計算機輔助設(shè)計在生產(chǎn)中的應(yīng)用

姜波 王貴軍

【摘 要】計算機輔助設(shè)計是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。在工程和產(chǎn)品設(shè)計中，計算機可以幫助設(shè)計人員擔(dān)負計算、信息存儲和制圖等項工作。隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機輔助設(shè)計CAD（Computer Aided Design）在生產(chǎn)中的應(yīng)用日益廣泛，本文主要從計算機輔助設(shè)計在機械生產(chǎn)中的應(yīng)用等方面闡述了其在機械設(shè)計中的顯著優(yōu)勢，并對目前國內(nèi)企業(yè)機械產(chǎn)品開發(fā)過程三維CAD系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀和存在問題進行了分析。從產(chǎn)品開發(fā)的實際需求和產(chǎn)品特點與軟件功能出發(fā)，對企業(yè)應(yīng)用三維CAD過程提出了改進方案，最后介紹了三維CAD技術(shù)發(fā)展的趨勢。

【關(guān)鍵詞】計算機輔助設(shè)計；三維CAD；應(yīng)用

1.概論

開始于上世紀(jì)50年代后期的計算機輔助設(shè)計技術(shù)，從最初的僅僅被簡單的作為圖板的替代品到70年代的二維制圖過度到三維建模再到現(xiàn)在的集產(chǎn)品的構(gòu)思、功能設(shè)計、結(jié)構(gòu)分析、加工制造、數(shù)據(jù)管理于一體的智能CAD技術(shù)，計算機輔助設(shè)計經(jīng)歷了一個漫長又曲折的發(fā)展歷程。在今天，CAD技術(shù)越來越廣泛的用于生產(chǎn)中。那么，CAD技術(shù)究竟有怎樣的優(yōu)勢，它又是如何在生產(chǎn)中起到積極作用的，而它的發(fā)展趨勢又是怎樣的呢，本文稍后將對以上問題進行淺談。

計算機輔助設(shè)計（CAD-Computer Aided Design）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。在設(shè)計中通常要用計算機對不同方案進行大量的計算、分析和比較，以決定最優(yōu)方案；各種設(shè)計信息，不論是數(shù)字的、文字的或圖形的，都能存放在計算機的內(nèi)存或外存里，并能快速地檢索；設(shè)計人員通常用草圖開始設(shè)計，將草圖變?yōu)楣ぷ鲌D的繁重工作可以交給計算機完成；由計算機自動產(chǎn)生的設(shè)計結(jié)果，可以快速作出圖形，使設(shè)計人員及時對設(shè)計作出判斷和修改；利用計算機可以進行與圖形的編輯、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。

計算機輔助設(shè)計與制造（CAD/CAM）應(yīng)用領(lǐng)域：機械、汽車、航空航天、電子、建筑工程、輕工、紡織、服裝、家電、體育、文藝等。

1.1 CAD/CAM在制造業(yè)中的應(yīng)用

變量設(shè)計和參數(shù)設(shè)計。

設(shè)計人員可以利用這些功能，方便地完成幾何相似，尺寸不同的產(chǎn)品設(shè)計工作，形成系列產(chǎn)品。在概念設(shè)計的草圖打樣階段，設(shè)計人員可以利用CAD系統(tǒng)的幾何元素定義和編輯功能勾劃草圖。在設(shè)計構(gòu)思過程中，它將幫助設(shè)計人員思考，使之逐步深化、細化。草圖構(gòu)成之后，再逐步添加幾何約束條件，尺寸約束條件，最終完成設(shè)計工作。

裝配。

在裝配件——組合件、部件和整臺產(chǎn)品的設(shè)計中，計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)的優(yōu)勢更為明顯。在裝配件設(shè)計中，還可以發(fā)揮CAD系統(tǒng)的圖形功能，對裝配件進行空間協(xié)調(diào)工作。利用干涉檢查功能，及時發(fā)現(xiàn)干涉部位和干涉量大小，糾正設(shè)計中的錯誤，不必等到原準(zhǔn)樣機組裝時再進行糾正。

逆向工程。

逆向工程產(chǎn)品設(shè)計就是根據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品模型，反向推出產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)（包括設(shè)計圖紙或數(shù)字模型）的過程。

通過數(shù)字化測量設(shè)備（如坐標(biāo)測量機、激光測量設(shè)備等）獲取的物體表面的空間數(shù)據(jù)，需要利用CAD技術(shù)建立產(chǎn)品的三維模型，進而利用CAM系統(tǒng)完成產(chǎn)品的制造。

數(shù)控加工。

從幾何建模中獲取幾何信息，輸入加工工藝信息，生成數(shù)控加工指令，傳輸給數(shù)控加工裝置控制加工過程。

有限元分析。

對機電產(chǎn)品的動靜特性進行分析，并進行機電產(chǎn)品性能計算機仿真，尋求出機電產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上的薄弱環(huán)節(jié)。

模具設(shè)計。

模具設(shè)計模塊支持典型的塑料模具設(shè)計的全過程，即從讀取產(chǎn)品模型開始，到如何確定和構(gòu)造拔模方向、收縮率、分型面、模芯、型腔、滑塊、頂塊、模架及其標(biāo)準(zhǔn)零部件、澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、模具零部件清單等。

1.2 CAD/CAM建模路線

隨著CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展，在建模技術(shù)方面共經(jīng)歷了以下幾個階段：

線框建模-曲面建模-實體建模-參數(shù)化特征建模。

1.2.1線框建模

線框建模是指在計算機內(nèi)部以邊、點來描述和表達產(chǎn)品，表示的是產(chǎn)品的棱邊。其主要是利用基本線素來定義設(shè)計目標(biāo)的棱線部分從而構(gòu)成的立體框架圖。

1.2.2曲面建模

曲面建模又叫表面建模（Surface Modeling），是對產(chǎn)品的各個表面或曲面進行描述，從而構(gòu)造成產(chǎn)品模型的一種建模方法。

1.2.3實體建模

實體建模（Solid Modeling），是通過利用基本體素（如長方體、圓柱體、錐體、球體等）和掃掠體（拉伸體、旋轉(zhuǎn)體、沿導(dǎo)線掃掠體、軟管等）及其布爾運算構(gòu)造幾何實體的建模方法，其特點在于覆蓋三維立體的表面與其實體同時生成，并且可以實現(xiàn)對可見邊的判斷，具有消隱的功能。

1.2.4參數(shù)化特征建模

特征是指零件上具有某種特定的功能并能被基本的加工方式加工成形的幾何實體，它是工程環(huán)境中能運用幾何和功能信息進行產(chǎn)品零件造型的關(guān)鍵要素，是集成環(huán)境中高層語義信息的載體和基本傳輸。

1.3常用的CAD/CAM軟件

機械類：UG、Pro/E、Inventor、MDT、Solidworks、SolidEdge、AutoCAD

建筑類：Revit、ADT、ABD、天正、中望、園方、AutoCAD

1.3.1 UG（unit graphic）

起源于美國麥道（MD）公司，是一個集CAD、CAE和CAM于一體的機械工程輔助系統(tǒng)，適用于航空航天器、汽車、通用機械以及模具等的設(shè)計、分析及制造工程。UG實現(xiàn)了CAD、CAE、CAM之間無數(shù)據(jù)交換的自由切換，它具有很強的數(shù)控加工能力，可以進行3軸～5軸聯(lián)動的復(fù)雜曲面加工和鏜銑， 逐步成為當(dāng)今CAD/CAM軟件領(lǐng)域最有影響力、最有發(fā)展前景的軟件公司之一。

1.3.2 Pro/Engineer（Pro/E）

美國參數(shù)技術(shù)公司（Parametric Technology Corporation簡稱PTC）的軟件。Pro/E軟件以其先進的參數(shù)化設(shè)計、基于特征的實體造型深受廣大用戶的喜愛，該軟件的應(yīng)用領(lǐng)域主要是針對產(chǎn)品的三維實體模型建立、結(jié)構(gòu)分析、以及模具設(shè)計等，用戶界面簡潔、概念清晰、邏輯性強，比較符合工程技術(shù)人員的設(shè)計思想與習(xí)慣，是目前國內(nèi)企業(yè)和技術(shù)人員使用最廣泛的CAD軟件之一。

1.3.3 CATIA軟件

CATIA軟件是法國達索公司（Dassault）開發(fā)的產(chǎn)品。CATIA獨特的裝配草圖生成工具，支持欠約束的裝配草圖繪制以及裝配圖中各零部件之間的連接定義，可以快速進行概念設(shè)計。該軟件具有強大的曲面設(shè)計、有限元分析等功能，深受眾多飛機、汽車行業(yè)企業(yè)的歡迎。

2.CAXA數(shù)控車曲線生成

曲線生成：（1）點的生成（2）直線的生成（3）圓弧與圓的生成（4）橢圓的生成（5）樣條曲線的生成（6）正多邊形的生成（7）公式曲線生成（8）二次曲線的生成。

3.結(jié)束語

經(jīng)過長時間的忙碌和不懈努力，我翻閱了大量有關(guān)計算機輔助設(shè)計方面和機械專業(yè)的書籍，通過對這些書籍了閱讀，不但完成了所做的畢業(yè)設(shè)計，還使自己的專業(yè)知識和獨立思考問題的能力有了很大的提高，對自己今后的工作有了許多的幫助。在做畢業(yè)設(shè)計期間，經(jīng)常會出現(xiàn)一些自己從沒遇到過的問題，使畢業(yè)設(shè)計的制作走到了死胡同。如果沒有楊漢嵩老師和李鵬的督促和指導(dǎo)，以及同學(xué)們的幫助，憑我一個人的力量，想要完成這次畢業(yè)設(shè)計是很難的。所以我很感謝楊漢嵩老師和李鵬老師對我的指導(dǎo)和幫助。

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