CAD技術(shù)在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的發(fā)展與應(yīng)用

張燁　金君鑫

摘 要：在我國工業(yè)產(chǎn)業(yè)中，機(jī)械制造是一個(gè)基本的產(chǎn)業(yè)，也是一個(gè)主要產(chǎn)業(yè)。其中，每一種機(jī)械零件的生產(chǎn)加工之前，必須進(jìn)行細(xì)致的圖紙分析設(shè)計(jì)，從而獲得一個(gè)合理的、可行的零部件規(guī)格、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)等等參數(shù)。作為一種多功能輔助軟件，CAD技術(shù)在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用發(fā)揮著十分重要作用，其也是促進(jìn)機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要基礎(chǔ)。本文即針對(duì)CAD技術(shù)在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的發(fā)展與應(yīng)用展開了具體論述，僅供參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)械工程設(shè)計(jì)；CAD技術(shù)；發(fā)展；應(yīng)用

近些年，隨著計(jì)算機(jī)與電子技術(shù)的急劇發(fā)展，越來越多的高新技術(shù)被應(yīng)用于各行各業(yè)中。CAD技術(shù)便是基于此種背景下發(fā)展而來，尤其是隨著其功能的不斷完善，逐漸被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械、建筑、汽車等等領(lǐng)域中。其中，CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用比例最高，其為廣大的設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)方便、快捷的設(shè)計(jì)平臺(tái)，復(fù)雜的分析、計(jì)算以及繪圖均由計(jì)算機(jī)輔助完成，在保證設(shè)計(jì)質(zhì)量與效率的同時(shí)，減輕了工作強(qiáng)度。

1 機(jī)械工程設(shè)計(jì)與CAD技術(shù)概述

1.1 機(jī)械工程設(shè)計(jì)

機(jī)械工程設(shè)計(jì)指的是由設(shè)計(jì)人員嚴(yán)格按照有關(guān)的產(chǎn)品使用要求，對(duì)其結(jié)構(gòu)、工作原理以及各個(gè)部件的尺寸、規(guī)格、維護(hù)方法進(jìn)行分析，并將其轉(zhuǎn)化成具體設(shè)計(jì)。由于機(jī)械產(chǎn)品往往較為復(fù)雜，因此對(duì)其精性的要求也越來越高，這也就使得大量的先進(jìn)技術(shù)被應(yīng)用于機(jī)械工程設(shè)計(jì)過程中，以獲得更高質(zhì)量的機(jī)械產(chǎn)品。

1.2 CAD技術(shù)

CAD技術(shù)屬于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的一種，其主要是使用計(jì)算機(jī)中的相關(guān)程序?qū)υO(shè)計(jì)方法進(jìn)行進(jìn)一步的而優(yōu)化，并制作出相應(yīng)的零件或是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖。隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，CAD技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛，尤其是在機(jī)械工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域中發(fā)揮著不可替代的作用。

CAD軟件通常包括以下幾種模塊功能：一是CAPP功能，也就是計(jì)算機(jī)輔助的工業(yè)設(shè)計(jì)，通過對(duì)材料的定額、工藝的設(shè)計(jì)內(nèi)容等的管理，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展，提高其設(shè)計(jì)效率與設(shè)計(jì)質(zhì)量；二是二維繪圖功能，其是二維繪圖功能的核心功能，主要是通過計(jì)算機(jī)智能繪圖，從而代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工繪圖，大大減少設(shè)計(jì)人員的工作量；三是PDM功能，其主要是對(duì)產(chǎn)品的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，以保證圖紙、工藝卡、加工代碼等等安全、可靠。

2 CAD技術(shù)在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的發(fā)展

當(dāng)前，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)著CAD技術(shù)的不斷進(jìn)步，同時(shí)機(jī)械工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的廣泛性也為CAD技術(shù)提供了發(fā)亮的用戶，為了滿足用戶的不同需求，CAD技術(shù)不斷向著標(biāo)準(zhǔn)化、集成化以及智能化的方向發(fā)展。

2.1 CAD技術(shù)在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展

當(dāng)前，十分常用的CAD軟件主要有以下幾種：（1）Auto CAD；（2）UG；（3）Pro/Engineer；（4）Unigraphics NX；（5）solid works；（6）inventor；（7）Catia。其中，每一種軟件都有各自適用的用戶群，但是各自之間并不兼容，這在一定程度上阻礙了機(jī)械工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)部的相互交流，不利于CAD資源的交互。基于此背景，實(shí)現(xiàn)CAD軟件數(shù)據(jù)模型與交換資源格式標(biāo)準(zhǔn)化是其發(fā)展過程中的一個(gè)必然目標(biāo)，其能夠令設(shè)計(jì)人員使用不同的CAD軟件互相交流，促進(jìn)機(jī)械工程設(shè)計(jì)的持續(xù)發(fā)展。

2.2 CAD技術(shù)在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的集成化發(fā)展

當(dāng)前，隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，更多的高科技被應(yīng)用于機(jī)械工程設(shè)計(jì)、加工中，這也就使得單純的計(jì)算機(jī)輔助已經(jīng)不能滿足機(jī)械工程設(shè)計(jì)行業(yè)的發(fā)展需求。越來越多的設(shè)計(jì)人員希望能夠?qū)崿F(xiàn)CAD技術(shù)和工程分析、工藝分析、產(chǎn)品制造等等環(huán)節(jié)的有效連接，也就是實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP/CAM/CAE的集成，從而使得整個(gè)設(shè)計(jì)工作更加方便、迅速。當(dāng)前，已經(jīng)有不少CAD軟件具備了集成的功能，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中能夠直接導(dǎo)入利用CAD技術(shù)設(shè)計(jì)的模型，分析結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，同時(shí)利用數(shù)控機(jī)床分析、設(shè)計(jì)加工工藝，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的生產(chǎn)制造?？偟膩碚f，CAD技術(shù)在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的集成化發(fā)展，有利于加快設(shè)計(jì)人員的工作進(jìn)度，縮短機(jī)械產(chǎn)品周期。

2.3 CAD技術(shù)在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的智能化發(fā)展

對(duì)于機(jī)械工程設(shè)計(jì)而言，CAD技術(shù)的智能化是一個(gè)必然趨勢，也是促使設(shè)計(jì)人員脫離傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的重要手段。在進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品模型的設(shè)計(jì)時(shí)，通過特征造型與參數(shù)設(shè)計(jì)，能夠促使相關(guān)設(shè)計(jì)人員只需要自由地發(fā)散思維，而不需要考慮其中內(nèi)在聯(lián)系，大大減少了設(shè)計(jì)人員的工作量，并在保證產(chǎn)品可行性的同時(shí)，最大限度地提高其創(chuàng)新性。例如：在利用三維CAD軟件進(jìn)行機(jī)械工程設(shè)計(jì)時(shí)，用戶可以直接看到自己設(shè)計(jì)的成果，能夠及時(shí)發(fā)展設(shè)計(jì)中所存在的不合理之處，以便優(yōu)化。

3 CAD技術(shù)在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用

就目前而言，CAD技術(shù)在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來越廣泛，本文主要從以下幾個(gè)方面展開了具體的論述。

3.1 計(jì)算機(jī)輔助繪圖

CAD技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械工程設(shè)計(jì)中最早也是最基礎(chǔ)的功能就是輔助繪圖。在設(shè)計(jì)人員進(jìn)行機(jī)械工程設(shè)計(jì)的過程中，圖形和數(shù)據(jù)是兩大重點(diǎn)內(nèi)容，尤其是繪圖是占用時(shí)間最長、耗費(fèi)精力最大的一項(xiàng)工作，并且由于人工繪制的工程圖難免受到多方面因素的影響，導(dǎo)致其精確性或是美觀性難以保證，最終影響到機(jī)械產(chǎn)品的制作質(zhì)量。對(duì)此，使用CAD軟件中自帶圖形庫與繪圖命令，就可以快速地完成繪圖，并且其準(zhǔn)確性要大大超過人工繪圖。同時(shí)，由于CAD繪圖的高效性，大大減輕了設(shè)計(jì)人員的工作強(qiáng)度，使得其能夠?qū)⒏嗟木Ψ旁谕晟圃O(shè)計(jì)方面，推動(dòng)機(jī)械工程設(shè)計(jì)質(zhì)量的進(jìn)一步提高。

3.2 計(jì)算機(jī)輔助建模

在現(xiàn)代機(jī)械工程設(shè)計(jì)的過程中，計(jì)算機(jī)輔助建模占據(jù)著十分重要的地位。通過三維CAD軟件建模模塊的合理應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員能夠直接構(gòu)建出自己所要設(shè)計(jì)的機(jī)械產(chǎn)品的立體模型，其無論是尺寸、規(guī)格或是結(jié)構(gòu)，均是真實(shí)的，僅僅是以一定的比例的形式通過計(jì)算機(jī)顯現(xiàn)出來而言。顯而易見，對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言，三維建模的應(yīng)用意義十分重大，其能夠輔助設(shè)計(jì)人員在一個(gè)虛擬的環(huán)境中對(duì)產(chǎn)品模型進(jìn)行直觀設(shè)計(jì)，使得其可以不再單單依靠自己的想象能力構(gòu)建模型，最大限度地保證了模型的準(zhǔn)確性。

在三維建模的背景下開展機(jī)械工程設(shè)計(jì)，能夠提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的差錯(cuò)或是失誤，從而可以及時(shí)修改、完善。相反，若是這些問題未能夠在設(shè)計(jì)階段及時(shí)發(fā)展，則很有可能知道進(jìn)行產(chǎn)品裝配時(shí)，才能夠發(fā)現(xiàn)原始設(shè)計(jì)中存在的一些不合理之處，這樣不僅大大增加了工作人員的設(shè)計(jì)、裝配工作量，延長了設(shè)計(jì)、制作時(shí)間，更是大大提高了機(jī)械產(chǎn)品的成本。因此，設(shè)計(jì)人員必須認(rèn)識(shí)到三維建模的應(yīng)用意義，最大限度地保證設(shè)計(jì)的可行性。

3.3 工程分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

機(jī)械工程設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中，機(jī)械產(chǎn)品的力學(xué)性能分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化是一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)，做好該項(xiàng)工作，方能夠有效提高產(chǎn)品的應(yīng)用可靠性。在現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法不斷更新?lián)Q代的背景下，有限元分析與動(dòng)力學(xué)分析得到了十分廣泛的應(yīng)用，這也就要求CAD技術(shù)需拓展自身的工程分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化功能，從而滿足機(jī)械工程設(shè)計(jì)應(yīng)用需求。當(dāng)前，不少CAD軟件已經(jīng)發(fā)展出了與ansys等有限元分析軟件的接口，設(shè)計(jì)人員能夠通過三維CAD技術(shù)構(gòu)建產(chǎn)品模型，然后再將其導(dǎo)入有限元分析軟件內(nèi)，在確定的負(fù)載下開展產(chǎn)品模型的工程分析。完成整個(gè)的工程分析工作之后，應(yīng)根據(jù)其結(jié)果，有針對(duì)性地對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。該種工程分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法快速、便利，尤其是在復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中具有極大的優(yōu)勢。

4 結(jié)語

CAD技術(shù)的應(yīng)用是現(xiàn)代機(jī)械工程設(shè)計(jì)工作得以發(fā)展的關(guān)鍵所在，其使得廣大的設(shè)計(jì)人員從傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法中解脫出來，減輕了其數(shù)據(jù)分析以及繪圖的任務(wù)，從而讓他們能夠?qū)⒏嗟木Ψ胖糜凇皠?chuàng)造”上，優(yōu)化了機(jī)械工程設(shè)計(jì)質(zhì)量，提高了設(shè)計(jì)效率?？偟膩碚f，現(xiàn)代機(jī)械工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的發(fā)展需要CAD技術(shù)，只有不斷對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)和完善，充分發(fā)揮其功能，方可滿足機(jī)械設(shè)計(jì)與生產(chǎn)需要。

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