基于CAD 在機械設(shè)計中應(yīng)用的探索性研究

劉碧云

（廣東省機械技師學(xué)院，廣東 廣州510450）

我國在邁向制造業(yè)強國的道路上，必然要發(fā)展機械設(shè)計與制造行業(yè)。CAD 技術(shù)是機械設(shè)計中必用工具，它將設(shè)計人員從繁瑣緩慢的手工繪圖中解放出來，使設(shè)計人員工作效率更高。CAD 技術(shù)針對不同層級的人員有不同層級的應(yīng)用模塊可學(xué)。其工具性強，適用于各不同行業(yè)，且優(yōu)勢突出，在大量行業(yè)中應(yīng)用廣泛。CAD 對行業(yè)的發(fā)展能起到強力作用，甚至可以提高行業(yè)的經(jīng)濟效應(yīng)。

1 CAD 的概述

1.1 CAD 的基本概念

CAD 全稱Computer Aided Design，計算機輔助設(shè)計，是利用計算機輔助設(shè)計人員進行工作的技術(shù)。正如其名，計算機以其強大的計算和存儲功能，在CAD 技術(shù)中起到核心作用。計算機能在大量不同方案中快速比較并抉擇出最佳方案，存儲各種設(shè)計信息并快速提取，將草圖便捷地轉(zhuǎn)換成工作圖，快速地將圖形轉(zhuǎn)換成程序并進行編輯加工。CAD 技術(shù)是制造業(yè)中的常用工具，它能將設(shè)計產(chǎn)品轉(zhuǎn)化成模型，在各行各業(yè)中都有創(chuàng)新性應(yīng)用。裝修樓房建筑和工業(yè)零件制造都可以借助CAD 進行設(shè)計和二維圖樣的轉(zhuǎn)化。CAD 技術(shù)作為研究課題而言，有幾大特點造就了它的前沿地位：知識網(wǎng)絡(luò)緊密、智商要求高、經(jīng)濟利益轉(zhuǎn)化快、對綜合能力要求高。

1.2 CAD 的歷史

二十世紀中葉麻省理工研究人員建立了CAD 的雛形，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展出三維CAD 技術(shù)。由于昂貴的成本，在我國最初只應(yīng)用于高端且極其重要的工業(yè)線。隨著我國經(jīng)濟的（轉(zhuǎn)下頁）發(fā)展，它在我國各行業(yè)也更加推廣。

2 CAD 在機械設(shè)計中的應(yīng)用

2.1 零件實體建模

零件建模就是確定零件所需特征的過程。零件與特征之間的關(guān)系是具有層次性的。設(shè)計人員構(gòu)建零件的生產(chǎn)模型，需要借助強大的空間想象能力，結(jié)合零件建模的經(jīng)驗技巧,使用合理的方法，才能完成任務(wù)。三維CAD 技術(shù)中主要的建模形式是表面模型、線框模型和實體模型這3 種。CAD 設(shè)計中包括六類基本體: 球體, 圓錐體, 楔體, 立方體, 圓柱體和環(huán)形體。在CAD軟件中，設(shè)計師將零件拆分成基本體，再將各個基本體進行數(shù)據(jù)優(yōu)化，進而得到最優(yōu)模型。運用CAD 技術(shù)，工程師可以根據(jù)產(chǎn)品的要求創(chuàng)建與要求尺寸完全相同的模型，提升機械工程設(shè)計效率，減少人員的工作量。三維CAD 軟件還能將零部件的實體模擬出來以便進一步修改。

2.2 裝配體建模

裝配體建模是借助CAD 軟件把零件裝配成模型的過程。機械設(shè)計的對象除零件外還有各零件間的組合方式。善用三維編輯功能的設(shè)計人員能夠在一定程度上對機械產(chǎn)品零件進行合理裝配，最終實現(xiàn)裝配圖的實體生成[2]。裝配需要確認的除零件位置外還有零件參數(shù)。

2.3 模具的集成制造

模具集成制造是CAD 的重要應(yīng)用。模具CAD 指用CAD 進行模具設(shè)計。借助CAD，機械設(shè)計與制造人員能夠系統(tǒng)全面地進行模具集成制造。尤其是激光快速成型技術(shù)，為設(shè)計師給予了許多便利。倘若與其他技術(shù)融合，就能對學(xué)科總體造成極其正面的影響。如今科學(xué)技術(shù)發(fā)達，模具CAD/CAM激光快速成型技術(shù)已被廣泛利用。CAD 使模具的設(shè)計質(zhì)量不斷提高，從而維持機械設(shè)計水平向上的發(fā)展趨勢。

2.4 輔助繪圖、設(shè)計機械

傳統(tǒng)的機械設(shè)計一般需要大量的手工繪圖，而手工繪圖大多數(shù)情況下會降低信息的準確性和整體的美觀性，且效率低下。CAD 軟件制圖借完成繪圖指令來提升機械設(shè)計圖的質(zhì)量和效率，已經(jīng)取代手工繪圖成為新的主流。機械設(shè)計制圖總體水平呈向上趨勢。

3 CAD 在機械設(shè)計中應(yīng)用的優(yōu)勢

3.1 直觀

CAD 技術(shù)的二維功能和三維功能都能為設(shè)計師提供許多便利，尤其是三維功能的直觀性。CAD 三維立體模型的設(shè)計能夠設(shè)置每一個零部件材質(zhì)，不同材質(zhì)有不同顯示，能一眼看出整體模型在更深層意義上的構(gòu)成。

3.2 參數(shù)化，易于調(diào)整零件

CAD 的參數(shù)化是給設(shè)計師在調(diào)整的便利、提高設(shè)計效率的原因。機械設(shè)計一般設(shè)計師手工用繪圖工具進行設(shè)計，每次修改都要全盤重新繪制，增加許多無意義的工作量，影響設(shè)計工作的順利進行，偏偏這種修改又是無可避免且頻繁的。使用CAD 軟件時，當需要修改個別零件，可以通過修改周邊零件來容許其自然加入原有設(shè)計，提高了產(chǎn)品模型的精度和質(zhì)量，避免了無意義的重繪工作，使機械設(shè)計效率提高。結(jié)合模型數(shù)據(jù)庫，設(shè)計師可以在遵循設(shè)計理念的同時，組裝或是拆散相關(guān)的設(shè)計圖形。通過參考待修改零件的周邊零部件，設(shè)計師可以便利地直接更改該零件的參數(shù)。三維CAD 軟件可詳細展示出所有零部件的裝配形式，使模擬裝配更加可靠，在實際裝配中減少出差錯的風(fēng)險。通過查看模型，可以便捷地發(fā)現(xiàn)問題，易于修改。裝配的歷史修改記錄系統(tǒng)允許設(shè)計師隨時調(diào)查每個零件的修改過程。

3.3 提高設(shè)計效率，縮短設(shè)計周期

CAD 技術(shù)能夠改善機械設(shè)計的工作方式，將手工作業(yè)替換成機械作業(yè)，減輕設(shè)計師的工作壓力，提升工作效率。曾經(jīng)的人工手繪建立在人腦空間想象能力的基礎(chǔ)上，難度高，需要考慮結(jié)構(gòu)反復(fù)核實修改，操作繁瑣，容易因小錯變得難以挽回。在這個過程中會浪費大量時間和人力資源。CAD 軟件只要輸入數(shù)據(jù)就能生成機械設(shè)計圖。CAD 保證數(shù)據(jù)準確無誤的同時，能夠修改相關(guān)數(shù)據(jù)并保留，對重要設(shè)計能強調(diào)顯示，方便查看和修改。CAD 軟件可以保存歷史數(shù)據(jù)樣本，允許設(shè)計師調(diào)動并重復(fù)利用，需要重新設(shè)計與制造的僅部分零部件，將設(shè)計效率提升3 倍以上。據(jù)調(diào)查顯示，當今機械設(shè)計所需時間僅過往的百分之六十。

4 結(jié)論

在當今，機械設(shè)計輔助技術(shù)愈發(fā)智能化、自動化、科技化。通過CAD 技術(shù)，設(shè)計師能提升工作效率和設(shè)計的標準化程度。CAD 技術(shù)的進步，不僅幫助了廣大設(shè)計師，而且提高了行業(yè)整體水平，對企業(yè)也有很大的正面影響。