機械產(chǎn)品和零件的計算機輔助設(shè)計

杜高毅 裴思晨 張宇鑫 梁俊俊 徐潤杰

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新技術(shù)和新設(shè)備被廣泛應(yīng)與各行各業(yè)，推動了人類文明的不斷發(fā)展。當前，利用計算機的某些軟件，可以對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、顏色以及外形等進行輔助設(shè)計，一定程度上解決了機械設(shè)計工作相對復(fù)雜，設(shè)計時間長等問題，推動了機械設(shè)計的智能化發(fā)展。因此，研究分析計算機輔助設(shè)計技術(shù)在機械設(shè)計中的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：計算機輔助設(shè)計;機械產(chǎn)品設(shè)計;應(yīng)用優(yōu)勢

一、計算機輔助設(shè)計概述

所謂計算機輔助設(shè)計，就是在機械設(shè)計過程中，將一些復(fù)雜性的人工難以完成的設(shè)計工作，轉(zhuǎn)化成數(shù)字、圖像等格式，利用計算機的軟件，輔助相關(guān)設(shè)計人員完成設(shè)計工作。常見的計算機輔助設(shè)計技術(shù)包括圖形變化技術(shù)、實體造型技術(shù)、交互技術(shù)等，并在圖形輸入板、掃描儀等硬件設(shè)備的支持下，完成各類機械產(chǎn)品的設(shè)計模型制作。

在機械工程當中，機械設(shè)計是實現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)的基礎(chǔ)。而相關(guān)設(shè)計人員在進行機械設(shè)計過程中，需要根據(jù)產(chǎn)品本身的實際要求，來對整個產(chǎn)品的機械制造完成圖像化的描述。傳統(tǒng)的機械設(shè)計過程中，均依靠人工來完成所有的模型設(shè)計，需要消耗大量的人力和時間，而計算機輔助設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用，可以利用計算機強大的處理能力，建立機械產(chǎn)品相關(guān)的模型，并完成對產(chǎn)品性能和參數(shù)等方面的分析和研究，有助于幫助相關(guān)設(shè)計人員不斷的優(yōu)化設(shè)計方案，節(jié)省機械設(shè)計的時間

二、計算機輔助設(shè)計及參數(shù)化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

計算機輔助設(shè)計技術(shù)是隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展而逐步發(fā)展起來，在機械設(shè)計領(lǐng)域，CAD技術(shù)己使設(shè)計方法和手段發(fā)生了根本變革，大幅度地提高了設(shè)計質(zhì)量，縮短了設(shè)計周期，大大地增強了機械產(chǎn)品在市場上的競爭能力，因而越來越受到了人們的重視。

早期的CAD系統(tǒng)，其設(shè)計結(jié)果的工程圖紙僅僅實現(xiàn)了用計算機及其設(shè)備出圖，就產(chǎn)品圖形而言，不過是幾何圖素（點、線、面、?。┑钠唇?，是產(chǎn)品的可視形狀，并不包含產(chǎn)品圖形內(nèi)在的拓撲關(guān)系和尺寸約束。因此，當需要改變圖形中哪怕任一微小的部分，都要擦除重畫。這不僅使設(shè)計者投入相當?shù)木τ糜谥貜?fù)勞動，而且，這種重復(fù)勞動的結(jié)果并不能充分反映設(shè)計者對產(chǎn)品的本質(zhì)構(gòu)思和意圖。

在CAD中，參數(shù)化技術(shù)是采用參數(shù)預(yù)定義的方法建立圖形的集合約束集，指定一組尺寸作為參數(shù)使其與幾何約束集相關(guān)聯(lián)，并將所有的關(guān)聯(lián)式融入到應(yīng)用程序中，然后以人機交互方式修改參數(shù)尺寸，通過參數(shù)化尺寸驅(qū)動實現(xiàn)對設(shè)計結(jié)果的修改。正是有了這種參數(shù)化建模技術(shù)，才使得數(shù)據(jù)的改變在不同層次之間的傳遞變得唯一個即時。這樣，才有了真正意義上的自頂向下設(shè)計及以這種設(shè)計為基礎(chǔ)的并行設(shè)計，它是團隊設(shè)計的基礎(chǔ)。

2.1參數(shù)化設(shè)計

參數(shù)化設(shè)計也叫尺寸驅(qū)動，是現(xiàn)代設(shè)計的一大特色。我們之所以采用這種技術(shù)，不僅是因為CAD系統(tǒng)具有交互式繪圖功能，還具有自動繪圖等許多優(yōu)點。利用參數(shù)化設(shè)計手段開發(fā)的專用產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)，可使設(shè)計人員從大量繁重而瑣碎的繪圖工作中解脫出來，可以大大提高設(shè)計速度，并減少信息的存儲量。

2.1.1參數(shù)化的方法

參數(shù)化設(shè)計的一種驅(qū)動機制即參數(shù)驅(qū)動，參數(shù)驅(qū)動機制是基于對圖形數(shù)據(jù)的操作。通過參數(shù)驅(qū)動機制，可以對圖形的幾何數(shù)據(jù)進行參數(shù)化修改，在修改的同時，滿足圖形的約束條件，需要約束間關(guān)聯(lián)性的必須手段即約束聯(lián)動，約束聯(lián)動是通過約束間的關(guān)系實現(xiàn)的。對一個圖形，可能的約束十分復(fù)雜，而且數(shù)量很大。而實際由用戶控制的，即能夠獨立奪化的參數(shù)一船只有幾個，稱之為主參數(shù)或主約束;其他約束可由圖形結(jié)構(gòu)特征確定或與主約束之間有確定關(guān)系，即所謂的次約束。對主約束是不能簡化的，對次約束的簡化是通過圖形特征聯(lián)動和相關(guān)參數(shù)聯(lián)動兩種方式來實現(xiàn)的。

2.1.2參數(shù)化建模

要實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)，關(guān)鍵在于建立參數(shù)化的模型。參數(shù)化建模是幾何建模的一個發(fā)展方向，它可以大大提高模型的生成和修改的速度，在產(chǎn)品的系列化、相似設(shè)計及專用系統(tǒng)開發(fā)等方面具有較大的應(yīng)用價值，目前參數(shù)化建模方法主要有變量幾何法和基于結(jié)構(gòu)生成歷程的方法。

三、計算機輔助設(shè)計在機械設(shè)計中的應(yīng)用優(yōu)勢

為了提高機械設(shè)計的質(zhì)量，必須重視實踐與理論相結(jié)合的原則，尤其是計算機輔助設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用，有助于幫助相關(guān)設(shè)計人員更全面的對整個機械設(shè)計過程進行掌控，其主要優(yōu)點體現(xiàn)在以下幾個方面。

3.1提高機械設(shè)計的質(zhì)量

對于機械產(chǎn)品而言，不僅要求其具有較高的硬度，而且還需要滿足不同的性能要求。通過計算機輔助設(shè)計的應(yīng)用，可以利用軟件對機械產(chǎn)品的有限元受力情況展開分析，便于設(shè)計人員掌握機械產(chǎn)品的受力情況，進而對設(shè)計進行優(yōu)化，確保產(chǎn)品的設(shè)計符合客戶對其性能的要求。

3.2提高了機械設(shè)計的速度

傳統(tǒng)的人工繪制方式，即便是在較為簡單的機械產(chǎn)品設(shè)計過程中，也需要消耗大量的時間，不利于產(chǎn)品的后期生產(chǎn)。尤其是一些復(fù)雜的零件，在人工設(shè)計過程中很容易出現(xiàn)誤差，導(dǎo)致產(chǎn)品性能方面存在問題，需要反復(fù)試驗進行設(shè)計優(yōu)化。而計算機輔助設(shè)計技術(shù)，通過二維繪圖以及三維設(shè)計的方式，給相關(guān)設(shè)計人員提供了極大的便利，在縮短了機械設(shè)計時間的同時，也簡化了機械設(shè)計的修改流程。

四、 計算機輔助設(shè)計在機械設(shè)計中的應(yīng)用

4.1二維繪圖

計算機輔助設(shè)計軟件為機械設(shè)計提供了二維繪圖的功能，可以利用計算機軟件，幫助設(shè)計人員完成大多數(shù)的設(shè)計操作，同時還可以提供一些建議，極大的降低了繪圖的時間和工作量，提高了設(shè)計人員的工作效率，保障了機械設(shè)計的質(zhì)量。

4.2三維設(shè)計

對于機械設(shè)計而言，就是利用簡單的幾何結(jié)構(gòu)完成復(fù)雜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程。而產(chǎn)品都是三維的。計算機輔助設(shè)計技術(shù)為機械設(shè)計提供了三維設(shè)計功能，可以幫助相關(guān)設(shè)計人員更清晰、更直觀的了解機械設(shè)計的效果，并利用零部件模擬組裝功能，可以幫助設(shè)計人員在設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)其中存在的問題，從而采取有效的技術(shù)措施進行設(shè)計優(yōu)化，甚至可以實現(xiàn)產(chǎn)品的性能的優(yōu)化。

結(jié)語

綜上所述，計算機輔助設(shè)計技術(shù)大大簡化機械設(shè)計的流程，縮短了設(shè)計周期，提高了相關(guān)工作者的設(shè)計質(zhì)量，相關(guān)設(shè)計人員應(yīng)重視該項技術(shù)的應(yīng)用和推廣。當前，在計算機輔助設(shè)計技術(shù)方面，我國尚處于起步階段，仍存在一定問題限制了計算機輔助設(shè)計的具體應(yīng)用，因此，設(shè)計人員必須積極學(xué)習(xí)，吸取國外先進的技術(shù)和應(yīng)用經(jīng)驗，結(jié)合我國的實際情況，提高計算機輔助設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用質(zhì)量，推動我國機械設(shè)計行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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