應(yīng)用ＣＡＤ技術(shù)的現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)

摘要：在機(jī)械設(shè)計(jì)中引入CAD技術(shù)，可以解決機(jī)械企業(yè)中重復(fù)性設(shè)計(jì)多、信息資源利用率低的難題，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì)；CAD技術(shù)

1 CAD技術(shù)的發(fā)展

CAD(Computer Aided Design)是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的英文縮寫(xiě)，是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形處理能力和數(shù)值計(jì)算能力，輔助工程技術(shù)人員進(jìn)行工程或產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與分析，達(dá)到理想的目的，并取得創(chuàng)新成果的一種技術(shù)。自1950年計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)誕生以來(lái)，已廣泛地應(yīng)用于機(jī)械、電子、建筑、化工、航空航天以及能源交通等領(lǐng)域，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率飛速地提高?，F(xiàn)已將計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)（Com-puter Aided Manufacturing，CAM）和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)（Product Data Management，PDM）及計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（Computer Itegrated manufacturing system，CIMS）集于一體。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)是決定產(chǎn)品命運(yùn)的研究，也是最重要的環(huán)節(jié)，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作決定著產(chǎn)品75%的成本。目前，CAD系統(tǒng)已由最初的僅具數(shù)值計(jì)算和圖形處理功能的CAD系統(tǒng)發(fā)展成為結(jié)合人工智能技術(shù)的智能CAD系統(tǒng)（ICAD）(Intelligent CAD)。21世紀(jì)，ICAD技術(shù)將具備新的特征和發(fā)展方向，以提高新時(shí)代制造業(yè)對(duì)市場(chǎng)變化和小批量、多品種要求的迅速響應(yīng)能力。

以智能CAD（ICAD）為代表的現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)、智能活動(dòng)是由設(shè)計(jì)專(zhuān)家系統(tǒng)完成。這種系統(tǒng)能夠模擬某一領(lǐng)域內(nèi)專(zhuān)家設(shè)計(jì)的過(guò)程，采用單一知識(shí)領(lǐng)域的符號(hào)推理技術(shù)，解決單一領(lǐng)域內(nèi)的特定問(wèn)題。該系統(tǒng)把人工智能技術(shù)和優(yōu)化、有限元、計(jì)算機(jī)繪圖等技術(shù)結(jié)合起來(lái)，盡可能多地使計(jì)算機(jī)參與方案決策、性能分析等常規(guī)設(shè)計(jì)過(guò)程，借助計(jì)算機(jī)的支持，設(shè)計(jì)效率有了大大地提高。

2 三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的優(yōu)點(diǎn)

通過(guò)實(shí)際應(yīng)用三維CAD系統(tǒng)軟件，筆者體會(huì)到三維CAD系統(tǒng)軟件比二維CAD在機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中具有更大的優(yōu)勢(shì)，具體表現(xiàn)在以下幾點(diǎn):

2.1 零件設(shè)計(jì)更加方便

使用三維CAD系統(tǒng)，可以裝配環(huán)境中設(shè)計(jì)新零件，也可以利用相鄰零件的位置及形狀來(lái)設(shè)計(jì)新零件，既方便又快捷，避免了單獨(dú)設(shè)計(jì)零件導(dǎo)致裝配的失敗。資源查找器中的零件回放還可以把零件造型的過(guò)程通過(guò)動(dòng)畫(huà)演示出來(lái)，使人一目了然。

2.2 裝配零件更加直觀

在裝配過(guò)程中，資源查找器中的裝配路徑查找器記錄了零件之間的裝配關(guān)系，若裝配不正確即予以顯示，另外，零件還可以隱藏，在隱藏了外部零件的時(shí)候，可清楚地看到內(nèi)部的裝配結(jié)構(gòu)。整個(gè)機(jī)器裝配模型完成后還能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)演示，對(duì)于有一定運(yùn)動(dòng)行程要求的，可檢驗(yàn)行程是否達(dá)到要求，及時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行更改，避免了產(chǎn)品生產(chǎn)后才發(fā)現(xiàn)需要修改甚至報(bào)廢。

2.3 縮短了機(jī)械設(shè)計(jì)周期

采用三維CAD技術(shù)，機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)間縮短了近1/3，大幅度地提高了設(shè)計(jì)和生產(chǎn)效率。在用三維CAD系統(tǒng)進(jìn)行新機(jī)械的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，只需對(duì)其中部分零部件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和制造，而大部分零部件的設(shè)計(jì)都將繼承以往的信息，使機(jī)械設(shè)計(jì)的效率提高了3~5倍。同時(shí)，三維CAD系統(tǒng)具有高度變型設(shè)計(jì)能力，能夠通過(guò)快速重構(gòu)，得到一種全新的機(jī)械產(chǎn)品。

2.4 提高機(jī)械產(chǎn)品的技術(shù)含量和質(zhì)量

由于機(jī)械產(chǎn)品與信息技術(shù)相融合，同時(shí)采用CAD CIMS組織生產(chǎn)，機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)有了新發(fā)展。三維CAD技術(shù)采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，如優(yōu)化、有限元受力分析、產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)方針和優(yōu)化設(shè)計(jì)等，保證了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。同時(shí)，大型企業(yè)數(shù)控加工手段完善，再采用CAD/CAPP/CAM進(jìn)行機(jī)械零件加工，一致性很好，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。

3 CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1 零件與裝配圖的實(shí)體生成

3.1.1 零件的實(shí)體建模。CAD的三維建模方法有三種，即線框模型、表面模型和實(shí)體模型。在許多具有實(shí)體建模功能的CAD軟件中，都有一些基本體系。如在AutoCAD的三維實(shí)體造型模塊中，系統(tǒng)提供了六種基本體系，即立方體、球體、圓柱體、圓錐體、環(huán)狀體和楔形體。對(duì)簡(jiǎn)單的零件，可通過(guò)對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，將其分解成若干基本體，對(duì)基本體進(jìn)行三維實(shí)體造型，之后再對(duì)其進(jìn)行交、并、差等布爾運(yùn)算，便可得出零件的三維實(shí)體模型。

對(duì)于有些復(fù)雜的零件，往往難以分解成若干個(gè)基本體，使組合或分解后產(chǎn)生的基本體過(guò)多，導(dǎo)致成型困難。所以，僅有基本體系還不能完全滿足機(jī)器零件三維實(shí)體造型的要求。為此，可在二維幾何元素構(gòu)造中先定義零件的截面輪廓，然后在三維實(shí)體造型中通過(guò)拉伸或旋轉(zhuǎn)得到新的“基本體”，進(jìn)而通過(guò)交、并、差等得到所需要零件的三維實(shí)體造型。

3.1.2 實(shí)體裝配圖的生成。在零件實(shí)體構(gòu)造完成后，利用機(jī)器運(yùn)動(dòng)分析過(guò)程中的資料，在運(yùn)動(dòng)的某一位置，按各零件所在的坐標(biāo)進(jìn)行“裝配”，這一過(guò)程可用CAD軟件的三維編輯功能實(shí)現(xiàn)。

3.2 模具CAD/CAM的集成制造

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，制造行業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)不斷提高，從普通機(jī)床到數(shù)控機(jī)床和加工中心，從人工設(shè)計(jì)和制圖到CAD/CAM/CAE，制造業(yè)正向數(shù)字化和計(jì)算機(jī)化方向發(fā)展。同時(shí)，模具CAD/CAM技術(shù)、模具激光快速成型技術(shù)(RPM)等，幾乎覆蓋了整個(gè)現(xiàn)代制造技術(shù)。

一個(gè)完整的CAD/CAM軟件系統(tǒng)是由多個(gè)功能模塊組成的。如三維繪圖、圖形編輯、曲面造型、仿真模擬、數(shù)控加工、有限元分析、動(dòng)態(tài)顯示等。這些模塊應(yīng)以工程數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行統(tǒng)一管理，而實(shí)體造型是工程數(shù)據(jù)的主要來(lái)源之一。

3.3 機(jī)械CAE軟件的應(yīng)用

機(jī)械CAE系統(tǒng)的主要功能是:工程數(shù)值分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、強(qiáng)度設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)與壽命預(yù)估、動(dòng)力學(xué)/運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真等。CAD技術(shù)在解決造型問(wèn)題后，才能由CAE解決設(shè)計(jì)的合理性、強(qiáng)度、剛度、壽命、材料、結(jié)構(gòu)合理性、運(yùn)動(dòng)特性、干涉、碰撞問(wèn)題和動(dòng)態(tài)特性等。

4 CAD前沿技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)

4.1 圖形交互技術(shù)

CAD軟件是產(chǎn)品創(chuàng)新的工具，務(wù)求易學(xué)好用，得心應(yīng)手。一個(gè)友好的、智能化的工作環(huán)境可以開(kāi)拓設(shè)計(jì)師的思路，解放大腦，讓他把精力集中到創(chuàng)造性的工作中。因此，智能化圖標(biāo)菜單、“拖放式”造型、動(dòng)態(tài)導(dǎo)航器等一系列人性化的功能，為設(shè)計(jì)師提供了方便。此外，筆輸入法草圖識(shí)別、語(yǔ)言識(shí)別和特征手勢(shì)建模等新技術(shù)也正在研究之中。

4.2 智能CAD技術(shù)

CAD/CAM系統(tǒng)應(yīng)用逐步深入，逐漸提出智能化需求.設(shè)計(jì)是一個(gè)含有高度智能的人類(lèi)創(chuàng)造性活動(dòng)。智能CAD/CAM是發(fā)展的必然方向。智能設(shè)計(jì)在運(yùn)用知識(shí)化、信息化的基礎(chǔ)上，建立基于知識(shí)的設(shè)計(jì)倉(cāng)庫(kù)，及時(shí)準(zhǔn)確地向設(shè)計(jì)師提供產(chǎn)品開(kāi)發(fā)所需的知識(shí)和幫助，智能地支持設(shè)計(jì)人員，同時(shí)捕獲和理解設(shè)計(jì)人員意圖、自動(dòng)檢測(cè)失誤，回答問(wèn)題、提出建議方案等。并具有推理功能，使設(shè)計(jì)新手也能做出好的設(shè)計(jì)來(lái)，現(xiàn)代設(shè)計(jì)的核心是創(chuàng)新設(shè)計(jì)，人們正試圖把創(chuàng)新技法和人工智能技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用到CAD技術(shù)中，用智能設(shè)計(jì)、智能制造系統(tǒng)去創(chuàng)造性指導(dǎo)解決新產(chǎn)品、新工程和新系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造，這樣才能使我們的產(chǎn)品、工程和系統(tǒng)有創(chuàng)造性。

4.3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在CAD中已開(kāi)始應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員在虛擬世界中創(chuàng)造新產(chǎn)品，可以從人機(jī)工程學(xué)角度檢查設(shè)計(jì)效果，可直接操作模擬對(duì)象，檢驗(yàn)操作是否舒適、方便，及早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)空間布局中的干涉和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的碰撞等問(wèn)題，及早看到新產(chǎn)品的外形，從多方面評(píng)價(jià)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品.虛擬產(chǎn)品建模就是指建立產(chǎn)品虛擬原理或虛擬樣機(jī)的過(guò)程.虛擬制造用虛擬原型取代物理原型進(jìn)行加工、測(cè)試、仿真和分析，以評(píng)價(jià)其性能，可制造性、可裝配性、可維護(hù)性和成本、外觀等，基于虛擬樣機(jī)的試驗(yàn)仿真分析，可以在真實(shí)產(chǎn)品制造之前發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題，從而降低產(chǎn)品成本.虛擬制造、虛擬工廠、動(dòng)態(tài)企業(yè)聯(lián)盟將成為CAD技術(shù)在電子商務(wù)時(shí)代繼續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要方向.另外，隨著協(xié)同技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、概念設(shè)計(jì)面向產(chǎn)品的整個(gè)生命周期設(shè)計(jì)理論和技術(shù)的成熟和發(fā)展，利用基于網(wǎng)絡(luò)的CAD/CAPP/CAM/PDM/ERP集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)真正的全數(shù)字化設(shè)計(jì)和制造，已成為機(jī)械設(shè)計(jì)制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

[1]黃森彬主編.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ).高等教育出版社.

[2]榮涵銳.新編機(jī)械設(shè)計(jì)CAD技術(shù)基礎(chǔ)〔M〕.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[3]徐建平，盛和太.精通AutoCAD2005[M].北京:清華大學(xué)出版社，2004.

[4]葛海霞，劉村.AutoCAD2004/2005輔助設(shè)計(jì)[M].上海:上海科學(xué)普及出版社，2004.

[5]秦志峰，齊月靜，胡仁喜，等.AutoCAD2005機(jī)械設(shè)計(jì)及實(shí)例解析[M].北京:機(jī)械出版社，2005.