CAD三維軟件在機(jī)械加工中的應(yīng)用

王水林

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院，江蘇 徐州　221008）

CAD技術(shù)（Compurter Aided Design）是指計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)以及計(jì)算機(jī)圖形工作，即通過計(jì)算機(jī)優(yōu)秀的數(shù)字建模以及圖形呈現(xiàn)功能來實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)模型搭建的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。這一技術(shù)領(lǐng)域能夠?qū)崿F(xiàn)高效的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及較高品質(zhì)的圖形分析功能，進(jìn)而為數(shù)字建模、機(jī)械加工、藝術(shù)科學(xué)等領(lǐng)域提供軟件功能支持。當(dāng)前我國(guó)在CAD技術(shù)的應(yīng)用上已然具備了較為完善的相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)，諸如自動(dòng)化、港航物流體系構(gòu)建等系統(tǒng)化機(jī)械流程領(lǐng)域的設(shè)計(jì)過曾中均廣泛存在著CAD技術(shù)的應(yīng)用。在機(jī)械加工領(lǐng)域應(yīng)用該技術(shù)，能夠極大提升機(jī)械加工過程中的模型精準(zhǔn)度，為我國(guó)機(jī)械加工領(lǐng)域帶來全新的發(fā)展動(dòng)力。

一、CAD技術(shù)基本概念及功能概述

1.CAD技術(shù)概念

作為當(dāng)前主流的應(yīng)用化計(jì)算機(jī)輔助軟件類型，CAD技術(shù)的應(yīng)用方向在于通過利用計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)繪圖等傳統(tǒng)人工工作，以確保制圖以及建模的準(zhǔn)確性不會(huì)對(duì)機(jī)械加工等精密制造業(yè)造成影響。作為較為優(yōu)質(zhì)的建模制圖軟件之一，CAD結(jié)合了人與機(jī)械的優(yōu)點(diǎn)，將自身最優(yōu)特性毫無(wú)保留的進(jìn)行了發(fā)揮，進(jìn)而保證了控制過程的有效性。這一機(jī)制的運(yùn)作原理在于通過人的判斷能力以及計(jì)算機(jī)的精密控制，來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，并最終獲取最佳的設(shè)計(jì)效果。因此就軟件功能來看，CAD是當(dāng)前多數(shù)行業(yè)領(lǐng)域中進(jìn)行繪圖建模工作的不二之選；而從設(shè)計(jì)概念出發(fā)，它則是融入了工程設(shè)計(jì)以及現(xiàn)代技術(shù)的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)物。

2.CAD技術(shù)功能體現(xiàn)

相對(duì)于當(dāng)前同類型應(yīng)用軟件市場(chǎng)中的其他產(chǎn)品而言，CAD在自身功能上具備了更為實(shí)用的計(jì)算以及分析能力，同時(shí)還具備了數(shù)據(jù)管理和交換、圖形處理等其他類型軟件所不具備的功能。目前，CAD技術(shù)被廣泛應(yīng)用于了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、精密儀器設(shè)計(jì)、圖表繪制等多種工作崗位之中。同時(shí)，由于其具備一定的產(chǎn)品分析功能，因此通過CAD同樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行一般設(shè)計(jì)以及優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。這是由于CAD自身分析系統(tǒng)能夠針對(duì)不同產(chǎn)品的實(shí)際參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品優(yōu)劣特點(diǎn)的分析比對(duì)，同時(shí)通過對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行多元化途徑的建模工作達(dá)到滿足當(dāng)前多數(shù)行業(yè)領(lǐng)域中對(duì)于產(chǎn)品創(chuàng)新性以及可行性判斷的需求。

CAD通過對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行仿真和動(dòng)態(tài)分析時(shí)，可以計(jì)算出其機(jī)械設(shè)計(jì)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。相對(duì)于其他類型的建模軟件而言，CAD具有著更為優(yōu)質(zhì)的圖像處理能力。在構(gòu)建立體幾何圖形，尤其是在二維圖形的交互工作中，其圖像處理的優(yōu)勢(shì)能夠得到較大發(fā)揮，且在文字編輯以及軟件設(shè)計(jì)等工作中CAD同樣具備一定作用。

二、CAD在機(jī)械加工中的作用發(fā)揮

由于CAD技術(shù)與機(jī)械設(shè)計(jì)、制造行業(yè)具有著較高的適配度，現(xiàn)已成為機(jī)械設(shè)計(jì)工作中必不可少的輔助工具。因此想要完善CAD三維軟件在機(jī)械加工中的應(yīng)用思路，需要對(duì)其作用特點(diǎn)以及發(fā)揮效果加以相關(guān)分析?，F(xiàn)就筆者觀點(diǎn)，對(duì)在機(jī)械加工中應(yīng)用的CAD三維軟件進(jìn)行功能分析。

1.CAD在機(jī)械加工中的實(shí)際作用分析

首先，相對(duì)于傳統(tǒng)手工建模以及其他類型的建模軟件而言，CAD的應(yīng)用有效的減少了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工作量以及時(shí)間耗費(fèi)，這一舉措在面對(duì)大量產(chǎn)品的設(shè)計(jì)以及集體產(chǎn)出效果時(shí)具有著較高的工作效率。CAD技術(shù)在機(jī)械加工領(lǐng)域中將復(fù)雜的機(jī)械產(chǎn)品模型轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單易識(shí)別的幾何圖形，不僅有效提升了產(chǎn)品模型的直觀程度，且有效降低了模型的讀取門檻降。因此CAD在機(jī)械加工中的作用在于降低設(shè)計(jì)成本，進(jìn)而提升生產(chǎn)加工的實(shí)際效率。

其次，CAD的應(yīng)用有效簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)機(jī)械加工中的零件設(shè)計(jì)過程。由于零件設(shè)計(jì)工作對(duì)于設(shè)計(jì)過程及思路存在較高要求，因此在面對(duì)多數(shù)零件加工工作時(shí)，CAD能夠保障新零件與其他零件之間完美的貼合。機(jī)械加工CAD設(shè)計(jì)在實(shí)際裝配中同樣可以被視為新設(shè)計(jì)的一部分，這一特性也保證了能夠檢測(cè)其他因素周邊的位置形狀，確保設(shè)計(jì)結(jié)果具有較高可行性。

第三，需要加工的機(jī)械零件在進(jìn)行裝配過程中，如果機(jī)械環(huán)境相對(duì)較為復(fù)雜或?qū)嶋H安裝人員對(duì)操作環(huán)境熟悉程度不足時(shí)，通過CAD技術(shù)能夠有效對(duì)周邊場(chǎng)景進(jìn)行修改，以明確化最終安裝需求；同時(shí)CAD技術(shù)在零部件加工的記錄中能夠整合裝配系統(tǒng)間的直接關(guān)系，迅速確定裝配環(huán)節(jié)的順序及方式，保證每一個(gè)機(jī)械加工的產(chǎn)品相互匹配，確保產(chǎn)品的最終質(zhì)量。

2.CAD技術(shù)與在當(dāng)前常見的機(jī)械加工實(shí)踐

當(dāng)前常見的機(jī)械加工步驟在進(jìn)行應(yīng)用了CAD技術(shù)后，其實(shí)際體現(xiàn)如下。首先，需要應(yīng)用CAD創(chuàng)建一個(gè)裝配圖的實(shí)體部分，即應(yīng)用CAD技術(shù)在機(jī)械加工過程中對(duì)加工部件進(jìn)行自身內(nèi)部三維建模的模型設(shè)計(jì)，并利用系統(tǒng)功能的物理模型來提供加工零部件的圖形系統(tǒng)；對(duì)于簡(jiǎn)單的零件，進(jìn)行三維建模能夠直觀確定加工步驟以及工序之間的關(guān)系，而在加工較為復(fù)雜的元件類型時(shí)，則需要將全部的二維輪廓元素進(jìn)行整合，最終確定所有需加工的零件坐標(biāo)。其次，繪制全部加工內(nèi)容的二、三維坐標(biāo)及形狀，保證最終繪制圖形的質(zhì)量符合加工需求。

目前，CAD技術(shù)依舊在于為多元化的加工內(nèi)容及多元化的建模需求提供其自身功能，進(jìn)而保證機(jī)械加工設(shè)計(jì)實(shí)際質(zhì)量。伴隨著當(dāng)前計(jì)算機(jī)軟件的不斷更新?lián)Q代，CAD三維軟件在機(jī)械加工中的實(shí)際應(yīng)用還將結(jié)合其功能的革新發(fā)展以及精確精細(xì)的實(shí)際需求不斷發(fā)揮應(yīng)有作用。

三、CAD三維軟件應(yīng)用實(shí)例

1.機(jī)械設(shè)計(jì)及輔助繪圖

CAD三維軟件在應(yīng)用過程中功能體現(xiàn)的一大特點(diǎn)在于重構(gòu)功能，因此在機(jī)械設(shè)計(jì)及輔助繪圖中CAD三維軟件存在著較大的發(fā)揮空間。通過重構(gòu)功能，CAD能在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念之上快速的實(shí)現(xiàn)對(duì)新設(shè)計(jì)的生成。在機(jī)械加工的裝配過程中，重構(gòu)功能能夠保證不影響實(shí)際裝配工作的同時(shí)構(gòu)建出全新的零件類型，以實(shí)現(xiàn)全新設(shè)計(jì)出的加工產(chǎn)品與傳統(tǒng)加工產(chǎn)品之間有效融合，互不影響功能發(fā)揮。這一特征在保證了新元件設(shè)計(jì)過程的高效性，同時(shí)避免了對(duì)單獨(dú)設(shè)計(jì)元件這一傳統(tǒng)工作方式出現(xiàn)誤差的弊端。因此在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中CAD具有著更精準(zhǔn)的特性。

2.設(shè)計(jì)結(jié)果檢查

零件回放功能同樣是CAD所具備的全新應(yīng)用特征之一。這一特征在應(yīng)用到現(xiàn)有的機(jī)械加工工作中時(shí)，能夠通過回放來直觀的確定其元件在實(shí)際裝配過程中可能存在的誤差方向，避免了人工裝配檢驗(yàn)方式中所存在的時(shí)間浪費(fèi)以及成本浪費(fèi)。在機(jī)械加工的實(shí)際過程中通過設(shè)計(jì)結(jié)果檢查可以有效避免產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)波動(dòng)，確保整個(gè)流水線中生產(chǎn)加工出的機(jī)械元件處于同一質(zhì)量考量范圍中，保證了設(shè)計(jì)的最終可行性。

3.結(jié)構(gòu)優(yōu)化及工程分析

眾所周知，傳統(tǒng)的機(jī)械加工過程中對(duì)加工元件進(jìn)行工程力學(xué)檢驗(yàn)是產(chǎn)品投入實(shí)際使用過程之前的必要環(huán)節(jié)。在未應(yīng)用CAD三維軟件之前的機(jī)械加工領(lǐng)域，進(jìn)行元件的力學(xué)檢驗(yàn)往往會(huì)耗費(fèi)較大的人力及時(shí)間來通過各項(xiàng)指標(biāo)的最終確認(rèn)，然而在CAD之中元件的力學(xué)特性參數(shù)能夠在其設(shè)計(jì)結(jié)束后得到直觀的顯示。隨著CAD自身功能的不斷豐富，目前投入應(yīng)用的CAD之中已經(jīng)具備了ANSYS等有限元分析的相關(guān)接口，其動(dòng)態(tài)特征以及質(zhì)量參數(shù)檢測(cè)可以節(jié)約極大的實(shí)際成本。

4.逆向轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)與模具設(shè)計(jì)制造

通過逆向轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)，CAD可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有機(jī)械加工元件的參數(shù)輸入來實(shí)現(xiàn)虛擬模型的建立，同時(shí)利用虛擬參數(shù)坐標(biāo)以及制圖軟件坐標(biāo)測(cè)量等方法同樣能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬模型與實(shí)體模型之間的相互轉(zhuǎn)換。CAD通過其良好的拓展性以及功能的豐富性在逆向轉(zhuǎn)化設(shè)計(jì)方面具備了優(yōu)秀的功能體現(xiàn)，甚至可以利用SCAN-TOOLS等技術(shù)類型實(shí)現(xiàn)曲面與實(shí)體模型間的參數(shù)轉(zhuǎn)換。

同樣的，模具設(shè)計(jì)制造環(huán)節(jié)也同樣能夠通過逆向轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)得到實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前傳統(tǒng)機(jī)床與數(shù)控機(jī)床之間的轉(zhuǎn)換工作已然基本完成，對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械加工元件的模具設(shè)計(jì)已經(jīng)被數(shù)控機(jī)床中可塑性模具所全面替換。在這一背景下，模具CAD技術(shù)的應(yīng)用已然成為了當(dāng)前模具設(shè)計(jì)制造的主流選擇。利用CAD技術(shù)進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)傳統(tǒng)的影響因素做到盡量避免，同時(shí)設(shè)計(jì)沖壓性零件表面的過程中需要應(yīng)用專門的曲面設(shè)計(jì)軟件。

結(jié)語(yǔ)：

CAD三維軟件作為機(jī)械加工以及相關(guān)機(jī)械元件設(shè)計(jì)等領(lǐng)域中的重要工具類型，具備著十分豐富的內(nèi)置功能以及較為廣泛的適配范圍。為保證當(dāng)前我國(guó)機(jī)械加工領(lǐng)域發(fā)展建設(shè)過程中對(duì)CAD三維軟件的實(shí)際應(yīng)用符合機(jī)械加工的實(shí)際工作需求，需要相關(guān)研究人員對(duì)CAD的運(yùn)行機(jī)制、實(shí)際作用以及適配環(huán)境做到合理的認(rèn)識(shí)。也只有對(duì)該軟件應(yīng)用正確，才能夠在機(jī)械加工領(lǐng)域?qū)⑵涔δ茏畲蠡l(fā)揮。

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