論機(jī)械CAD技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)

劉合群,王志滿

（1.咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北咸寧， 437000；2湖北新產(chǎn)業(yè)技師學(xué)院，湖北咸寧，437000）

論機(jī)械CAD技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)

劉合群1,王志滿2

（1.咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北咸寧， 437000；2湖北新產(chǎn)業(yè)技師學(xué)院，湖北咸寧，437000）

本文重點(diǎn)介紹了機(jī)械CAD技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的應(yīng)用，并對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中常用的機(jī)械CAD軟件進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，最后對(duì)機(jī)械CAD發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探討。

機(jī)械CAD；產(chǎn)品設(shè)計(jì)；趨勢(shì)

CAD技術(shù)是指計(jì)算機(jī)和相關(guān)軟件應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的全過程，其中包括資料檢索、方案構(gòu)思、計(jì)算分析、工程制圖和編制文件等[1]。經(jīng)過50余年的發(fā)展, CAD技術(shù)已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、建筑、紡織及服裝、化工等行業(yè)，帶動(dòng)了各行各業(yè)的迅猛發(fā)展。機(jī)械CAD是CAD技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的應(yīng)用，包括模具開發(fā)、結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)、NC加工、仿真分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)等，機(jī)械CAD技術(shù)的廣泛應(yīng)用使得其在整個(gè)工程CAD中的地位也愈來愈重要。

1 機(jī)械CAD技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

現(xiàn)代的機(jī)械產(chǎn)品以大型的機(jī)電一體化產(chǎn)品居多，是機(jī)械、電子、軟件技術(shù)的綜合應(yīng)用，就機(jī)械產(chǎn)品的整個(gè)設(shè)計(jì)流程來看，機(jī)械CAD技術(shù)廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及產(chǎn)品的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，包括二維工程圖的繪制、三維造型、工程仿真、結(jié)構(gòu)分析以及優(yōu)化等。機(jī)械CAD技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的廣泛應(yīng)用大大減少了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期和工藝周期，節(jié)約了成本，推進(jìn)了整個(gè)制造行業(yè)的發(fā)展。

1.1 繪制工程圖

工程圖是零件加工制造最直觀、最普遍的圖樣，它包含了零件加工制造時(shí)需要的基本尺寸、公差、粗糙度以及技術(shù)要求等，AutoCAD具有可視的圖樣繪制和編輯特性，便捷的二次開發(fā)功能，以及較高的出圖效率，使其成為機(jī)械行業(yè)通用的二維工程圖繪制軟件。機(jī)械CAD技術(shù)在工程圖繪制的應(yīng)用給生產(chǎn)制造帶來了便利。

1.2 三維造型

基于機(jī)械CAD繪制的三維模型與實(shí)際加工制造得到的零件在特征上保持一致，包括外形、材質(zhì)、尺寸結(jié)構(gòu)等特征。機(jī)械類三維造型軟件以Solidworks、Ug、Catia使用居多，常用于零部件、大型裝配體的設(shè)計(jì)，例如Catia在汽車的設(shè)計(jì)、Solidworks在大型工程機(jī)械的設(shè)計(jì)、UG在復(fù)雜模具中的設(shè)計(jì)等。對(duì)于由多個(gè)零部件組成的復(fù)雜裝配體，用三維軟件繪制好各零件模型并組裝成部件和裝配體，用旋轉(zhuǎn)、縮放、剖切等功能對(duì)大型裝配體各組成部分進(jìn)行查看，用干涉功能檢查尺寸設(shè)計(jì)的合理性，方便的指導(dǎo)零件的生產(chǎn)。

1.3 工程分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)

廣義的機(jī)械CAD包括機(jī)械CAE，機(jī)械工程分析是用分析軟件對(duì)機(jī)械零部件的結(jié)構(gòu)、電磁場(chǎng)、熱場(chǎng)等進(jìn)行分析計(jì)算，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性、可靠性。機(jī)械工程中常用的分析工具有Ansys、Abaqus、Fatigue、Adams等，通用的有限元分析軟件Ansys常用于結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度、共振以及流體分析，F(xiàn)atigue常用于結(jié)構(gòu)件的疲勞分析，Abaqus常應(yīng)用于非線性結(jié)構(gòu)分析，Adams常用于多體動(dòng)力學(xué)分析。圖1是用Ansys對(duì)轉(zhuǎn)向泵支架進(jìn)行的靜態(tài)分析，從分析圖中可以看出轉(zhuǎn)向泵支架應(yīng)力分布情況，對(duì)比材料屬性表可以看出實(shí)際工況中的轉(zhuǎn)向泵支架是否滿足強(qiáng)度條件。

圖1 轉(zhuǎn)向泵支架的應(yīng)力云圖

優(yōu)化的最終目的是節(jié)約成本、提高效率，機(jī)械CAD中常用的優(yōu)化分析軟件有Matlab、Hyperworks等，Matlab常用于多約束條件的目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化，Hyperworks常用于結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化。

2 機(jī)械CAD發(fā)展趨勢(shì)

2.1 集成化

對(duì)于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造而言，CAD和CAM技術(shù)長(zhǎng)期處于單獨(dú)發(fā)展和使用狀態(tài)，集成化成為未來發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)。CAD/ CAM系統(tǒng)的集成方式不是簡(jiǎn)單的現(xiàn)有CAD和CAM軟件的堆積，必須在CAD/CAM總體設(shè)計(jì)的指導(dǎo)下，明確集成系統(tǒng)的近期和遠(yuǎn)期目標(biāo)，確定集成系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、功能、劃分原則，制定系統(tǒng)的統(tǒng)一代碼，利用數(shù)據(jù)庫(kù)使之互相支持，互相調(diào)用，信息共同占有、數(shù)據(jù)共同享用，以發(fā)揮出某項(xiàng)應(yīng)用軟件所達(dá)不到的整體效益。

將CAD技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)集成來用于異地制造，以及基于網(wǎng)絡(luò)、基于WEB的協(xié)同設(shè)計(jì)制造是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，未來這方向的應(yīng)用必將更加廣泛。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)化

CAD技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是行業(yè)必須共同遵守的法則，這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)CAD系統(tǒng)的開發(fā)和CAD技術(shù)的應(yīng)用具有指導(dǎo)性作用。在CAD技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面，我國(guó)也制定了CAD技術(shù)制圖、CAD一致性、光盤存檔以及CAD文件管理、計(jì)算機(jī)圖形等標(biāo)準(zhǔn)。

STEP標(biāo)準(zhǔn)體系是目前研究的熱點(diǎn)，很多CAD/CAM系統(tǒng)廠商正在進(jìn)行STEP標(biāo)準(zhǔn)體系的應(yīng)用研究。對(duì)于幾何數(shù)據(jù)、工程數(shù)據(jù)模型的思想，STEP標(biāo)準(zhǔn)體系將作為新一代CAD系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展的方向。

2.3 智能化

CAD智能化就是把人工智能的思想、方法和技術(shù)與CAD相結(jié)合，使計(jì)算機(jī)不僅能進(jìn)行數(shù)值型工作，還能進(jìn)行推理分析型工作，讓計(jì)算機(jī)能準(zhǔn)確的智能的反映出設(shè)計(jì)師所需要的信息，并能正確理解設(shè)計(jì)師的意圖，快速高效的完成設(shè)計(jì)任務(wù)。

專家系統(tǒng)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是CAD智能領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，專家系統(tǒng)是要在特定的領(lǐng)域起到人類專家的作用，它有一個(gè)巨大的知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)，知識(shí)庫(kù)存儲(chǔ)著某專業(yè)領(lǐng)域各種有關(guān)事實(shí)和數(shù)據(jù)，而推理機(jī)能根據(jù)專家思維方式去解決用戶的問題。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是通過模擬人腦的神經(jīng)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)，對(duì)人腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行抽象，去解決一些復(fù)雜工程問題。其優(yōu)點(diǎn)在于強(qiáng)大的聯(lián)想記憶、自組織、自學(xué)習(xí)能力以及容錯(cuò)性。

2.4 虛擬設(shè)計(jì)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是多種技術(shù)的綜合，已經(jīng)在CAD技術(shù)中有著初步的應(yīng)用，運(yùn)用這種技術(shù)能進(jìn)行三維建模及對(duì)汽車高速碰撞進(jìn)行模擬仿真等。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)給設(shè)計(jì)師提供一個(gè)虛擬的環(huán)境，佩戴外圍設(shè)備并運(yùn)用語言手勢(shì)等自然的方式去進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以方便檢測(cè)設(shè)計(jì)對(duì)象的舒適度、方便程度。

在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域，虛擬設(shè)計(jì)將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用，未來傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)會(huì)因此引起一場(chǎng)變革。

3 總結(jié)

本文主要討論了CAD技術(shù)在機(jī)械方面的應(yīng)用，重點(diǎn)介紹了機(jī)械CAD技術(shù)在繪制工程圖、三維造型、工程分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)的運(yùn)用。并對(duì)CAD技術(shù)在集成化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、虛擬設(shè)計(jì)等方向的發(fā)展進(jìn)行了探討。

[1]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)機(jī)械設(shè)計(jì)分組編.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].機(jī)械工業(yè)出版社.2014.11:4-5;

[2]王知行.機(jī)械CAD與仿真技術(shù)[M].哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2000.07:185-186

[3]華春燕.機(jī)械CAD技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)探析[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2013,(10).

劉合群，1962年5月，男，漢族，湖北省鄂州市人，工學(xué)學(xué)士，副教授，現(xiàn)在咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院工作，從事教學(xué)和CAD/CAM開發(fā)與研究。

王志滿，1964年5月，女，湖北省武漢市人，高級(jí)實(shí)習(xí)指導(dǎo)教師，專科。研究方向：機(jī)械制造。

Discussion on technology and developing tendency of Mechanical CAD

Liu Hequn,Wang Zhiman
（1.Xianning Vocational Technical College,Hubei Xianning,437000;2.Hubei Industrial Technician College;Hubei Xianning,437000）

This paper mainly introduces the application of mechanical CAD technology in product design and the common mechanical CAD software used in product design.Lastly, the development tendency of mechanical CAD are discussed.

mechanical CAD product design trends

TP391.72

A