基于CAD在機械設(shè)計中應(yīng)用的探索性研究

陳曉紅

（黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院，黃岡 408002）

0 引言

計算機輔助設(shè)計指利用計算機及其圖形設(shè)備幫助設(shè)計人員進行設(shè)計工作，簡稱CAD。 在機械設(shè)計中，傳統(tǒng)的方法是工作人員要用草圖設(shè)計，將草圖變?yōu)楣ぷ鲌D。而由CAD技術(shù)來實現(xiàn)，可以讓計算機自動產(chǎn)生設(shè)計結(jié)果，方便圖形快速顯示出來，使設(shè)計人員及時對設(shè)計作出判斷和修改，并可以利用計算機進行與圖形的編輯、放大、縮小、平移和旋轉(zhuǎn)等有關(guān)的圖形數(shù)據(jù)加工工作。

圖1 CAD工作流程

1 CAD系統(tǒng)工作流程及在機械設(shè)計中的主要應(yīng)用

CAD技術(shù)主要解決自動繪圖問題，隨著計算機硬、軟件技術(shù)及其它相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在的CAD已成為一門綜合性應(yīng)用新技術(shù)?，F(xiàn)在的CAD過程往往與計算機輔助工藝規(guī)程設(shè)計（CAPP：Computer Aided Process planning）及數(shù)控自動編程連在一起，形成集成的CAD系統(tǒng)工作流程圖，如圖1所示。

CAD技術(shù)在機械設(shè)計中主要應(yīng)用有以下幾方面：

1）二維繪圖。這是最普遍最廣泛的一種應(yīng)用，用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工繪圖。

2）圖形及符號庫。將復(fù)雜圖形分解成許多簡單圖形及符號，先存入庫中，需要時調(diào)出，經(jīng)編輯修改后插入到另一圖形中去，從而使圖形設(shè)計工作更加方便。

3）參數(shù)化設(shè)計。標準化或系列化的零部件具有相似結(jié)構(gòu)，但尺寸需經(jīng)常改變，采用參數(shù)化設(shè)計的方法建立圖形程序庫，調(diào)出后賦以一組新的尺寸參數(shù)就能生成一個新的圖形。

4）三維造型。采用實體造型設(shè)計零部件結(jié)構(gòu)，經(jīng)消隱及著色等處理后顯示物體的真實形狀，還可作裝配及運動仿真．以便觀察有無干涉等。

5）工程分析。常見的有有限元分析、優(yōu)化設(shè)計、運動學(xué)及動力學(xué)分析等。此外針對某個具體設(shè)計對象還有它們自己的工程分所問題．如注塑模設(shè)計中要進行塑流分析、冷卻分忻、變形分析等。

6）設(shè)計文檔或生成報表。許多設(shè)計屬性需要制成文檔說明或輸出報表，有些設(shè)計參數(shù)需要用直方圖、餅圖、或曲線圖等來表達。上述這些工作常由一些專門的軟件來完成，如文檔制作軟件及數(shù)據(jù)庫軟件等。

2 CAD在機械設(shè)計中的優(yōu)缺點

2.1 CAD技術(shù)在機械設(shè)計中的優(yōu)點

1）符合人的思維過程

機械設(shè)計師在設(shè)計時總是先構(gòu)思后表達，由于腦海中構(gòu)思出的產(chǎn)品形狀是三維的，因而直接建立反映產(chǎn)品真實幾何形狀的三維實體模型自然是理想的表達方式。這可使機械設(shè)計師更加專注于產(chǎn)品設(shè)計本身，而不是產(chǎn)品的圖形表示，符合機械設(shè)計師的創(chuàng)新意識，有利于設(shè)計的連續(xù)進行。由于CAD三維設(shè)計得到的三維立體圖具有直觀、易于理解等特點，不僅能促進機械設(shè)計師的思維深入，有利于設(shè)計的擴展，而且也便于與他人進行交流。

2）縮短了機械設(shè)計周期

CAD三維機械設(shè)計有利于解決復(fù)雜的幾何造型問題。它可以由簡單幾何實體通過布爾運算等功能組合出各種復(fù)雜的幾何實體，并能自動生成相貫線和截交線，大大減輕了設(shè)計工作量，縮短機械設(shè)計周期近1/3，大幅度地提高了設(shè)計和生產(chǎn)效率。在用三維CAD系統(tǒng)進行新機械的開發(fā)設(shè)計時，只需對其中部分零部件進行重新設(shè)計和制造，而大部分零部件的設(shè)計都將繼承以往的信息，使機械設(shè)計的效率提高了3-5倍。同時，三維CAD系統(tǒng)具有高度變型設(shè)計能力，能夠通過快速重構(gòu)，得到一種全新的機械產(chǎn)品。

3）零件設(shè)計和修改非常方便

使用三維CAD系統(tǒng)軟件，可以在裝配環(huán)境中設(shè)計新零件，也可以利用相鄰零件的位置及形狀來設(shè)計新零件，既方便又快捷，還可保證新零件與相鄰零件的精確配合，避免了單獨設(shè)計零件出現(xiàn)錯誤而導(dǎo)致裝配的失敗。比如可以在裝配環(huán)境中根據(jù)箱體的形狀及其他的配合要求快速準確地設(shè)計出所需要的箱蓋來。

零件環(huán)境中有查找器，在完成機械零件造型時，資源查找器同時列出了完成該零件的所有命令，點擊這些命令就可以很清楚地了解完成該零件的每個步驟，并利用資源查找器中的零件回放把零件造型的全過程通過動畫連續(xù)地演示出來，使人一目了然。修改零件時，也可以點擊資源查找器中相對應(yīng)的命令來完成，更方便地是在裝配環(huán)境中也可以進行零件的修改，即點擊要修改的零件就可以進入零件環(huán)境來完成零件的修改。

4） 在裝配環(huán)境中裝配零件方便直觀

運用不同的裝配關(guān)系可以把各個機械零件裝配起來。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(guān)系，若裝配不正確或發(fā)生干涉，查找器即予以顯示，同時可對零件的裝配進行靜干涉的檢查，如果發(fā)現(xiàn)干涉就可及時對零件等進行修改，以保證設(shè)計的正確性。另外，零件還可以隱藏，在隱藏了外部零件后，可清楚地看到內(nèi)部的裝配結(jié)構(gòu)。在整個機器或某個部件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，對于在靜態(tài)下不發(fā)生干涉而在運動中出現(xiàn)碰撞的也可檢驗出來，從而及時對設(shè)計進行更改，保證設(shè)計的正確性，避免了機械產(chǎn)品生產(chǎn)后才發(fā)現(xiàn)問題需要修改甚至報廢。同時還可以進行運動仿真，能清楚地看到機器運動的全過程。直接在計算機上對設(shè)計出的零件進行虛擬加工和裝配試驗，檢查零件加工工藝性和裝配質(zhì)量（有否干涉、松動等），從而減少昂貴的產(chǎn)品試驗?zāi)Ｐ唾M用。

5）提高機械產(chǎn)品的技術(shù)含量和質(zhì)量

由于機械產(chǎn)品與信息技術(shù)相融合，同時采用了CAD設(shè)計方法和CIMS組織生產(chǎn)，使機械產(chǎn)品設(shè)計有了新發(fā)展。三維CAD技術(shù)采用先進的設(shè)計方法，如優(yōu)化、有限元受力分析等，保證了產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量。同時，大型企業(yè)數(shù)控加工手段較完善，再采用CAD/CAPP/CAM進行機械零件加工，一致性很好，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。

三維機械設(shè)計不僅可以方便地描述對象的形狀、大小和位置等幾何特征，而且還可以賦予設(shè)計對象以顏色、紋理、體積、重心、慣性矩等多種信息，達到對設(shè)計對象幾何形狀確切的數(shù)學(xué)描述和工作狀態(tài)的物理模擬，從而更充分、準確、全面、真實地表達設(shè)計者的意圖。

2.2 CAD技術(shù)在機械設(shè)計中的不足

1）把CAD技術(shù)作為取代圖板的繪圖工具，并未實現(xiàn)真正的設(shè)計。目前有些單位用CAD三維軟件做出的三維模型僅為效果圖，并沒有用在整體空間設(shè)計和受力分析，還停留在平面設(shè)計上，只是把用手工出圖轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C出圖的現(xiàn)狀。當然計算機出圖有很多的優(yōu)點，例如美觀、規(guī)范、修改容易、存檔方便等。但是如果只停留在這個階段，就失去CAD的作用，因為CAD是輔助設(shè)計，不是輔助繪圖。

2）精通CAD技術(shù)的設(shè)計人員不足。三維CAD技術(shù)是一個復(fù)雜多變的系統(tǒng)，并不是每個設(shè)計人員都能掌握得很好，大部分人員沒有受過專門的訓(xùn)練，對它的功能了解不夠，他們完成的設(shè)計很可能不夠完善。

3 CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢

CAD技術(shù)的發(fā)展方向今后仍然是集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和綠色化，提高系統(tǒng)的實用性和使用方便性，以及降低價格等。下面簡述幾個明顯的發(fā)展趨勢。

1）集成化。設(shè)計制造或施工及相應(yīng)的生產(chǎn)，與工程管理等方面存在緊密的聯(lián)系。為了提高工作效率，人們首先將CAD與CAM兩個規(guī)程有機地連接起來，實現(xiàn)了CAD/CAM一體化。這種系統(tǒng)，將CAD的設(shè)計結(jié)果直接用于數(shù)控仿真和生成數(shù)控加工程序，送數(shù)控機床進行自動加工。以特征三維造型為基礎(chǔ)的CAD/CAE/CAPP/CAM的集成是未來產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的主要模式。尤其是進一步與快速原型制造的集成，可以構(gòu)成一個閉環(huán)快速產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)，在并行工程（CE）環(huán)境下，能夠?qū)Ξa(chǎn)品設(shè)計進行快速評價和修改，以響應(yīng)市場大規(guī)?？蛻艋a(chǎn)的需要，提高企業(yè)的競爭力。更高程度的集成，CAD 將與其他的先進分析、制造、規(guī)劃、管理技術(shù)一起成為計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）的重要組成部分，并且將成為CIMS的核心與基礎(chǔ)。

2）智能化。設(shè)計過程需要大量的設(shè)計知識和專家經(jīng)驗。一般的CAD系統(tǒng)都是一種人機系統(tǒng)，即系統(tǒng)中包含了使用系統(tǒng)的人。使用CAD系統(tǒng)的設(shè)計者在系統(tǒng)行為中起著主導(dǎo)和決策的作用。人工智能（AI）、專家系統(tǒng)（ES）和基于知識的系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展及其在設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用，為CAD技術(shù)的發(fā)展開辟了新的途徑，從而出現(xiàn)了新的面貌。所謂智能CAD系統(tǒng)，或基于知識的CAD系統(tǒng)，或CAD專家系統(tǒng)，是一個具有大量知識與經(jīng)驗的程序系統(tǒng)。它采用人工智能技術(shù)，運用知識庫中的設(shè)計知識進行推理、判斷和決策，解決以前必須由人類專家解決的復(fù)雜問題，使CAD技術(shù)的發(fā)展達到一個新的水平。由于知識庫中的知識來源于很多人類專家長期積累的經(jīng)驗，因此，一個成功的CAD專家系統(tǒng)可以達到甚至超過領(lǐng)域設(shè)計專家的水平。

3）網(wǎng)絡(luò)化或協(xié)同化。形成信息高速公路互聯(lián)的協(xié)同CAD，實現(xiàn)計算機支持協(xié)同工作，達到遠程（異地）設(shè)計的目的，從而最大程度地充分發(fā)揮不同單位、區(qū)域、國家的各自優(yōu)勢，多快好省地進行產(chǎn)品設(shè)計?，F(xiàn)在，將多臺微型機CAD工作站聯(lián)網(wǎng)或?qū)⒍嗯_微型機CAD工作站和工程工作站聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成分布式CAD系統(tǒng)已成為一種趨勢。這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活、功能強大、價格較低。每個工作站可以單獨使用，也可以相互配合，實現(xiàn)資源和信息共享，也可實現(xiàn)并行設(shè)計和協(xié)同工作。這種CAD網(wǎng)絡(luò)很適合企業(yè)單位的需要。因為企業(yè)中的產(chǎn)品設(shè)計與制造一般都不是個人行為，而是一個組或一個科室群體有組織、有計劃地進行的工程項目。參加工作的各個成員必須相互配合、協(xié)同努力，在規(guī)定的權(quán)限下共享資源和已有的設(shè)計結(jié)果，有關(guān)負責人還要對各步的設(shè)計結(jié)果進行審核。CAD網(wǎng)絡(luò)的建立，以及設(shè)計管理和協(xié)同設(shè)計功能的實現(xiàn)，無疑將大大促進企業(yè)經(jīng)濟效益的提高。

4）綠色化。綠色化已成為全球不可抗拒的潮流，是人類可持續(xù)發(fā)展的核心內(nèi)容之一。綠色設(shè)計技術(shù)，在以集成、并行的方式設(shè)計產(chǎn)品及其相關(guān)過程的同時，優(yōu)化設(shè)計方案，減少廢品率，使整個生產(chǎn)過程對環(huán)境的污染程度降低到最小，資源的利用率達到最高。

4 結(jié)束語

隨著CAD技術(shù)的快速發(fā)展必將對制造業(yè)產(chǎn)生深遠的影響，對提高我國機械制造業(yè)競爭力起到舉足輕重的作用。我國CAD技術(shù)研究和應(yīng)用的水平與發(fā)達國家相比雖然還有很大差距，但我們應(yīng)該清醒認識到先進的設(shè)計方法和設(shè)計手段是機械制造企業(yè)在激烈的市場競爭中獲得成功的重要保證。

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