機(jī)械CAD技術(shù)的發(fā)展

趙欣

（沈陽(yáng)星光建材學(xué)校，遼寧 沈陽(yáng) 110026）

機(jī)械CAD技術(shù)的發(fā)展

趙欣

（沈陽(yáng)星光建材學(xué)校，遼寧 沈陽(yáng) 110026）

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)的發(fā)展，從根本上改變了機(jī)械設(shè)計(jì)自動(dòng)化的研究方向，大大提高了機(jī)械設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率，縮短了產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期，在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域正在引起深刻的變革。

機(jī)械設(shè)計(jì)；CAD技術(shù)；計(jì)算機(jī)技術(shù)

1 機(jī)械CAD技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史

在過(guò)去的40多年中，CAD技術(shù)經(jīng)歷了4個(gè)主要發(fā)展階段。20世紀(jì)50年代的初始準(zhǔn)備階段，美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）于1950年在“旋風(fēng)”計(jì)算機(jī)上采用陰極射線(xiàn)管（CRT）做成圖形終端，并能顯示圖形。20世紀(jì)50年代后半期出現(xiàn)了光筆，由此開(kāi)始了交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究。620世紀(jì)0年代前期的研制試驗(yàn)階段，是交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展的最重要時(shí)期。該時(shí)期較著名的交互式系統(tǒng)有：1962年美國(guó)學(xué)者Ivan. Sutherland研究“skrtchpad”系統(tǒng)；1964年美國(guó)通用汽車(chē)共識(shí)的“DAC-1”系統(tǒng)；1965年洛克希德公司推出的“CADAM”系統(tǒng)；貝爾電話(huà)公司的“GRAPHIC-1”系統(tǒng)等，但當(dāng)時(shí)刷新式顯示器價(jià)格十分昂貴，CAD系統(tǒng)因此難以普及。

20世紀(jì)60年代末至20世紀(jì)70年代的商品化階段，交互圖形技術(shù)日益成熟并得到廣泛應(yīng)用，此期CAD的發(fā)展著重于繪圖技術(shù)，幾何模型化及工程分析研究工作，仍以分離的單個(gè)軟件應(yīng)用為主。此時(shí)它們大多是16位機(jī)上的三維線(xiàn)框系統(tǒng)及二維繪圖系統(tǒng)，只能解決一些簡(jiǎn)單的產(chǎn)品設(shè)計(jì)問(wèn)題。20世紀(jì)80年代的迅速發(fā)展階段，工業(yè)界開(kāi)始認(rèn)識(shí)到CAD/CAM新技術(shù)，大量推出了新原理、新方法、新軟件，并把單一功能軟件集成，使之不但能繪制工程圖形，而且能進(jìn)行自由曲面設(shè)計(jì)、有限元分析、三維造型、機(jī)構(gòu)及機(jī)器人分析與仿真等多種應(yīng)用。與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)硬件及輸入、輸出設(shè)備也有較大發(fā)展，32位的工作站可以和小型機(jī)、甚至中型機(jī)媲美，價(jià)格低廉的彩色光柵圖形顯示器占據(jù)傳統(tǒng)地位，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)獲得廣泛應(yīng)用，所有這些都大大促進(jìn)了CAD/CAM的更大發(fā)展。

改革開(kāi)放30年來(lái)在國(guó)家統(tǒng)一規(guī)劃下，以汽車(chē)、拖拉機(jī)、減速器、內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器、汽輪機(jī)、軸承、發(fā)電設(shè)備、組合機(jī)床、數(shù)控等20多種機(jī)械產(chǎn)品為開(kāi)發(fā)對(duì)象，開(kāi)發(fā)上述產(chǎn)品的CAD應(yīng)用系統(tǒng)及CAD方面，也推進(jìn)了許多軟件，其中包括機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)、傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、有限元設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、數(shù)控加工、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具、結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化、運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)分析、三維實(shí)體造型、數(shù)據(jù)庫(kù)等模塊。

進(jìn)入20世紀(jì)90年底，我國(guó)的CAD技術(shù)出現(xiàn)了快速發(fā)展勢(shì)頭。筆者所編制的平鍵聯(lián)結(jié)的CAD程序，使用戶(hù)在1~2min內(nèi)可完成原來(lái)需要數(shù)十小時(shí)的設(shè)計(jì)工作。它根據(jù)輸入的軸徑在數(shù)組K和數(shù)組a中查找與軸相配合的鍵高和鍵寬及鍵槽深數(shù)值，并給出尺寸公差和鍵長(zhǎng)值，還可自動(dòng)顯示軸徑或鍵長(zhǎng)出界信息。目前國(guó)內(nèi)大型設(shè)計(jì)院中，90%以上的計(jì)算工作量，50%的方案設(shè)計(jì)，25%的繪圖工作是用CAD完成的。

但總的來(lái)說(shuō)，我國(guó)的CAD技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域還是很有限，尚未形成市場(chǎng)規(guī)模，與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還有很大差距。CAD技術(shù)在廣大企業(yè)中應(yīng)用還僅僅處于起步階段。

2 機(jī)械CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

（1）集成化。為適應(yīng)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造自動(dòng)化的要求，特別是近年來(lái)出現(xiàn)的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS的要求，進(jìn)一步提高集成水平是CAD/CAM的重要發(fā)展方向之一。當(dāng)然，提高集成水平還要做以下方面工作：①在幾何造型方面，必須實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)的實(shí)體造型到參數(shù)化特征的造型轉(zhuǎn)變，以便包括幾何信息在內(nèi)的產(chǎn)品信息模型(包括幾何、工藝、加工、管理等信息)，創(chuàng)造CAD、CAPP，數(shù)控編程集成的必要條件。②CAD/CAM系統(tǒng)必須有自己統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)及其管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)要以產(chǎn)品信息模型為基礎(chǔ)，使CAD/CAM系統(tǒng)內(nèi)各模型都可以從統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行信息存取。③解決好不同CAD系統(tǒng)間產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換問(wèn)題，應(yīng)逐步內(nèi)部應(yīng)包括種類(lèi)更多、功能更為完善的設(shè)計(jì)及應(yīng)用軟件。例如CAPP軟件、面向?qū)ο蟮母鞣N應(yīng)用軟件、文字處理軟件等，使整個(gè)系統(tǒng)功能更為完善。

（2）智能化。①零部件設(shè)計(jì)。先后有三角帶、傳動(dòng)軸、減速器、變速箱等智能CAD系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。②方案設(shè)計(jì)和最優(yōu)化選擇。③專(zhuān)家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具等。但目前在這方面還有以下兩個(gè)問(wèn)題需要解決：一個(gè)是并行設(shè)計(jì)、方案設(shè)計(jì)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)的智能化。發(fā)展新的設(shè)計(jì)理論和方法，特別是并行工程的設(shè)計(jì)理論以及概念設(shè)計(jì)理論，它們均是當(dāng)前CAD系統(tǒng)。另一個(gè)是繼續(xù)深入研究機(jī)械設(shè)計(jì)型專(zhuān)家系統(tǒng)的一些基本理論及技術(shù)問(wèn)題。如知識(shí)表達(dá)、知識(shí)獲取、推進(jìn)機(jī)智、工具系統(tǒng)的研制等。

（3）標(biāo)準(zhǔn)化。隨著CAD技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題越來(lái)越顯示它的重要性。迄今已制定了不少標(biāo)準(zhǔn)，例如圖形設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)GKS、PHIGS，面向不同CAD系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)IGES、STEP，此外還有窗口標(biāo)準(zhǔn)等。隨著技術(shù)的進(jìn)步，新標(biāo)準(zhǔn)還會(huì)出現(xiàn)，而由此構(gòu)成的STEP技術(shù)，將深刻地影響著產(chǎn)品的建模、數(shù)據(jù)管理、外部接口等。

3 我國(guó)“九五”期間CAD發(fā)展的任務(wù)

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)家對(duì)CAD技術(shù)的應(yīng)用十分重視，以國(guó)家科委牽頭，國(guó)務(wù)院信息辦等10部委聯(lián)合組成了CAD應(yīng)用工程協(xié)調(diào)指導(dǎo)小組，并在1992年開(kāi)始實(shí)施“CAD應(yīng)用工程計(jì)劃”。國(guó)家科委在“我國(guó)CAD應(yīng)用工程發(fā)展綱要”中又提出：“九五”期間，我國(guó)將在國(guó)民經(jīng)濟(jì)主要部門(mén)的科研、設(shè)計(jì)單位和企業(yè)大面積普及CAD技術(shù)，擺脫手工計(jì)算，甩掉繪圖板，實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)現(xiàn)代化，提高設(shè)計(jì)工作效率和質(zhì)量，擴(kuò)大我國(guó)的CAD市場(chǎng)，并建立起我國(guó)的CAD產(chǎn)業(yè)。提出機(jī)械、電子、工程建設(shè)、航空、航天、船舶等主要行業(yè)的大中型骨干企業(yè)和科研設(shè)計(jì)單位普及應(yīng)用CAD技術(shù)，同時(shí)在全國(guó)各類(lèi)企業(yè)事業(yè)單位中大規(guī)模推廣應(yīng)用CAD技術(shù)，到2010年主要行業(yè)應(yīng)用CAD技術(shù)的普及率和覆蓋率均應(yīng)達(dá)70%以上。在國(guó)內(nèi)CAD市場(chǎng)上，國(guó)產(chǎn)硬件與具有我國(guó)自主版權(quán)的支撐軟件和應(yīng)用軟件所組成的CAD系統(tǒng)，其市場(chǎng)占有率應(yīng)達(dá)30%左右，并力爭(zhēng)打入國(guó)際市場(chǎng)。實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)CAD系統(tǒng)商品化，形成年產(chǎn)規(guī)模達(dá)2萬(wàn)套CAD軟件系統(tǒng)的能力，年銷(xiāo)售額10億元，年增長(zhǎng)率為15~20%，CAD應(yīng)用水平達(dá)到國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家20世紀(jì)80年代末90年代初的水平。在北京、上海、深圳、西安等地建立一批CAD軟件開(kāi)發(fā)基地和相應(yīng)的咨詢(xún)服務(wù)機(jī)構(gòu)，并推出部分具有我國(guó)自主版權(quán)的有一定市場(chǎng)規(guī)模的CAD支撐軟件和一批商業(yè)化的CAD應(yīng)用軟件、建立全國(guó)CAD應(yīng)用工程培訓(xùn)網(wǎng)絡(luò)，利用多渠道在職培訓(xùn)大批CAD人才。

跟蹤國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，積極參加國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作，盡快把國(guó)際有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化成國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。加強(qiáng)CAD人才培養(yǎng)工。除全國(guó)工科院校學(xué)生要全面接受CAD技術(shù)基礎(chǔ)教育外，還要充分發(fā)揮各級(jí)CAD培訓(xùn)網(wǎng)點(diǎn)的作用，每年培訓(xùn)在職職工5~6萬(wàn)人，加強(qiáng)對(duì)企業(yè)決策者的培訓(xùn)工作。機(jī)械CAD技術(shù)在我國(guó)已有了良好的開(kāi)端，隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的引入，機(jī)械工業(yè)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求越來(lái)越高，更新?lián)Q代周期越來(lái)越短，對(duì)CAD的需求也將越來(lái)越迫切。

Development of Mechanical CAD Technology

ZHAO Xin
（Shenyang Starlight Construction School，Shenyang，Liaoning 110026，China）

The development of computer aided design（CAD）technology has fundamentally changed the direction of study of mechanical design automation，greatly improved the machine design quality and efficiency shortened the cycle of product upgrades，which is leading profound changes in the field of mechanical design.

mechanical design；CAD technology；computer technology

TP391.72

A

2095-980X（2017）04-0038-02

2017-03-23

趙欣（1980-），女，遼寧人，大學(xué)本科，主要研究方向：機(jī)械。