機械設(shè)計中計算機輔助設(shè)計技術(shù)應(yīng)用研究

郭超

摘要：隨著當(dāng)前我國信息技術(shù)水平的不斷發(fā)展，計算機技術(shù)也逐漸得到了廣泛地應(yīng)用，其中計算機輔助設(shè)計技術(shù)作為現(xiàn)代工程設(shè)計當(dāng)中的重要工具，在機械設(shè)計中發(fā)揮著重要作用?；诖?，本文針對計算機輔助設(shè)計在機械設(shè)計中的應(yīng)用優(yōu)勢展開探討，并從多個角度對該技術(shù)在機械設(shè)計中的實際應(yīng)用進行研究。

關(guān)鍵詞：機械設(shè)計;計算機輔助設(shè)計;三維建模

中圖分類號：TH122? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）15-0218-02

0? 引言

計算機輔助設(shè)計簡稱CAD，其主要功能和作用就是通過計算機和相應(yīng)圖形設(shè)備幫助設(shè)計人員完成設(shè)計工作。CAD技術(shù)的合理應(yīng)用能夠在一定程度上減輕設(shè)計人員的工作壓力和設(shè)計的復(fù)雜程度，能夠自主完成相關(guān)計算、存儲以及制圖動作，而且還能夠?qū)υO(shè)計進行多樣化處理，極大地提高了設(shè)計人員的工作效率。

1? 在機械設(shè)計中應(yīng)用計算機輔助設(shè)計的優(yōu)勢

機械設(shè)計作為機械設(shè)計制造過程的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，其設(shè)計的水平、質(zhì)量直接影響著相應(yīng)產(chǎn)品的質(zhì)量和效果，因此，加強對于機械設(shè)計的重視是十分重要的。得益于計算機強大的存儲、計算能力，作為機械設(shè)計技術(shù)與計算機技術(shù)的交叉學(xué)科的計算機輔助設(shè)計技術(shù)，近年來取得長足的進展：拷貝設(shè)備、存儲設(shè)備、高清顯示器以及掃描系統(tǒng)等多項功能設(shè)備能有效支持對機械圖形的高清繪制、存取、轉(zhuǎn)換;交互式圖形顯示軟件、應(yīng)用軟件和相應(yīng)的數(shù)據(jù)管理軟件等的應(yīng)用，使得計算機輔助設(shè)計在繪圖、計算、造型以及人機交互方面優(yōu)勢明顯，合理有效應(yīng)用該技術(shù)，能夠有效提升機械設(shè)計效率，為高質(zhì)量完成機械制造提供支撐。

在機械設(shè)計中應(yīng)用計算及輔助設(shè)計技術(shù)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：第一，CAD技術(shù)作為一種設(shè)計輔助工具，能夠有效降低機械設(shè)計的難度，簡化圖紙繪制過程，進而提高設(shè)計效率;第二，相較于人工計算而言，CAD技術(shù)能夠借助布爾運算實現(xiàn)對于產(chǎn)品設(shè)計的高效處理，在實際進行機械設(shè)計的過程中若發(fā)現(xiàn)前期設(shè)計中出現(xiàn)計算問題或失誤情況，可及時進行修改和變更，并且后續(xù)設(shè)計也會隨之更新，有效提高了機械設(shè)計效率;第三，借助CAD技術(shù)在保障了設(shè)計效率，縮短設(shè)計周期的情況下，同時也保障了設(shè)計的質(zhì)量;第四，由于設(shè)計周期的縮短，設(shè)計質(zhì)量的提高，也有效降低了設(shè)計過程中的資源浪費，降低了機械設(shè)計成本[1]。

2? 計算機輔助設(shè)計技術(shù)在機械設(shè)計中的實際應(yīng)用

在社會不斷發(fā)展的情況之下，對于機械設(shè)計的要求不斷提升，當(dāng)前計算機輔助設(shè)計技術(shù)已然成為機械設(shè)計當(dāng)中的重要工具。不同的計算機輔助設(shè)計軟件有著不同的功能側(cè)重點。由于計算機輔助設(shè)計技術(shù)有效保障了機械設(shè)計的精度、質(zhì)量以及效率，因此在實際機械設(shè)計當(dāng)中得到了較廣泛地應(yīng)用。

2.1 二維圖樣

在機械設(shè)計中計算機輔助設(shè)計技術(shù)應(yīng)用最為廣泛和深入的領(lǐng)域就是二維圖樣的繪制方面。

本文以AutoCAD繪圖軟件為例，對其二維繪制功能進行介紹。AutoCAD是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的二維圖樣繪制軟件，有著十分全面的繪制功能，該軟件在二維圖紙繪制過程中的詳細功能如下：①文本設(shè)定：創(chuàng)建單行或多行文字作為單個文字對象;格式化文本、列和邊界。②標(biāo)注：自動創(chuàng)建標(biāo)注;將光標(biāo)懸停在選定對象上以獲取預(yù)覽，然后再進行創(chuàng)建。③中心線和圓心標(biāo)記：創(chuàng)建和編輯移動關(guān)聯(lián)的對象時自動移動中心線和中心標(biāo)記。④表格：創(chuàng)建數(shù)據(jù)和符號分別在行和列中的表格、應(yīng)用公式，并鏈接到Microsoft Excel的電子表格中。⑤修訂云：為圖形中的最新更改繪制修訂云，從而快速識別更新內(nèi)容。⑥視圖：按名稱保存視圖，輕松返回到特定視圖當(dāng)中，以便快速參考或應(yīng)用到布局視口。⑦布局：制定圖形大小、添加標(biāo)題塊、顯示模型的多個視圖。⑧字段：使用文本對象中的字段來顯示字段值，更改時可自動更新文本。⑨數(shù)據(jù)連接：通過在Microsoft Excel電子表格和圖形中的表格之間創(chuàng)建實時鏈接來啟用同步更新。{10}數(shù)據(jù)提取：從對象中提取信息、塊和屬性，包括圖形信息。{11}動態(tài)塊：添加靈活性和智能到塊參照，包括更改形狀、大小或配置。{12}陣列：以環(huán)形或矩形陣列或沿著路徑創(chuàng)建和修改對象。{13}參數(shù)化約束：應(yīng)用幾何約束和尺寸約束，從而保持幾何圖形之間的關(guān)系。{14}清理：通過簡單的選擇和對象預(yù)覽，一次刪除多個不需要的對象。

此外，該CAD軟件的交互界面功能全面，操作簡單，適用于多種文檔設(shè)計環(huán)境。在機械設(shè)計過程中，實際繪制二維圖樣時，經(jīng)常會涉及對一些關(guān)鍵要素的重復(fù)繪制，例如一些表示零件表面質(zhì)量粗糙度的符號等，在AutoCAD軟件上進行繪制的過程中，可以通過將一些常用的符號、零件以及標(biāo)準(zhǔn)件等相關(guān)圖形設(shè)置為通用符號，將其定義為通用塊，然后在實際進行二維圖樣繪制的過程中，需要標(biāo)注相應(yīng)符號和圖形時，設(shè)計人員就可以直接在AutoCAD軟件中調(diào)用相應(yīng)圖塊，并將其插入到圖紙當(dāng)中，而且在插入圖塊的過程中，還能夠根據(jù)設(shè)計需求對圖塊進行調(diào)整，極大地提高了圖樣繪制的效率和便捷性[2]。在機械設(shè)計時，進行二維圖樣繪制的過程中，為進一步判斷設(shè)計的可靠性，不同型號零部件的設(shè)計是否符合實際需求，還需要涉及人員利用相應(yīng)CAD軟件進行模型造型和承載試驗，進一步確保機械設(shè)計的效率。除此之外，還可以借助CAD軟件的網(wǎng)絡(luò)功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，為機械設(shè)計的優(yōu)化、探討、合作開發(fā)以及審核提供便利。

2.2 三維建模

隨著當(dāng)前機械制造行業(yè)的不斷發(fā)展，市場對于機械產(chǎn)品的精細化程度、設(shè)計質(zhì)量等各個方面有了更高的要求，機械產(chǎn)品的復(fù)雜性也在不斷提高，在此情況之下，傳統(tǒng)通過二維圖樣進行設(shè)計的方式已經(jīng)難以滿足設(shè)計以及機械制造生產(chǎn)的實際需求，在現(xiàn)有機械設(shè)計常采用的三維建模的過程中，往往通過一次性的設(shè)計難以達到實際要求，因此機械產(chǎn)品三維模型的構(gòu)建和設(shè)計往往需要經(jīng)歷設(shè)計、仿真、再設(shè)計三個階段，以此進一步提高設(shè)計的可靠性。

在三維建模中應(yīng)用計算機輔助設(shè)計技術(shù)的過程，主要包括兩個環(huán)節(jié)，即CAD建模和CAE仿真。其主要技術(shù)過程就是先結(jié)合設(shè)計需求和實際情況對零件進行建模設(shè)計，然后再運用相應(yīng)軟件，進行虛擬裝配，以此確保機械產(chǎn)品設(shè)計的科學(xué)性、合理性以及實用性。

CAD軟件有著強大的三維建模功能，而且三維模型的種類豐富，在實際進行建模設(shè)計的過程中，需要結(jié)合具體情況和需求選用不同的模型類型。以AutoCAD軟件為例，在圖1所示的三維模型中，三維線框模型主要適用于初始設(shè)計迭代當(dāng)中，而且具有一定的透視性，能夠作為幾何圖形的參照，有助于后續(xù)建模和修改。三維實體模型是對于機械設(shè)計產(chǎn)品實際情況的展示，有著極高的效用，并且在實際設(shè)計過程中易于進行圖元合并和輪廓拉伸操作，此外還能展示相應(yīng)質(zhì)量特性和截面。三維曲面建模能夠?qū)崿F(xiàn)對于曲面的精準(zhǔn)控制和設(shè)計分析。三維網(wǎng)格建模有著自由形式雕刻、銳化和平滑處理的功能，有助于實現(xiàn)對于機械設(shè)計的多樣化需求。除此之外，CAD軟件還能夠?qū)崿F(xiàn)二維圖樣和三維模型等多項轉(zhuǎn)換功能，進一步滿足機械設(shè)計需求。

CAE仿真技術(shù)就是對建模完成的零件進行虛擬裝配，通過虛擬裝配，設(shè)計人員能夠觀察到零件裝配過程中的實際情況，了解不同虛擬裝配關(guān)系之間的差異，并以此為依據(jù)進一步對機械設(shè)計進行完善，以此保障機械設(shè)計的質(zhì)量和效果。在機械設(shè)計當(dāng)中，建模和仿真技術(shù)有著十分重要的意義和作用，是保障設(shè)計質(zhì)量效果的重要計算機輔助設(shè)計技術(shù)。

2.3 二次開發(fā)

在當(dāng)前機械行業(yè)不斷發(fā)展的情況下，為進一步優(yōu)化產(chǎn)品功能，滿足實際需求，同時降低設(shè)計生產(chǎn)成本，會在原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)。二次開發(fā)實際就是在機械設(shè)計過程中，為降低設(shè)計成本，減少設(shè)計時間，在原有設(shè)計上進行定制化修改，通常情況下二次開發(fā)不會改變設(shè)計產(chǎn)品的原有內(nèi)核，如機械產(chǎn)品的功能、作用等。

計算機輔助設(shè)計技術(shù)是當(dāng)前機械設(shè)計領(lǐng)域，進行二次開發(fā)所應(yīng)用的主要技術(shù)，常用的軟件有VBA、AutoLisp等，不僅操作較為簡單便捷，而且數(shù)據(jù)、圖紙信息保存管理也十分方便，在機械設(shè)計二次開發(fā)當(dāng)中得到了廣泛地應(yīng)用。在實際進行二次開發(fā)的過程中，由于機械設(shè)計的需求不同、不同計算機輔助設(shè)計的功能存在差異性，尤其是CAE仿真系統(tǒng)，因此，在進行仿真操作的過程中，需要結(jié)合實際情況和設(shè)計需求，合理選擇相應(yīng)工具，以確保二次開發(fā)的質(zhì)量和效果。

2.4 逆向工程

逆向工程也稱作逆向技術(shù)，簡單來說就是一種產(chǎn)品設(shè)計的再現(xiàn)技術(shù)，通過對目標(biāo)產(chǎn)品進行逆向分析，得到產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、功能、技術(shù)規(guī)格等相應(yīng)設(shè)計要點，并以此為依據(jù)設(shè)計出與之功能相似的不同機械產(chǎn)品。在實際逆向工程進行過程中，可借助相應(yīng)計算機的輔助設(shè)計軟件，例如CAD、CAM以及CAE等軟件構(gòu)建目標(biāo)產(chǎn)品的虛擬模型，并通過對實際產(chǎn)品的測量掃描明確產(chǎn)品的尺寸信息，然后進行逐步分解和分析。逆向工程流程如圖2所示。以著名的逆向工程軟件Imageware為例，在實際操作過程中，首先，需要將采集到的點陣數(shù)據(jù)導(dǎo)入到軟件當(dāng)中;其次，結(jié)合點陣數(shù)據(jù)確定曲線類型，然后創(chuàng)建曲線，并進行修改優(yōu)化;再次，確定構(gòu)建的曲面類型，并創(chuàng)建曲面進行優(yōu)化;最后，實現(xiàn)模型構(gòu)建[3]。

3? 結(jié)論

綜上所述，計算機輔助設(shè)計技術(shù)在機械設(shè)計過程中不僅能夠應(yīng)用于二維圖樣的繪制，輔助完成三維建模，還能夠?qū)崿F(xiàn)對于機械設(shè)計的二次開發(fā)，或者將其應(yīng)用到逆向工程當(dāng)中，對于提高機械設(shè)計的質(zhì)量效率以及智能化水平都有著積極意義。相信隨著對于計算機輔助設(shè)計技術(shù)的深入研究和應(yīng)用，我國機械設(shè)計水平將會得到進一步提升。

參考文獻：

[1]羅蓉.計算機軟件在機械設(shè)計中的應(yīng)用——評《AutoCAD機械制圖與計算機輔助設(shè)計》[J].材料保護，2021，54（01）：199.

[2]黃曉春，文運昌.機械設(shè)計制造與計算機輔助技術(shù)結(jié)合應(yīng)用分析[J].湖北農(nóng)機化，2020（10）：137-138.

[3]武承晨.計算機輔助設(shè)計CAD技術(shù)在機械設(shè)計及制造中的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機與配件，2020（06）：235-236.