CAD在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

馬文肖 秦文秀

摘要：機(jī)械設(shè)計(jì)屬于一種技術(shù)含量較高的工作，在機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中靈活使用CAD軟件，可提高設(shè)計(jì)質(zhì)量以及設(shè)計(jì)效率。隨著CAD技術(shù)的不斷成熟，CAD軟件的各項(xiàng)功能也不斷加強(qiáng)，并成為機(jī)械行業(yè)中極為重要的技術(shù)。文章介紹了CAD軟件在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的優(yōu)勢(shì)以及CAD軟件在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用，并分析了CAD技術(shù)的應(yīng)用趨勢(shì)，旨在為機(jī)械設(shè)計(jì)者提供參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì)；CAD軟件；制圖軟件；二維繪圖；三維造型；參數(shù)化設(shè)計(jì) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TH122 文章編號(hào)：1009-2374（2016）18-0034-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.018

CAD軟件屬于一種功能齊全的制圖軟件，并在機(jī)械領(lǐng)域、建筑領(lǐng)域等發(fā)揮重要作用。設(shè)計(jì)師借助CAD軟件，可快速完成機(jī)械設(shè)計(jì)的相關(guān)任務(wù)，并能保證零件設(shè)計(jì)的精確度以及真實(shí)度，確保設(shè)計(jì)成果能夠更好地應(yīng)用到機(jī)械加工中。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)作為機(jī)械相關(guān)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，同時(shí)也是高校畢業(yè)生必須攻讀的基礎(chǔ)必修課。在機(jī)械類(lèi)課程的教學(xué)內(nèi)容中，最重要的就是基本的知識(shí)、方法以及理論等。高校在培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械操作能力的過(guò)程中，必須著重訓(xùn)練設(shè)計(jì)的構(gòu)思以及技能，綜合應(yīng)用先修課程中有關(guān)的知識(shí)以及技能，結(jié)合實(shí)際的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)幫助學(xué)生順利過(guò)渡到相關(guān)專(zhuān)業(yè)的學(xué)習(xí)上，為機(jī)械設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生打下良好的基礎(chǔ)。在機(jī)械行業(yè)發(fā)展迅猛的背景下，設(shè)計(jì)師掌握CAD軟件的應(yīng)用技巧可有效地提升機(jī)械加工的工作效率，為促進(jìn)機(jī)械行業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)保障。

1 機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐的現(xiàn)狀

在我國(guó)，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展的時(shí)間較為漫長(zhǎng)，通過(guò)這幾個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，人們會(huì)將自身所想到的設(shè)計(jì)理念以及想法通過(guò)手工繪圖的方式來(lái)進(jìn)行表達(dá)。在工程師的心目中，其語(yǔ)言就是設(shè)計(jì)圖紙，不僅體現(xiàn)了工程設(shè)計(jì)技術(shù)師的結(jié)果以及思想落實(shí)，還有效地提高了與技術(shù)人員之間的溝通，為其交流帶來(lái)了一定的便利性。隨著科學(xué)以及工業(yè)的不斷發(fā)展，尤其是計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，為機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展提供了空前的資源以及有效操作性，使手工繪圖的方式逐漸被淘汰。19世紀(jì)70年代，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成功實(shí)現(xiàn)了由手工繪圖到計(jì)算機(jī)繪圖的大轉(zhuǎn)變，不僅將繪圖效率帶入了新的層次，還有效地提升了繪圖的質(zhì)量，為其發(fā)展帶來(lái)了便利。

在設(shè)計(jì)的現(xiàn)行階段，CAD技術(shù)的代表軟件主要為二維繪圖軟件AUTOCAD，在設(shè)計(jì)的實(shí)際實(shí)踐過(guò)程中，只是單純對(duì)學(xué)生操作以及繪制進(jìn)行簡(jiǎn)單的教學(xué)，而要想繪制裝配圖以及對(duì)工程進(jìn)行分析則較難實(shí)現(xiàn)。因此，為了便于裝配圖的繪制，在進(jìn)行實(shí)際教學(xué)時(shí)，要逐步使用相關(guān)的繪圖軟件或繪圖工具，例如CAXA電子圖版以及開(kāi)目CAD等軟件，采用相關(guān)的繪圖軟件能夠有效地降低人工的勞動(dòng)力，提升相關(guān)的經(jīng)濟(jì)效益。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，CAD技術(shù)也得到了有效的發(fā)展，目前的CAD技術(shù)已是三維CAD技術(shù)，為企業(yè)獲得了巨大的社會(huì)以及經(jīng)濟(jì)效益。企業(yè)在發(fā)展過(guò)程中需要能夠掌握此技術(shù)的相關(guān)專(zhuān)業(yè)人才，因此掌握現(xiàn)有的技術(shù)已成為工科畢業(yè)生的基本條件。在機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)際教學(xué)過(guò)程中運(yùn)用CAD技術(shù)已成為當(dāng)代教學(xué)改革的重要內(nèi)容。

2 CAD軟件在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的優(yōu)勢(shì)

2.1 與人的思維相匹配

一般來(lái)講，設(shè)計(jì)師在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)往往先構(gòu)思機(jī)械模型再繪制機(jī)械圖形。由于設(shè)計(jì)師在構(gòu)思過(guò)程中腦海里呈現(xiàn)的產(chǎn)品都屬于三維結(jié)構(gòu)，而借助CAD軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)能夠得到更直觀(guān)的機(jī)械產(chǎn)品，隨著社會(huì)的發(fā)展，STEP標(biāo)準(zhǔn)體系也逐步得到了完善，此標(biāo)準(zhǔn)體系能夠?yàn)樾乱淮腃AD技術(shù)提供相應(yīng)的開(kāi)始指導(dǎo)。這樣不僅能激發(fā)設(shè)計(jì)師的思維能力，也便于設(shè)計(jì)師與同行進(jìn)行交流。在當(dāng)今社會(huì)，參數(shù)化特征模型依舊是一個(gè)世界性的難題，但在STEP標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上定會(huì)有所突破。

2.2 減少設(shè)計(jì)周期

CAD軟件能夠?qū)⒔Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的實(shí)體通過(guò)運(yùn)算等功能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以此組合出各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的實(shí)體。同時(shí)，CAD軟件還具有自動(dòng)生成截交線(xiàn)以及相貫線(xiàn)等線(xiàn)條的功能，有效減少設(shè)計(jì)師的工作量，縮短設(shè)計(jì)師的工作周期，有效提高機(jī)械設(shè)計(jì)的實(shí)際效率。此外，設(shè)計(jì)師在使用CAD軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，只要對(duì)一些零部件進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，而其余零部件都是自動(dòng)繼承之前的信息，從而提高機(jī)械設(shè)計(jì)的工作效率。設(shè)計(jì)師還可以利用CAD的高度變形功能，將一些零散的零部件進(jìn)行快速重構(gòu)，便能形成一種新型的機(jī)械產(chǎn)品。

2.3 使用便利

使用CAD軟件后，不僅能夠在裝配環(huán)境中對(duì)新零件進(jìn)行相應(yīng)的繪制，還能將其余零件的位置以及形狀進(jìn)行新的開(kāi)發(fā)，使其成為新的零件。如此一來(lái)，設(shè)計(jì)師既能快速便捷的進(jìn)行操作，還能確保新零件以及相鄰零件之間能夠精確配合，有效提高零件裝配的精準(zhǔn)度。此外，CAD軟件的修改功能也十分強(qiáng)大，設(shè)計(jì)師既可以通過(guò)點(diǎn)擊軟件中資源查找器的相關(guān)命令來(lái)完成對(duì)零件的修改，也可以在裝配環(huán)境中對(duì)相關(guān)零件進(jìn)行修改。

2.4 零件裝配更為直觀(guān)

在使用CAD軟件對(duì)各種零部件進(jìn)行裝配時(shí)，軟件的裝配路徑管理器能夠自動(dòng)記錄零件之間的各種裝配關(guān)系。如果裝配出現(xiàn)錯(cuò)誤或出現(xiàn)干涉，裝配路徑管理器便會(huì)立即顯示，并對(duì)零件裝配過(guò)程進(jìn)行有效的靜干涉檢查，以此為設(shè)計(jì)師提供參考。同時(shí)CAD軟件還具有隱藏零件的功能，如果想清楚地了解裝配的內(nèi)部構(gòu)造，可將外部零件進(jìn)行隱藏，便能掌握裝配的內(nèi)部構(gòu)造。

2.5 機(jī)械產(chǎn)品更為逼真

CAD軟件不僅能快速描繪出各種零件的大小、位置以及形狀，還能為零件賦予顏色、體積、慣性矩以及紋理等信息，以此將機(jī)械產(chǎn)品更逼真的呈現(xiàn)給設(shè)計(jì)師。從20世紀(jì)60年代至今，三維建模技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了線(xiàn)框建模、曲面建模、實(shí)體建模、特征建模、參數(shù)化建模、變量化建模以及當(dāng)今正在研究的產(chǎn)品集成建模、行為建模等發(fā)展過(guò)程。如此一來(lái)，設(shè)計(jì)師便能通過(guò)觀(guān)察機(jī)械產(chǎn)品細(xì)節(jié)對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行細(xì)微調(diào)整，以此全面地表達(dá)自己的設(shè)計(jì)意圖。

3 CAD軟件在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用

3.1 二維繪圖

二維繪圖是CAD軟件最為基礎(chǔ)的功能，設(shè)計(jì)師可通過(guò)CAD軟件簡(jiǎn)單描繪出實(shí)體的二維形狀。例如，設(shè)計(jì)師可使用CAD軟件簡(jiǎn)單繪制出零件的主視圖、俯視圖、左視圖、解剖圖等，以便為后面的零件裝配打下基礎(chǔ)。

3.2 圖形、符號(hào)庫(kù)

設(shè)計(jì)師在使用CAD軟件時(shí)，可將復(fù)雜的零件圖形進(jìn)行分解，以此形成多個(gè)簡(jiǎn)單的符號(hào)以及圖形。同時(shí)，將分解的符號(hào)和圖形進(jìn)行儲(chǔ)存，在需要的時(shí)候?qū)⒎?hào)和圖形調(diào)出，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的編輯修改后再將這些圖形和符號(hào)插入到其他圖形中。

3.3 三維造型

三維造型是CAD軟件最為強(qiáng)大的功能，設(shè)計(jì)師可借助系統(tǒng)已存的實(shí)體造型來(lái)繪制零件結(jié)構(gòu)，再將零件結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行著色處理以及消隱處理，便可顯示出零件的真實(shí)形狀。此外，CAD系統(tǒng)的實(shí)體造型還能用于運(yùn)動(dòng)仿真以及零件裝配等工作，以便設(shè)計(jì)師觀(guān)察零件圖是否存在干涉情況。

3.4 參數(shù)化設(shè)計(jì)

一般來(lái)講，系列化零部件以及標(biāo)準(zhǔn)化零部件往往有著較為相似的構(gòu)造，設(shè)計(jì)師在使用這種零部件時(shí)只需對(duì)其尺寸進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，便能直接用于其他的零部件設(shè)計(jì)。對(duì)此，設(shè)計(jì)師可借助CAD軟件的參數(shù)化功能來(lái)建立龐大的圖形程序庫(kù)，在調(diào)用時(shí)只需對(duì)已存的零部件尺寸賦以新的參數(shù)，便能生成一個(gè)全新的零件圖形。

3.5 工程分析

CAD軟件具有優(yōu)化設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)分析以及有限元分析等多種功能，設(shè)計(jì)師可根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象的特征以及應(yīng)用采取相應(yīng)的分析方法。例如，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)注塑模時(shí)可對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行變形分析、塑流分析以及冷卻分析，確保設(shè)計(jì)的注塑模型能夠滿(mǎn)足注塑工藝的實(shí)際要求。

4 CAD軟件的應(yīng)用趨勢(shì)

4.1 集成化

目前，技術(shù)人員為了增強(qiáng)機(jī)械生產(chǎn)效率，將CAD軟件以及CAM軟件相結(jié)合，使CAD軟件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能夠直接應(yīng)用到數(shù)控加工中，從而省去打印CAD圖紙以及制定數(shù)控參數(shù)等環(huán)節(jié)。

4.2 智能化

CAD軟件系統(tǒng)屬于人機(jī)系統(tǒng)，使用CAD軟件的設(shè)計(jì)師在系統(tǒng)運(yùn)行中起到?jīng)Q策作用?；谶@一點(diǎn)，將人工智能以及專(zhuān)家系統(tǒng)等技術(shù)與CAD軟件技術(shù)相結(jié)合，使CAD軟件系統(tǒng)更具智能化，以便更好地用于機(jī)械加工。

4.3 協(xié)同化

將CAD軟件進(jìn)行協(xié)同化處理，使計(jì)算機(jī)能夠具備協(xié)同工作的功能，可達(dá)到遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)的要求?；谶@一點(diǎn)，可構(gòu)建CAD網(wǎng)絡(luò)，確保機(jī)械設(shè)計(jì)單位能夠共同參與機(jī)械設(shè)計(jì)工作。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，CAD軟件是一款功能齊全的制度軟件，在機(jī)械行業(yè)中有著重要作用。設(shè)計(jì)師可利用CAD的高度變形功能，將一些零散的零部件進(jìn)行快速重構(gòu)，可形成一種新型的機(jī)械產(chǎn)品；借助CAD軟件的參數(shù)化功能來(lái)建立龐大的圖形程序庫(kù)，在調(diào)用時(shí)只需對(duì)已存的零部件尺寸賦予新的參數(shù)，便可生成一個(gè)全新的零件圖形；在裝配環(huán)境中對(duì)新零件進(jìn)行繪制時(shí)，還能將其余零件的位置以及形狀進(jìn)行新的開(kāi)發(fā)，使其成為新的零件。CAD軟件具有集成化、智能化、協(xié)同化的應(yīng)用趨勢(shì)，在當(dāng)前信息科學(xué)技術(shù)大發(fā)展的背景下，CAD軟件的實(shí)際主要是二維繪圖、圖形、符號(hào)庫(kù)、三維造型、參數(shù)化設(shè)計(jì)、工程分析等。隨著CAD技術(shù)不斷成熟，CAD軟件功能也將不斷完善，在未來(lái)的機(jī)械生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用，也有助于我國(guó)工業(yè)化4.0進(jìn)程的推進(jìn)。

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（責(zé)任編輯：蔣建華）