計(jì)算機(jī)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

王錦

(哈爾濱煤礦電器廠，黑龍江 哈爾濱 150038)

1 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展

1.1 可視化技術(shù)

包括數(shù)據(jù)庫(kù)可視化、監(jiān)測(cè)信息可視化、可視化輔助設(shè)計(jì)等方面。可視化技術(shù)對(duì)提高有限元法應(yīng)用的可靠性和精確度方面，起著非常重要的作用。

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

它是一種可以創(chuàng)建和模擬體驗(yàn)現(xiàn)實(shí)世界的計(jì)算機(jī)技術(shù),它將真實(shí)世界的各種媒體信息有機(jī)地融進(jìn)虛擬世界,構(gòu)造了用戶能與之進(jìn)行各個(gè)層次交互處理的虛擬信息空間。

1.3 多媒體仿真技術(shù)

它是在科學(xué)計(jì)算機(jī)可視化和可視仿真技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它用不同媒體形態(tài)描述不同性質(zhì)的模型信息，將系統(tǒng)行為和形態(tài)、數(shù)學(xué)模型和物理模型以及它們的時(shí)空表現(xiàn)模式，有機(jī)統(tǒng)一地建模和求解。這種特點(diǎn)更適合于科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)的需要，因而受到工程界的普遍重視。

2 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的發(fā)展及重要性

機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械工程的重要組成部分，是機(jī)器生產(chǎn)的前提，同時(shí)也是決定機(jī)械性能的最主要因素，一部機(jī)器的質(zhì)量及工作性能的好壞很大程度上取決于設(shè)計(jì)質(zhì)量，狹義的機(jī)械設(shè)計(jì)僅指技術(shù)性的設(shè)計(jì)過程，廣義的機(jī)械設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)者根據(jù)使用要求和現(xiàn)有的條件，對(duì)機(jī)械的工作原理、結(jié)構(gòu)、剛度和強(qiáng)度、各個(gè)零部件的材料和形狀尺寸、以及潤(rùn)滑方法、力和能量的傳遞方式等進(jìn)行分析、構(gòu)思和計(jì)算，并將其形成具體的描述以作為機(jī)械制造依據(jù)的工作過程。這不僅是一個(gè)創(chuàng)造性的工作，同時(shí)也是建立在豐富的成功經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的工作，只有將兩者結(jié)合起來，才能設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的機(jī)器。

機(jī)械設(shè)計(jì)的所有步驟幾乎都需要計(jì)算機(jī)的幫助。圖形的編輯、修改，大量數(shù)據(jù)的計(jì)算和比較，對(duì)零部件動(dòng)力、強(qiáng)度等方面的精確測(cè)試，都需要相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件的支持。除了這些繁瑣的工作可由計(jì)算機(jī)替代外，設(shè)計(jì)者還可以利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行虛擬樣機(jī)的構(gòu)建，也就是根據(jù)圖紙，在計(jì)算機(jī)上制造一個(gè)模擬樣機(jī)，對(duì)它的工作性能、受力情況、熱度等各方面進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)出現(xiàn)的狀況修改原設(shè)計(jì)，從而達(dá)到完善的程度。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)正在越來越廣泛地應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)的各個(gè)方面以及各種各樣的機(jī)械設(shè)計(jì)中，它在提高機(jī)械設(shè)計(jì)的質(zhì)量和轉(zhuǎn)化為實(shí)際制造的效率方面，發(fā)揮著重要作用。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)便是伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)，并廣泛應(yīng)用于多種學(xué)科的一種方法。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)又被稱作“CAD”，是由計(jì)算機(jī)幫助設(shè)計(jì)人員完成機(jī)械設(shè)計(jì)中的計(jì)算、制圖、模擬等工作，并在不斷修改和反復(fù)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，輸出滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果和最后的產(chǎn)品圖紙的一門技術(shù)。

20世紀(jì)60年代初，麻省理工學(xué)院的一名研究生發(fā)表了題為《人機(jī)對(duì)話圖形通信系統(tǒng)》的論文，首次提出了交互技術(shù)及計(jì)算機(jī)和圖形符號(hào)的存儲(chǔ)采用分層的思想，為CAD技術(shù)的確立提供了理論支撐。隨著這一理論的不斷完善，眾多行業(yè)的領(lǐng)軍人物開始認(rèn)識(shí)到計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的重大作用，并投入重金研發(fā)。美國(guó)的IBM公司開發(fā)了以大型機(jī)為基礎(chǔ)的CAD系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有繪圖、數(shù)控編制等功能，之后有關(guān)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的研制與開發(fā)接踵而至，通用汽車公司研制出了用于汽車設(shè)計(jì)的DAC-1系統(tǒng)，洛克希飛機(jī)公司研發(fā)的CADAM系統(tǒng)，適用于不同階段的飛機(jī)設(shè)計(jì)。這時(shí)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)都是在大型機(jī)或超級(jí)小型機(jī)的基礎(chǔ)上開發(fā)的，購(gòu)買這套系統(tǒng)通常需要上百萬(wàn)美元，因而這一系統(tǒng)只在經(jīng)濟(jì)實(shí)力比較雄厚、規(guī)模較大的航空、汽車、輪船、石油等行業(yè)應(yīng)用。

在20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)了柔性制造系統(tǒng)FMS“，柔性”意為在使用計(jì)算機(jī)制造產(chǎn)品的過程中，制造系統(tǒng)會(huì)根據(jù)所編程序中指令的變換而改變加工過程，這種適應(yīng)性以及加工的靈活性被稱為“柔性”。我國(guó)對(duì)FMS的定義為：柔性制造系統(tǒng)是由數(shù)控加工設(shè)備、物料儲(chǔ)運(yùn)裝置和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等組成的自動(dòng)化制造系統(tǒng)，包括多個(gè)柔性制造單元，能根據(jù)制造任務(wù)或生產(chǎn)環(huán)境的變化迅速調(diào)整，適用于多品種、中小批量的生產(chǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)等的發(fā)展，CAD技術(shù)也日益走向完善，比如80年代出現(xiàn)的由超大規(guī)模集成電路制成的微處理器和存儲(chǔ)器件，使得CAD技術(shù)在中小企業(yè)逐漸普及，從飛機(jī)、汽車到服裝、建筑、出版等行業(yè)都開始采用CAD技術(shù)。如今，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)已在機(jī)械制造業(yè)得到廣泛應(yīng)用，而且現(xiàn)在的CAD應(yīng)用系統(tǒng)可以將機(jī)械設(shè)計(jì)中的繪圖、分析、數(shù)據(jù)處理、仿真、加工修改等一系列環(huán)節(jié)集于一身，大大縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本與制造周期。CAD的常用軟件有很多，但由Parametric Technology公司推出的Pro/Engineer產(chǎn)品，在目前三維造型軟件領(lǐng)域中占有重要地位，引領(lǐng)著CAD技術(shù)的新潮流。

3 逆向工程中CAD的應(yīng)用

逆向工程是一種消化、吸收先進(jìn)設(shè)計(jì)的重要手段。技術(shù)的自主研發(fā)固然重要，但研發(fā)成本卻是相當(dāng)高昂的，而且研發(fā)過程還受到科技人員的素質(zhì)、國(guó)家財(cái)政的投入、現(xiàn)有條件等各方面因素的影響，因而一項(xiàng)新技術(shù)的產(chǎn)生通常需要幾年甚至十幾年的時(shí)間，這對(duì)于技術(shù)條件及設(shè)備相對(duì)落后的發(fā)展中國(guó)家而言是不可想象的。因而，充分利用他國(guó)的科技成果，在消化、吸收的基礎(chǔ)上再進(jìn)行創(chuàng)新不失為一種加快科技發(fā)展的重要手段。日本在二戰(zhàn)結(jié)束后的重新崛起，很大程度上是因?yàn)樗笠?guī)模引進(jìn)美國(guó)、英國(guó)等歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家的先進(jìn)技術(shù)，并做了很好地消化吸收，從而轉(zhuǎn)化為本國(guó)生產(chǎn)力的一部分。逆向工程就是在只有產(chǎn)品或?qū)嵨锬Ｐ偷臈l件下，在了解產(chǎn)品原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，逆向重構(gòu)產(chǎn)品零部件的CAD模型，已達(dá)到設(shè)計(jì)創(chuàng)新的目的。以前的“逆向工程”技術(shù)的研究和應(yīng)用都集中在實(shí)物方面，即在拆解原有產(chǎn)品的過程中，重建產(chǎn)品實(shí)物模型，以實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品的制造。隨著現(xiàn)在機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展，可以通過坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備、通用的CAD軟件等方法，把實(shí)物樣件轉(zhuǎn)化為CAD模型，綜合利用CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造）、CIMS（計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）等技術(shù)對(duì)其進(jìn)行處理和再設(shè)計(jì)。Pro/Engineer軟件中SCAN-TOOLS是一個(gè)專用的逆向設(shè)計(jì)模塊，可以通過數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)造網(wǎng)格曲線，并對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行擬合，以得到光滑、連續(xù)的曲面，再對(duì)曲面進(jìn)行交互修改，從而得到與實(shí)物一致的CAD模型。SCANTOOLS與Pro/SURFACE配合使用，可以在曲面生成后，通過切割、裁剪、延伸等工作，將曲面轉(zhuǎn)換為實(shí)體，再利用Pro/Engineer軟件基于特征的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能，完成模型的二次設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)CAD模型的重建。

結(jié)語(yǔ)

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)在確保機(jī)械設(shè)計(jì)的精度、處理機(jī)械設(shè)計(jì)中的大量數(shù)據(jù)、繪制復(fù)雜圖形等方面發(fā)揮著重要作用，但這些計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的技術(shù)大都產(chǎn)自歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)自主研發(fā)的較少，加之對(duì)引進(jìn)他國(guó)的技術(shù)沒有完全消化，致使我國(guó)的機(jī)械制造業(yè)水平同國(guó)外相比，還存在較大差距，僅以目前的礦山機(jī)械設(shè)備為例，我國(guó)的輸送機(jī)特性研究只有理論，還沒有成熟的安全設(shè)計(jì)方法。因而，應(yīng)加強(qiáng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的自主研發(fā)能力，為我國(guó)的機(jī)械設(shè)計(jì)提供必要的技術(shù)支撐，從而提高我國(guó)的機(jī)械裝備水平。

[1]劉莉.淺談機(jī)械設(shè)計(jì)中三維動(dòng)畫創(chuàng)作與應(yīng)用[J].核動(dòng)力工程，2003（24）.

[2]蔡洪.論CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].科技資訊，2010（23）.