開，在銑削加工機床中的技術應用相當廣泛，具體來講包括以下三方面：第一，對機床系統的剛性要求較高，在銑削機床加工制造過程中，需要提供配合高速供給驅動器來實現數控高速切削加工技術的發揮最大化。它要求驅動器的快進速度要在40m/min，3D輪廓加工速度也要在10m/min左右，同時還要為銑削系統提供0.4m/s的加速度和0.3m/s的減速度。第二，對刀柄和主軸的剛性要求較高，一般要求系統轉速要達到10000～50000r/min，主要基于主軸來壓縮空氣，冷卻系統，以控制刀柄與主軸二者之間的軸向間隙在0.00762mm以內。第三，對加工工藝的可靠性要求較高，優質的工藝模型對切削條件及刀具壽命之間關系的融合非常關鍵。能夠有效提升機床的利用效率，確保即使在無人操作狀態下數控高速切削加工技術也依然具有較高的安全可靠性。

結合上述3點可以了解到，某些汽車覆蓋件模具加工一般所涉及尺寸偏大，且由于它是3D型面所以相對結構復雜，要求加工精度較高，切削量也較大，因此可以采用數控高速切削加工技術，充分體現CAD技術的敏捷化與虛擬化特征。以汽車發動機前罩翻邊模具為例，它的工件材料為CH-1，工件硬度為HB330，外形尺寸為2000mm×1400mm×400mm。要采用涂層硬質合金刀具材料對其進行高速切削加工，并配合CAD技術提高生產效率與生產質量。

4 結語

本文中重點研究了CAD技術在機械設計以及機械制造技術中的創新發展應用，希望基于此發展推進傳統制造技術，融入更多現代化信息技術與管理技術理念，實現技術應用自動化與創新優化，滿足當前機械技術生產要求，充分體現CAD技術的智能化、集成化與敏捷化、虛擬化優勢。