計算機輔助機械設(shè)計在機械設(shè)計應(yīng)用中的優(yōu)勢

倪玲

隨著科學(xué)技術(shù)的不段發(fā)展，越來越多的新技術(shù)開始在各個領(lǐng)域中被使用。然而在機械設(shè)計領(lǐng)域也不例外。目前，計算機輔助機械設(shè)計在機械設(shè)計中應(yīng)用非常廣泛，為機械設(shè)計提供了許多便利。隨 著 計 算 機 技 術(shù) 的不 斷 提 高，計 算 機 圖 形 學(xué)、計算 機 虛 擬 技 術(shù)、計算機多媒體技術(shù)的深入發(fā)展，計算機輔助設(shè)計學(xué)科應(yīng)運而生。它極大地滿足了現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計對計算機輔助設(shè)計的需求，成為藝術(shù)設(shè)計領(lǐng)域教學(xué)研究的熱點。計算機輔助設(shè)計顧名思義就是在計算機及相兲的計算機技術(shù)下，進行藝術(shù)設(shè)計領(lǐng)域的各類創(chuàng)造性活動，它是以計算機技術(shù)為前提的現(xiàn)代科技信息時代下產(chǎn)物，與傳統(tǒng)的藝術(shù)設(shè)計相比，在設(shè)計思路、設(shè)計方法、表現(xiàn)手段方面都發(fā)了根本性的變化。計算機輔助設(shè)計是藝術(shù)設(shè)計中的技術(shù)支持，由于藝術(shù)設(shè)計是一門綜合性很強的學(xué)科，因此計算機輔助設(shè)計也涉及到了多媒體、圖形學(xué)、虛擬技術(shù)等多個部分。

一、計算機輔助機械設(shè)計和機械設(shè)計的概念

（一）計算機輔助機械設(shè)計的概念

計算機輔助設(shè)計（CAD-Computer Aided Design）是指利用計算機及其圖形設(shè)備幫助設(shè)計人員進行設(shè)計工作。在工程和產(chǎn)品設(shè)計中，計算機可以幫助設(shè)計人員擔(dān)負(fù)計算、信息存儲和制圖等項工作。在設(shè)計中通常要用計算機對不同方案進行大量的計算、分析和比較，以決定最優(yōu)方案；各種設(shè)計信息，不論是數(shù)字的、文字的或圖形的，都能存放在計算機的內(nèi)存或外存里，并能快速地檢索；設(shè)計人員通常用草圖開始設(shè)計，將草圖變?yōu)楣ぷ鲌D的繁重工作可以交給計算機完成；由計算機自動產(chǎn)生的設(shè)計結(jié)果，可以快速作出圖形顯示出來，使設(shè)計人員及時對設(shè)計作出判斷和修改；利用計算機可以進行與圖形的編輯、放大、縮小、平移和旋轉(zhuǎn)等有關(guān)的圖形數(shù)據(jù)加工工作。

CAD是工程技術(shù)人員以計算機為工具，對產(chǎn)品和工程進行設(shè)計、繪圖、分析和編寫技術(shù)文檔等設(shè)計活動的總稱。根據(jù)模型的不同，CAD系統(tǒng)一般可分為二維CAD系統(tǒng)和三維CAD系統(tǒng)。

（二）機械設(shè)計的概念

機械設(shè)計（machine design），根據(jù)使用要求對機械的工作原理、結(jié)構(gòu)、運動方式、力和能量的傳遞方式、各個零件的材料和形狀尺寸、潤滑方法等進行構(gòu)思、分析和計算并將其轉(zhuǎn)化為具體的描述以作為制造依據(jù)的工作過程。

二、計算機輔助設(shè)計（CAD）的概況

（一）計算機輔助二維設(shè)計

二維CAD系統(tǒng)一般將產(chǎn)品和工程設(shè)計圖紙看成是“點、線、圓、弧、文本……”等幾何元素的集合，所依賴的數(shù)學(xué)模型是幾何模型。目前使用最多的是Autodesk 公司的AutoCAD軟件。

計算機輔助二維設(shè)計主要表現(xiàn)在視覺傳達設(shè)計，染織服裝設(shè)計、商業(yè)攝影等領(lǐng)域。我們可以利用Photoshop、Paint 等軟件對我們制作的圖片作品進行修飾潤色，對我們拍攝的照片進行藝術(shù)處理，美不再是奢侈的，人人都可以享受藝術(shù)帶來的驚人魅力。經(jīng)過繪制處理的圖再通過CorelDRAW、Photoshop 進行版式設(shè)計，展示在公眾的面前，成為街頭隨處可見的藝術(shù)品，在它們面前一切平面藝術(shù)創(chuàng)作都成為可能。

（二）計算機輔助三維設(shè)計

三維CAD系統(tǒng)的核心是產(chǎn)品的三維模型，這種三維模型包含了更多的實際結(jié)構(gòu)特征，使用戶在采用三維CAD造型工具進行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計時，更能反映時間產(chǎn)品的構(gòu)造或加工制造過程。目前使用最多的有PTC公司的Pro∕Engineer軟件；EDS公司的UGH軟件；Solidworks公司的Solidworks軟件；UG公司的SolidEdge軟件。

產(chǎn)品設(shè)計是決定產(chǎn)品外形和產(chǎn)品功能，同時也是決定產(chǎn)品質(zhì)量最重要的環(huán)節(jié)，產(chǎn)品的設(shè)計工作對產(chǎn)品的成本也起到至關(guān)重要的作用。隨著計算機的不斷發(fā)展，CAD技術(shù)即計算機輔助設(shè)計已成為設(shè)計人員不可缺少的工具。CAD技術(shù)正從二維CAD向三維CAD過渡。三維設(shè)計軟件具有工程及產(chǎn)品的分析計算、幾何建模、仿真與試驗、繪制圖形，工程數(shù)據(jù)庫的管理，生成設(shè)計文件等功能。三維CAD技術(shù)誕生以來，已廣泛地應(yīng)用于機械、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)計效率得以迅速提高。我國CAD技術(shù)的研究、開發(fā)和推廣已取得較大進展，產(chǎn)品設(shè)計已全面完成二維CAD技術(shù)的普及，結(jié)束了手工繪圖的歷史，對減輕人工勞動強度、提高經(jīng)濟效益起到了明顯的作用。有全國計算機等級考試 備考資料 計算機一級考試 計算機二級考試 計算機三級考試 計算機四級考試相當(dāng)一部分CAD應(yīng)用較早的企業(yè)已完成了從二維CAD向三維CAD轉(zhuǎn)換，并取得了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。隨著市場經(jīng)濟的逐步深入，市場競爭日趨激烈，加強自身的設(shè)計能力是提高企業(yè)對市場變化和小批量、多品種要求的迅速響應(yīng)能力的關(guān)鍵。

計算機輔助三維設(shè)計主要體現(xiàn)在建筑設(shè)計，環(huán)境藝術(shù)設(shè)計、工業(yè)設(shè)計、舞臺設(shè)計等領(lǐng)域。利用計算機設(shè)計師可以模擬出自己想要設(shè)計的東西，包括外觀、結(jié)構(gòu)、形態(tài)等多方面。環(huán)境藝術(shù)專業(yè)和舞臺設(shè)計專業(yè)的設(shè)計師可以通過SketchUp、3ds max、Photoshop 等軟件為自己設(shè)計的方案模擬出接近真實的場景尺度模型，制作完成幾乎可以以假亂真的工程、舞臺效果圖，同時利用動畫技術(shù)制作動畫場景，能夠更直觀的看到設(shè)計的最終效果。工業(yè)設(shè)計專業(yè)的設(shè)計師也可以通過犀牛、PRO/E、UG 等軟件模擬出各種產(chǎn)品變化萬千的造型，包括曲面、球面等手繪很難繪制的復(fù)雜形態(tài)，大大提高了產(chǎn)品設(shè)計師的設(shè)計水平。

（三）企業(yè)對CAD需求

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)方式和組織管理形式不同，企業(yè)對CAD軟件的功能又有四方面不同需求：

1.算機二維繪圖功能：“甩掉圖板”把科技人員從繁瑣的手工繪圖中解放出來，其是CAD應(yīng)用的主要目標(biāo)，也是CAD技術(shù)的最主要功能。

2.計算機輔助工藝設(shè)計（CAPP）功能：進行工藝設(shè)計，工藝設(shè)計任務(wù)管理，材料定額管量等功能，實現(xiàn)工藝過程標(biāo)化，保證獲得高質(zhì)量的工藝規(guī)程，提高企業(yè)工藝編制的效率和標(biāo)準(zhǔn)化。

3.三維設(shè)計，裝配設(shè)計，曲面設(shè)計，鈑金設(shè)計，有限元設(shè)計，機構(gòu)運動仿真，注塑分析，數(shù)控加工等三維CAD，CAM功能，可以解決企業(yè)的三維設(shè)計，虛擬設(shè)計與裝配，機構(gòu)運動分析，應(yīng)力應(yīng)變分析，鈑金件的展開和排樣等困難，使企業(yè)走向真正的CAD設(shè)計。

4.產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM。復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計和開發(fā)，不僅要考慮產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)結(jié)果。而且必須考慮產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程的管量與控制.管量產(chǎn)品生命周期的所有數(shù)據(jù)（包括圖紙技術(shù)文檔）以及產(chǎn)品開發(fā)互聯(lián)網(wǎng)會議PPT資料大全技術(shù)大會產(chǎn)品經(jīng)理大會 網(wǎng)絡(luò)營銷大會 交互體驗大會的工藝過程，使CAD、CAPP、CAM等系統(tǒng)實現(xiàn)的數(shù)據(jù)共享，使產(chǎn)品設(shè)計工作規(guī)范化保持一致性，保證圖紙，工藝卡，加工代碼，技術(shù)資料等的安全性。

三、計算機輔助設(shè)計（CAD）的三維設(shè)計的優(yōu)勢

（一）CAD技術(shù)應(yīng)用在機械設(shè)計的多個方面

1.零件的實體建模

設(shè)計軟件為三維建模提供了多種工具，包括最基本的幾何造型如球體、圓柱等，對簡單的零件，可通過對其結(jié)構(gòu)進行分析，將其分解成若干基本體，對基本體進行三維實體造型，之后再對其進行交、并、差等布爾運算，便可得出零件的三維實體模型。對于較復(fù)雜的圖形，軟件提供了草圖工具，設(shè)計人員可以通過它先勾勒出截面，再拉伸出較復(fù)雜的幾何形體。為了滿足人們不斷提高的審美要求，目前主要流行的幾款三維設(shè)計軟件基本上都提供面片模塊，該模塊為設(shè)計人員提供了非常方便的曲面設(shè)計工具。對于具有大塊曲面的零件，設(shè)計師可以方便地對單個面或片體進行變形處理，以達到需要的曲面。

2.產(chǎn)品造型修改簡便

企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品往往是按系列區(qū)分，各系列中每一代產(chǎn)品與上一代產(chǎn)品之間的區(qū)別較小，也許只是增加了一個功能部件或是產(chǎn)品造型尺寸上有所改動。三維CAD可以方便地修改一些參數(shù)就能達到設(shè)計師更改造型的目的。三維CAD在建模中一般使用參數(shù)化建模，整個建模的步驟和產(chǎn)品的外型尺寸被參數(shù)化，這些參數(shù)是與產(chǎn)品的造型直接關(guān)聯(lián)的。若要對尺寸或造型進行局部的更改，只需要更改相關(guān)參數(shù)，整個造型將被自動更新。這樣不僅大大減少了設(shè)計人員的工作量，還保證了產(chǎn)品外造型的延續(xù)性。

3.生成實體裝配圖

實體裝配不僅能讓設(shè)計人員直觀地看到各零件裝配后的狀態(tài)，還可以測量各零件之間的空間大小，方便零件的布置。在裝配完成后，零件可以被隱藏或設(shè)置成半透明的狀態(tài)，方便設(shè)計人員觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)。此外，在裝配狀態(tài)下，軟件提供的標(biāo)準(zhǔn)件庫，也方便了設(shè)計人員對標(biāo)準(zhǔn)件型號的選擇。裝配狀態(tài)下的干涉分析也是常用的功能，計算機通過計算各裝配零件的體積的大小和位置來確定是否有相交的部分，并確定各零件是否干涉，自動生成分析報告，明確指出互相干涉零件的名稱和干涉的尺寸。方便設(shè)計師修改產(chǎn)品設(shè)計尺寸。

（二）模具CAD/CAM的集成制造

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，為了減輕人工勞動強度，提高產(chǎn)品的精度，制造行業(yè)裝備從普通機床逐步到數(shù)控機床和加工中心，同時，模具CAD/CAM技術(shù)、模具激光快速成型技術(shù)（RPM）等，幾乎應(yīng)用到整個制造行業(yè)。這些數(shù)控加工裝備基本都具有與各三維設(shè)計軟件的接口。當(dāng)產(chǎn)品模型在三維CAD軟件中完成后，再由CAD軟件模擬出加工刀具路徑，隨后生成數(shù)控語言，通過接口輸入數(shù)控設(shè)備中，再由數(shù)控設(shè)備按照模擬出的加工路徑加工產(chǎn)品。

（三）機械CAE功能應(yīng)用

CAE是三維CAD軟件的重要模塊，CAE功能包括工程數(shù)值分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、強度設(shè)計評價與壽命預(yù)估、動力學(xué)、運動學(xué)仿真等。CAD技術(shù)在建模模塊完成產(chǎn)品造型后，才能由CAE模塊針對設(shè)計的合理性、強度、剛度、壽命、材料、結(jié)構(gòu)合理性、運動特性、干涉、碰撞問題和動態(tài)特性進行分析。CAE技術(shù)在我國也得到了廣泛應(yīng)用，以汽車制造業(yè)為例，國內(nèi)多家主車廠和汽車設(shè)計公司在使用三維CAD軟件完成新車型的設(shè)計后，進行CAE分析，如干涉檢查、鈑金成型分析、塑料件拔模角分析、車身強度剛度的測試，在車窗、車門、雨刮器等運動部件上廣泛采用CAE模塊中的運動仿真功能，計算出零件的運動軌跡，以及零部件在運動中的狀態(tài)，為設(shè)計人員提供直觀的參考。這些分析工作大大提高了新車型的可靠度，縮短了新車型的開發(fā)周期，減少了返工，節(jié)約了研發(fā)成本。采用三維CAD技術(shù)，機械設(shè)計時間縮短了近1/3。同時，三維CAD系統(tǒng)具有高度變型設(shè)計能力，能通過快速重構(gòu)，得到一種全新的機械產(chǎn)品，大大提高了工作效率。

參考文獻

[1]陳定方，倪篤明.機械CAD與專家系統(tǒng)[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

[2]魏生民.機械CAD/CAM.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2001.

[3]段清.CAD技術(shù)在機械工程設(shè)計中的發(fā)展與應(yīng)用[J].山西科技，2005（5）

[4]王建華，畢萬全。機械制圖與計算機繪圖.北京：國防工業(yè)出版社.2012.

（作者身份證號碼：320982198511207228）