CAD技術(shù)與機(jī)械制圖關(guān)鍵技術(shù)探討

摘要：現(xiàn)代CAD技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了機(jī)械行業(yè)內(nèi)制圖環(huán)節(jié)的發(fā)展，同時(shí)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，促使機(jī)械制造技術(shù)的快速提升。文章分析了CAD技術(shù)的幾項(xiàng)基本關(guān)鍵技術(shù)和未來(lái)發(fā)展方向，探討了CAD技術(shù)在機(jī)械制圖中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：CAD技術(shù)；機(jī)械制圖；關(guān)鍵技術(shù)；機(jī)械制造技術(shù)；機(jī)械行業(yè)；制圖環(huán)節(jié) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TP393 文章編號(hào)：1009-2374（2015）04-0026-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0296

機(jī)械制圖是設(shè)計(jì)者和制造者進(jìn)行交流溝通的工程界語(yǔ)言，是圖樣繪制機(jī)械的形狀參數(shù)，傳統(tǒng)制作機(jī)械制圖的方式是手工制圖。隨著CAD技術(shù)的引入和發(fā)展，逐漸取代了手工制圖，這大大降低了制圖耗時(shí)，提高了制圖效率，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)項(xiàng)目之間的制圖復(fù)用。因此，如何設(shè)計(jì)完美的機(jī)械制圖，促進(jìn)機(jī)械制圖關(guān)鍵技術(shù)的快速發(fā)展，必須有效融合CAD技術(shù)。

1 CAD技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 CAD造型技術(shù)

產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的CAD技術(shù)涉及到了幾何形狀的描述、工藝分析、結(jié)構(gòu)分析等技術(shù)。隨著三維造型理論不受限制的程度越來(lái)越深化，傳統(tǒng)的幾何描述能力差、信息不完整的線框模型的局限弊端越來(lái)越突出，實(shí)體造型的應(yīng)用逐步廣泛，筆者就簡(jiǎn)單介紹線框造型和實(shí)體造型。

1.1.1 線框造型。這是CAD造型技術(shù)最早的三維模型，是由一系列直線、空間點(diǎn)和曲線組合而成的，主要用途是對(duì)產(chǎn)品三維輪廓外形的描述和生成相應(yīng)的三維影像，實(shí)現(xiàn)視圖的變換和協(xié)調(diào)空間尺寸。

圖1 直齒椎齒輪的實(shí)體造型技術(shù)圖 圖2

1.1.2 實(shí)體造型。實(shí)體造型技術(shù)理論、算法的成熟應(yīng)用開(kāi)始于20世紀(jì)70年代后期，進(jìn)入到80年代后期，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)了一大批著名的實(shí)用性實(shí)體造型系統(tǒng)。實(shí)體造型的單元體包括了立方體、環(huán)狀體、圓柱體、椎體、球體等基本體素，是利用集合運(yùn)算的方式來(lái)生產(chǎn)所需要的集合形狀，見(jiàn)圖1。實(shí)體造型的內(nèi)容有各個(gè)基本體素的定義和描述、各個(gè)體素之間的拼合，較為常見(jiàn)的實(shí)體造型方法集合體素構(gòu)造法、邊界表示法、分割表示法、掃描法、特征造型法等。

1.2 工程數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)

雖然目前國(guó)內(nèi)外公認(rèn)較為滿意的工程數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)還不夠成熟，但是經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐和研究，已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的功能雖說(shuō)還不夠完善，但也實(shí)現(xiàn)了多數(shù)功能，如支持多庫(kù)多表的操作，支持模式動(dòng)態(tài)的修改，支持版本管理、支持文本、圖形的管理、支持對(duì)變長(zhǎng)屬性和長(zhǎng)記錄進(jìn)行讀寫(xiě)和修改，能對(duì)一些復(fù)雜的對(duì)象進(jìn)行表述等。未來(lái)工程數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的主要發(fā)展方式是建立多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、建立分布式的工程數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、建立面向?qū)ο蟮墓こ虜?shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、工程數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的智能化發(fā)展。

1.3 用戶界面技術(shù)

用戶界面技術(shù)的設(shè)計(jì)原則：（1）靈活性原則。在用戶界面的設(shè)計(jì)中，必須根據(jù)不同用戶的不同需求來(lái)設(shè)計(jì)相應(yīng)的界面，如在Windows圖形的用戶界面中，要實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)選擇和鼠標(biāo)選擇的共存。（2）相似性原則，即內(nèi)部程序的相似性和同類型其他應(yīng)用軟件的相似性。（3）直觀性原則。所有應(yīng)用程序輸出的信息要清晰，用戶界面能及時(shí)提供當(dāng)前任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)，幫助信息要清晰。此外，實(shí)用原則也是用戶界面技術(shù)的設(shè)計(jì)原則，主要是指經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。以Windows圖形用戶界面為例，其具有以下特點(diǎn)：公共用戶界面（CUI），這是微軟公司為Windows用戶界面定義的一些基本規(guī)范，降低了用戶使用和學(xué)習(xí)的難度；圖形用戶界面（GUI），這是Windows的核心組成，最大程度地發(fā)揮了Windows的圖形功能；網(wǎng)絡(luò)支持功能，包括了文件服務(wù)、打印服務(wù)、電子郵件、圖象和圖形的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理及管理等。

2 CAD技術(shù)的發(fā)展方向及其在機(jī)械制圖中的應(yīng)用

2.1 CAD技術(shù)的發(fā)展方向

2.1.1 智能化發(fā)展。軟件系統(tǒng)的智能化發(fā)展是CAD技術(shù)的必然發(fā)展趨勢(shì)，智能化CAD技術(shù)能處理數(shù)據(jù)和知識(shí)，能進(jìn)行推理、選擇、優(yōu)化、判斷、決策等，是真正意義上的“專家系統(tǒng)”。

2.1.2 集成化發(fā)展。CAD系統(tǒng)的集成化發(fā)展，能把設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)、文檔編輯環(huán)節(jié)、管理環(huán)節(jié)等集成到一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)信息的集成和資源共享。目前應(yīng)用較廣的CAD系統(tǒng)有微機(jī)系統(tǒng)和工程工作站系統(tǒng)，兩者均具有價(jià)格低、性能高、聯(lián)網(wǎng)能力強(qiáng)、維護(hù)方便等特點(diǎn)。據(jù)悉，在國(guó)外，有54%的CAD軟件在工程工作站系統(tǒng)中運(yùn)行，44%在微機(jī)系統(tǒng)上運(yùn)行。

2.1.3 可視化發(fā)展。這主要指用戶界面的可視化?；谟脩艚缑婕夹g(shù)的直觀性原則，CAD應(yīng)用軟件對(duì)圖形的要求越來(lái)越高，除了要求能繪制出各種生產(chǎn)所用的圖紙和圖形表達(dá)的真實(shí)感外，還要求其能使得設(shè)計(jì)過(guò)程和結(jié)果的可視化，做到動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)顯示。

2.1.4 并行化發(fā)展。這主要指處理技術(shù)的并行化，只有對(duì)各個(gè)具體應(yīng)用對(duì)象研究出相應(yīng)的并行算法，才能真正發(fā)揮CAD技術(shù)的并行處理作用，以提高數(shù)量級(jí)的處理速度。此外，系統(tǒng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展也是CAD技術(shù)的發(fā)展方向之一。隨著CAD技術(shù)的廣泛應(yīng)用，CAD技術(shù)的種類越來(lái)越多，為了將不同CAD系統(tǒng)能進(jìn)行資源共享，必須實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，制定相關(guān)的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，如STEP、IGES等。

2.2 CAD技術(shù)在畫(huà)法幾何中的應(yīng)用

在具體應(yīng)用上，利用坐標(biāo)方式輸入點(diǎn)繪制控件的點(diǎn)線面時(shí)，可以利用“視圖”中的“視口”來(lái)建立主視、左視、俯視、西南軸測(cè)的四個(gè)視口，可以利用“繪圖”中的“實(shí)體”功能來(lái)創(chuàng)建三維模型。在三維模型里，發(fā)揮其著色線和著色面的功能，選取相應(yīng)的線面?；诖藖?lái)分析不同位置上線和面的投影線特性，將點(diǎn)線面的抽象知識(shí)融入到具體的三維實(shí)體圖中，起到學(xué)習(xí)物體投影的作用。

2.3 CAD技術(shù)在剖視圖中的應(yīng)用

剖視圖一般應(yīng)用于多孔槽的零部件，其形成使用遐想剖切面剖開(kāi)零部件的，圖中的虛線較多，形態(tài)較為復(fù)雜。因在剖視圖的繪制中，線條的交叉重疊較多，使得繪制者很難想象出實(shí)體的性質(zhì)，而利用CAD技術(shù)，能通過(guò)建立零件模型，利用繪圖中的剖切功能，進(jìn)行零部件的剖切，觀察零部件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，進(jìn)而繪制出剖視圖。同時(shí)，在利用CAD技術(shù)繪制剖視圖時(shí)，要采用不同的剖視方法，在零部件的不同位置進(jìn)行剖切，以加深對(duì)剖視圖繪制的理解。剖切平面利用更多的孔槽和“三維視圖”，全方位地觀察剖切視圖，繪制出零部件的實(shí)際形狀見(jiàn)圖2。

2.4 CAD技術(shù)在組合體視圖中的應(yīng)用

通常情況下，在機(jī)械視圖中組合體視圖的繪制中，是利用線面分析法和形體分析法來(lái)掌握線面的投影特點(diǎn)和基本幾何體的投影特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)照和分析實(shí)物模型來(lái)綜合和整理組合體的整體形狀和各個(gè)部分之間的聯(lián)系關(guān)系。在利用CAD計(jì)算繪制組合體視圖時(shí)，可以利用CAD三維實(shí)體的建模功能來(lái)進(jìn)行組合體的造型設(shè)計(jì)，具體可以根據(jù)組合方式，在已選定的一個(gè)造型平面上將各個(gè)基本幾何體構(gòu)造出來(lái)，進(jìn)而選擇和利用合適的坐標(biāo)軸將各個(gè)立體旋轉(zhuǎn)至所需要的方向，將各個(gè)組合部分移動(dòng)到準(zhǔn)備的位置后，進(jìn)行最后的組合操作以繪制出組合體?？梢?jiàn)利用CAD技術(shù)，通過(guò)形體進(jìn)行三維建模，能將數(shù)量大、形體復(fù)雜的結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的繪制。

2.5 CAD技術(shù)在基本機(jī)械形狀中的繪制

在機(jī)械制圖中，經(jīng)過(guò)會(huì)利用多邊形、橢圓等基本形狀，需要將這些形狀進(jìn)行規(guī)則性的排列，利用CAD技術(shù)能簡(jiǎn)單、迅速地繪制出這些基本機(jī)械形狀。在多邊形的繪制中，以一個(gè)對(duì)角線長(zhǎng)100的正五邊形為例，第一步先畫(huà)兩條同長(zhǎng)100相重合的先端，以其中一個(gè)為端點(diǎn)，依據(jù)旋轉(zhuǎn)角度的理論，RO旋轉(zhuǎn)其中的一條線段72°。第二步對(duì)兩個(gè)未相交點(diǎn)進(jìn)行連接，該邊即為五邊形的邊。第三步實(shí)施AR排列命令，環(huán)形排列360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)5次。第四步，將已經(jīng)生產(chǎn)的其他4條直線進(jìn)行端點(diǎn)對(duì)端點(diǎn)進(jìn)行相連，繪制成五邊形。同時(shí)，可以利用CAD的POLYGON命令來(lái)進(jìn)行繪制，即輸入POLYGON+5（5為邊數(shù)），選取其中的一點(diǎn)為五邊形的中心點(diǎn)。多邊形可設(shè)置內(nèi)切和外切兩個(gè)選項(xiàng)，也可以打散，當(dāng)作是獨(dú)立的線段進(jìn)行二次編輯。在橢圓的繪制中，利用CAD提供的ELLIPSE命令、選橢圓的圖標(biāo)、根據(jù)橢圓周邊的圖形采用不同的方式進(jìn)行繪制。指定好橢圓的?。ˋ）、等角圓（I）、中心點(diǎn)（C）以及軸端點(diǎn)，按回車鍵，可以設(shè)定參數(shù)來(lái)達(dá)到所需要的弧線。

3 結(jié)語(yǔ)

總之，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，CAD技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，其幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍不斷拓展。在機(jī)械制圖中利用CAD技術(shù)，能更好地對(duì)需要設(shè)計(jì)的圖形圖像進(jìn)行觀察、分析、想象和設(shè)計(jì)，通過(guò)CAD技術(shù)認(rèn)知各個(gè)零部件的結(jié)構(gòu)形狀，繪制出更為直觀和具體的機(jī)械制圖。

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作者簡(jiǎn)介：范寧（1980-），女，遼寧興城人，遼寧建筑職業(yè)學(xué)院講師，研究生，研究方向：機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)及優(yōu)化方向研究與教學(xué)。

（責(zé)任編輯：周 瓊）