CAD在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析

葛 昊 邢更力 劉 輝

（公安部第一研究所，北京 100048）

CAD在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析

葛 昊 邢更力 劉 輝

（公安部第一研究所，北京 100048）

隨著現(xiàn)代化信息水平的不斷提高及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的快速增長(zhǎng)，計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)（CAD）在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用較為廣泛，逐漸代替了傳統(tǒng)化機(jī)械工程設(shè)計(jì)行業(yè)。信息化世界的快速發(fā)展，帶動(dòng)著CAD三維技術(shù)朝向更加成熟與標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)水準(zhǔn)方向邁進(jìn)。因此，正確把握CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)與應(yīng)用前景，對(duì)我國(guó)的機(jī)械工程設(shè)計(jì)工作具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。本文針對(duì)CAD技術(shù)的基本概念、系統(tǒng)組成、設(shè)計(jì)理念以及應(yīng)用發(fā)展提出研究性意見(jiàn)，以便日后對(duì)機(jī)械CAD在安防監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用起到一定的參考價(jià)值。

機(jī)械工程設(shè)計(jì) CAD三維技術(shù) 安防監(jiān)控領(lǐng)域

引言

CAD是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是指工程設(shè)計(jì)人員利用計(jì)算機(jī)以及圖形設(shè)備等工具進(jìn)行的設(shè)計(jì)工作。傳統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)要求工作人員親自設(shè)計(jì)草圖，最終采用定稿后的工作圖對(duì)工程進(jìn)行設(shè)計(jì)施工。然而，隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展提高，CAD技術(shù)完全可以擺脫人力畫(huà)圖，自動(dòng)生成設(shè)計(jì)圖形原稿，使設(shè)計(jì)人員快速判斷與修改設(shè)計(jì)圖，利用計(jì)算機(jī)操作實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)圖形的編輯、放縮、平移以及旋轉(zhuǎn)等加工步驟，從而精確得到工程設(shè)計(jì)的實(shí)圖分析?，F(xiàn)代化CAD技術(shù)能夠體現(xiàn)自動(dòng)化設(shè)計(jì)理念與方法，提高工程的設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短設(shè)計(jì)周期，最終實(shí)現(xiàn)集成化、智能化以及網(wǎng)絡(luò)化整合的信息化管理系統(tǒng)。

1 CAD系統(tǒng)工作流程及在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新，CAD技術(shù)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)繪圖功能，而且在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中與計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程設(shè)計(jì)、數(shù)控自動(dòng)編程共同形成一門(mén)綜合性應(yīng)用研究技術(shù)，形成CAD技術(shù)集成化系統(tǒng)流程。

CAD技術(shù)在機(jī)械工程技術(shù)中的應(yīng)用主要表現(xiàn)為：二維制圖、參數(shù)設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)分析、圖形及符號(hào)庫(kù)、三維立體造型以及文檔設(shè)計(jì)或生成報(bào)表。其中，二維制圖的出現(xiàn)代替了傳統(tǒng)的專(zhuān)業(yè)繪圖技術(shù)，也是CAD技術(shù)中最為普遍的應(yīng)用；參數(shù)設(shè)計(jì)是指根據(jù)機(jī)械零部件的適用尺寸建立圖形程序庫(kù)，調(diào)用參數(shù)賦以一組新的尺寸參數(shù)，即生成一個(gè)新的零件圖形；常見(jiàn)的工程設(shè)計(jì)分析有優(yōu)化設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析以及有限元分析等，細(xì)分某個(gè)具體設(shè)計(jì)對(duì)象的方法要依靠自身的特性去分析，如設(shè)計(jì)注塑模型時(shí)要進(jìn)行塑流分析、冷卻及變形分析等；圖形及符號(hào)庫(kù)專(zhuān)門(mén)用來(lái)儲(chǔ)存大量簡(jiǎn)單的圖形及符號(hào)，需要時(shí)可隨時(shí)調(diào)出使用，圖形及符號(hào)經(jīng)編輯、修改后可以插入其他圖形中，方便制圖與設(shè)計(jì)；三維立體造型采用實(shí)體造型設(shè)計(jì)機(jī)械工程的零部件，經(jīng)過(guò)消隱、著色等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)處理，顯示出真實(shí)的結(jié)構(gòu)形狀，可構(gòu)造延伸為零件裝配以及運(yùn)動(dòng)仿真，便于日后觀察有無(wú)干涉反應(yīng)等。在CAD技術(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要用到專(zhuān)門(mén)的計(jì)算機(jī)軟件，為某種設(shè)計(jì)屬性制成文檔形式或者生成輸出報(bào)表，以及通過(guò)直方圖、折線圖、餅圖或者各種曲線圖形來(lái)表達(dá)某種參數(shù)，從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2 CAD三維技術(shù)在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用

2.1 發(fā)揮創(chuàng)新設(shè)計(jì)模式

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念多傾向于仿型設(shè)計(jì)和改型設(shè)計(jì)，通過(guò)改變某些參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸，根據(jù)現(xiàn)有信息資料，設(shè)計(jì)出產(chǎn)品的基本結(jié)構(gòu)。因此，設(shè)計(jì)理念從一開(kāi)始就按照常規(guī)設(shè)計(jì)，使得產(chǎn)品受限于原有模式，不能實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。CAD三維技術(shù)的應(yīng)用則使機(jī)械設(shè)計(jì)理論更加充分、準(zhǔn)確地體現(xiàn)創(chuàng)新型設(shè)計(jì)效果，利用專(zhuān)家系統(tǒng)和現(xiàn)代化科技新理論，建立多種模型對(duì)比理念，激發(fā)設(shè)計(jì)人員的思路延伸，從而得到具有高科技含量的產(chǎn)品。本文給出幾種CAD技術(shù)在機(jī)械工程的設(shè)計(jì)模型以供參考，如圖1所示。

圖1 機(jī)械零件三維立體剖面圖

2.2 虛擬樣機(jī)碰撞參數(shù)測(cè)試

利用CAD軟件在機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行虛擬樣機(jī)模型建立的過(guò)程中，參數(shù)設(shè)置是一項(xiàng)非常重要的測(cè)試環(huán)節(jié)。在機(jī)械運(yùn)動(dòng)中，虛擬樣機(jī)的接觸分為碰撞接觸和持續(xù)接觸。兩種碰撞模型分別采用碰撞函數(shù)模型和泊松模型等描述。接觸力的數(shù)值采用罰函數(shù)法計(jì)算得出。罰函數(shù)值是指當(dāng)物體發(fā)生碰撞接觸時(shí)，受力面引入法向接觸力；罰函數(shù)值的大小隨滲透量和物體剛度增大而增大，存在正比例關(guān)系。物體在碰撞接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生法向力和摩擦力，一般實(shí)際應(yīng)用中會(huì)忽略接觸摩擦，并根據(jù)Coulomb摩擦定律計(jì)算切向摩擦力。

下面給出參數(shù)的基本模型。

選取虛擬樣機(jī)碰撞函數(shù)模型。由Dubosky彈簧-阻尼接觸鉸理論，得出法向力參數(shù)公式：

式（1）中，k代表罰因子（接觸剛度）；g代表碰撞接觸物體的滲透量；e代表非線性系數(shù)；c代表阻尼系數(shù)，即：

式（2）代表三次多項(xiàng)式逼近海維賽階梯函數(shù)；g代表在某一時(shí)刻碰撞接觸面的滲透量；D選取設(shè)定的最大滲透量；C為阻尼系數(shù)的全值，根據(jù)材料的特性可以選定其大小標(biāo)準(zhǔn)。

式（1）中，k的取值會(huì)影響動(dòng)力學(xué)的變化特征。當(dāng)k趨近于無(wú)窮大時(shí)，碰撞接觸物體之間符合非穿透條件，但是k取值過(guò)大會(huì)產(chǎn)生動(dòng)力學(xué)方程病態(tài)，最終無(wú)法求解方程。因此，k值與e值通常會(huì)根據(jù)接觸物體的材料剛度和幾何形狀來(lái)確定。

泊松模型得出的法向力參數(shù)公式如下：

式（3）后兩項(xiàng)分別表示碰撞物體接觸開(kāi)始與結(jié)束的滲透速度。由于k值過(guò)大會(huì)產(chǎn)生方程病態(tài)，因此在迭代計(jì)算中引入拉格朗日乘子，則式（3）可改寫(xiě)為：

j代表碰撞接觸過(guò)程中的迭代次數(shù)，且滿足：

2.3 碰撞參數(shù)優(yōu)化測(cè)試比較

利用參數(shù)分析對(duì)虛擬樣機(jī)的碰撞力作出分析，得出虛擬樣機(jī)碰撞力的波形和峰值與實(shí)際測(cè)得碰撞力的波形極為相似。兩種碰撞力的數(shù)值分析如表1所示。

表1 CAD設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)整數(shù)據(jù)表

通過(guò)ADAMS給出銅與鋼的碰撞參數(shù)值以及在實(shí)驗(yàn)中與虛擬樣機(jī)得出的兩組碰撞參數(shù)值，即在虛擬樣機(jī)建立模型中設(shè)置銅與鋼的碰撞參數(shù)。參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 銅與鋼的碰撞參數(shù)值表

本文主要設(shè)計(jì)建立碰撞參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，并通過(guò)SQP優(yōu)化測(cè)試、虛擬樣機(jī)的對(duì)比試驗(yàn)以及利用ADAMS軟件未標(biāo)明銅與鋼的碰撞參數(shù)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)了更加精確的碰撞參數(shù)。

3 CAD在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用特點(diǎn)

CAD三維機(jī)械設(shè)計(jì)不僅能夠體現(xiàn)產(chǎn)品對(duì)象的形狀、大小以及位置關(guān)系等幾何特征，還可以向設(shè)計(jì)者傳遞產(chǎn)品對(duì)象的顏色、體積、慣性矩等信息來(lái)源，從而對(duì)產(chǎn)品形象進(jìn)行數(shù)學(xué)化描述和物理型模擬，最終使設(shè)計(jì)者的表達(dá)意圖完美呈現(xiàn)。

3.1 類(lèi)似于人的思維模型

CAD機(jī)械制圖的產(chǎn)生，使得機(jī)械工程設(shè)計(jì)人員更加專(zhuān)注于產(chǎn)品設(shè)計(jì)本身，而不是將重點(diǎn)關(guān)注在表示結(jié)構(gòu)圖形。一般設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)圖形結(jié)構(gòu)時(shí)先構(gòu)思后表達(dá)，在腦海中直觀反映出三維產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。因此，表達(dá)出的幾何圖形自然符合三維實(shí)體模型。CAD三維技術(shù)設(shè)計(jì)出來(lái)的立體圖形結(jié)構(gòu)較為直觀、易于理解，有利于促進(jìn)設(shè)計(jì)師的創(chuàng)新理念，延伸設(shè)計(jì)的多向空間思維，同時(shí)方便與他人進(jìn)行溝通交流。

3.2 縮短機(jī)械工程設(shè)計(jì)周期

CAD三維機(jī)械設(shè)計(jì)在解決復(fù)雜幾何立體圖形建構(gòu)問(wèn)題方面，具有重要的發(fā)展意義。通過(guò)布爾運(yùn)算，將簡(jiǎn)單的幾何實(shí)體隨意組合成各種復(fù)雜的幾何實(shí)體，在計(jì)算機(jī)輔助作用下，自動(dòng)生成相貫線和截交線，縮減設(shè)計(jì)工作量，縮減了1/3機(jī)械設(shè)計(jì)周期，大幅提升設(shè)計(jì)與生產(chǎn)效率。CAD三維技術(shù)能通過(guò)快速重建結(jié)構(gòu)，得到各種全新的機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品，縮短了機(jī)械工程設(shè)計(jì)的周期。CAD三維技術(shù)系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)新型機(jī)械的過(guò)程中，只需對(duì)部分零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行重構(gòu)與制造，而大部分零件結(jié)構(gòu)將沿用以往信息進(jìn)行設(shè)計(jì)構(gòu)造，使得機(jī)械工程制造的效率足足提高了3至5倍。

3.3 便于修改、設(shè)計(jì)零件結(jié)構(gòu)

機(jī)械工程設(shè)計(jì)本身是一項(xiàng)極為復(fù)雜的零件構(gòu)造系統(tǒng)。利用CAD三維技術(shù)，方便在裝配環(huán)境以及相鄰零件位置形狀中設(shè)計(jì)新零件，既方便快捷，又能夠保證新零件與相鄰零件的結(jié)構(gòu)相匹配，從而避免設(shè)計(jì)出的零部件與所要求的零件不相符合。為了保證零件在設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中的合格率，需要利用CAD三維技術(shù)的輔助設(shè)計(jì)。比如，利用裝配環(huán)境中的箱體形狀快速精確地設(shè)計(jì)出符合要求的箱蓋。機(jī)械零件的裝配環(huán)境中還需要用到查找與修改。零件環(huán)境中設(shè)置有查找器，利用資源查找器可以在完成機(jī)械零件的設(shè)計(jì)造型時(shí)出現(xiàn)所有指示命令，點(diǎn)擊命令即可清楚了解制造的每一步驟，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)將零件制造的全過(guò)程通過(guò)動(dòng)畫(huà)形式形象展示在人的面前，一目了然。修改零件只需要點(diǎn)擊資源查找器中的對(duì)應(yīng)按鈕，在裝配環(huán)境中也可以實(shí)現(xiàn)修改命令，即點(diǎn)擊要修改的零件結(jié)構(gòu)，就能夠進(jìn)入裝配環(huán)境對(duì)零件進(jìn)行修改。

3.4 直觀體現(xiàn)裝配零件結(jié)構(gòu)

機(jī)械工程裝配零件過(guò)程也必須用到CAD技術(shù)才能確保設(shè)計(jì)的正確完整性。裝配零件的過(guò)程需要根據(jù)資源查找器中的裝配路徑，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)零件之間的裝配關(guān)系是否正確或者發(fā)生干涉。如果查找器顯示的路徑正常，可以對(duì)裝配零件進(jìn)行靜干涉的檢查；若出現(xiàn)干涉的情況，以可及時(shí)修改零件，保證機(jī)械工程設(shè)計(jì)的正確性。此外，外部零件能夠進(jìn)行隱藏，只顯示內(nèi)部的裝配結(jié)構(gòu)，同時(shí)可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，清楚觀察到機(jī)械的運(yùn)動(dòng)全過(guò)程，有利于保證機(jī)械設(shè)計(jì)的完整性。利用CAD技術(shù)可以直接在計(jì)算機(jī)上對(duì)零件進(jìn)行虛擬加工，同時(shí)檢測(cè)零件在加工過(guò)程中是否存在干涉和質(zhì)量上的問(wèn)題，從而節(jié)約試驗(yàn)資本支出。機(jī)械設(shè)計(jì)需要綜合觀察模型的運(yùn)動(dòng)路徑，判斷是否按照一定的運(yùn)動(dòng)行程演示活動(dòng)，或者在靜態(tài)情況不發(fā)生干涉時(shí)檢測(cè)是否在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生碰撞。發(fā)現(xiàn)有異常的運(yùn)動(dòng)軌跡，及時(shí)作出處理和修改，從而避免機(jī)械工程產(chǎn)品在生產(chǎn)出實(shí)體后才發(fā)現(xiàn)問(wèn)題而浪費(fèi)資源的現(xiàn)象。

4 CAD技術(shù)在我國(guó)工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的發(fā)展前景

4.1 圖形交互技術(shù)

CAD已經(jīng)成為設(shè)計(jì)辦公軟件的主要?jiǎng)?chuàng)新工具，不僅能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)者提供廣闊的思路，解放認(rèn)識(shí)上的束縛，情境引入到創(chuàng)造性活動(dòng)中，而且成為設(shè)計(jì)者的專(zhuān)業(yè)小幫手，如智能化圖標(biāo)菜單、動(dòng)態(tài)導(dǎo)航器等，方便了我們的生活應(yīng)用。隨著信息化水平的不斷提高與體系的完整，五筆輸入法、語(yǔ)言識(shí)別功能以及特征手勢(shì)建模等新型技術(shù)，正豐富、改變著人類(lèi)世界的生活。

4.2 智能化操作

智能化CAD操作技術(shù)服務(wù)于人類(lèi)的控制活動(dòng)，是一項(xiàng)體現(xiàn)高智能化的人類(lèi)創(chuàng)造性活動(dòng)，同時(shí)也是高速發(fā)展經(jīng)濟(jì)社會(huì)的必然方向。智能化操作水平以信息化、知識(shí)化理念為載體，及時(shí)向設(shè)計(jì)者提供精確的數(shù)據(jù)分析，并達(dá)到一定的技術(shù)幫助。智能化操作還體現(xiàn)在理解設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖、自動(dòng)檢測(cè)設(shè)計(jì)失誤狀況、智能化回答問(wèn)題以及提出解決方案并進(jìn)行推理等?，F(xiàn)代化設(shè)計(jì)水準(zhǔn)以創(chuàng)新為核心概念，如何把創(chuàng)新應(yīng)用融入到CAD技術(shù)，是一項(xiàng)具有深遠(yuǎn)意義的操作技能。因此，采用智能化系統(tǒng)去優(yōu)化新產(chǎn)品、工程、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，才能符合現(xiàn)代化要求的創(chuàng)新理念。

4.3 虛擬現(xiàn)實(shí)操作

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是指設(shè)計(jì)人員在虛擬環(huán)境中創(chuàng)造新產(chǎn)品，利用人機(jī)工程學(xué)原理對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行效果檢驗(yàn)，在虛擬世界中可以直接操作產(chǎn)品對(duì)象并檢驗(yàn)使用效果是否舒適，對(duì)于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中的干涉與運(yùn)動(dòng)碰撞問(wèn)題可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并修改處理。建立虛擬原理體驗(yàn)和虛擬樣機(jī)，可以全方位觀察設(shè)計(jì)新產(chǎn)品的外形與構(gòu)造，從而建立全面的評(píng)價(jià)體系。虛擬制造、虛擬工廠以及動(dòng)態(tài)企業(yè)聯(lián)盟，是CAD技術(shù)在電子商業(yè)時(shí)代的一個(gè)重要體現(xiàn)。虛擬制造是指利用虛擬的原型來(lái)代替實(shí)體對(duì)其加工、測(cè)試、仿真、分析，從而真實(shí)而有效地評(píng)價(jià)其操作性能、可裝配性以及控制成本等。任何虛擬制造都可以實(shí)現(xiàn)在真實(shí)產(chǎn)品制造前解決異常情況，降低錯(cuò)誤率，從而降低制造成本。

4.4 實(shí)現(xiàn)安防監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著機(jī)械工程的設(shè)計(jì)理念不斷趨于完善化，安全防護(hù)以及監(jiān)控技術(shù)成為機(jī)械制造業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中健康穩(wěn)定發(fā)展的積極因素。因此，機(jī)械CAD技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展極大地促進(jìn)了安全防護(hù)功能的性質(zhì)體驗(yàn)。CAD系統(tǒng)功能的強(qiáng)化轉(zhuǎn)變有利于安防監(jiān)控設(shè)施的實(shí)地應(yīng)用以及實(shí)時(shí)監(jiān)控，強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算功能使產(chǎn)品歸于常規(guī)設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)以及可靠性設(shè)計(jì)，精確的數(shù)據(jù)流與數(shù)字仿真模擬技術(shù)均在安防監(jiān)控領(lǐng)域應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。

5 結(jié)語(yǔ)

CAD技術(shù)的快速發(fā)展和多維方向延伸，對(duì)我國(guó)機(jī)械制造以及安防監(jiān)控工程領(lǐng)域有著重要的發(fā)展意義。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及概念設(shè)計(jì)貫穿產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，對(duì)其設(shè)計(jì)理念、技術(shù)創(chuàng)新均發(fā)揮了重要作用。利用基于網(wǎng)絡(luò)的CAD集成技術(shù)，全方位體現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)理念以及制造發(fā)展，已經(jīng)成為機(jī)械工程設(shè)計(jì)的主要發(fā)展趨勢(shì)?？梢?jiàn)，先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念與手段是機(jī)械工程制造業(yè)在激烈市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)處于不敗之地的必要保證。協(xié)調(diào)好設(shè)計(jì)理念、制造施工以及生產(chǎn)管理之間的合作關(guān)系，在現(xiàn)實(shí)世界中構(gòu)建以CAD技術(shù)為主的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)管理、協(xié)同設(shè)計(jì)理念的模型，才能提升工作效率，帶動(dòng)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益的增長(zhǎng)。

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Application of CAD in Mechanical Engineering Design

GE Hao, XING Gengli, LIU Hui
(The First Research Institute of Ministry of Public Security, Beijing 100048)

With the continuous improvement of modern information level and the rapid growth of social and economic development, computer-aided technology (CAD) has been widely used in mechanical engineering design, and gradually replaced the traditional mechanical engineering design industry. The rapid development of information-based world, led to three-dimensional CAD technology towards a more mature and standardized technology direction. Therefore, the correct grasp of the development trend of CAD technology and application prospects of China’s mechanical engineering design has far-reaching practical significance. In this paper, CAD technology for the basic concepts, system components, design concepts and application development of research advice in order to the future of mechanical CAD in the field of security monitoring applications play a certain reference value.

mechanical engineering design, CAD threedimensional technology, security monitoring field