機(jī)械CAD技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

任思杰，郭術(shù)義，楊 賽，張鵬博

(華北水利水電大學(xué)，鄭州 450045)

0 引言

我國(guó)早在2015年就提出“中國(guó)制造2025”這一宏偉計(jì)劃，使工業(yè)發(fā)展進(jìn)程加快。機(jī)械CAD技術(shù)在機(jī)械工業(yè)發(fā)展中的作用越來(lái)越大，幾乎涵蓋了整個(gè)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程，主要用于圖像的設(shè)計(jì)和處理，以及信息和數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、分析、計(jì)算等[1]。機(jī)械CAD技術(shù)作為機(jī)械領(lǐng)域的常用設(shè)計(jì)技術(shù)得到了快速的發(fā)展。

1 機(jī)械CAD技術(shù)簡(jiǎn)介

機(jī)械CAD技術(shù)即計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，機(jī)械設(shè)計(jì)人員在計(jì)算機(jī)上對(duì)想要設(shè)計(jì)的對(duì)象進(jìn)行圖形建模、信息處理、數(shù)據(jù)分析等操作，并形成設(shè)計(jì)方案[2]。機(jī)械CAD技術(shù)將人與計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，將設(shè)計(jì)人員的邏輯思維和創(chuàng)新性想法通過(guò)計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算，直觀地將運(yùn)算結(jié)果和模型呈現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員面前，供設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)參考和編輯修改。

目前，機(jī)械CAD技術(shù)廣泛應(yīng)用在機(jī)械工業(yè)的整個(gè)過(guò)程中，機(jī)械設(shè)計(jì)中利用CAD設(shè)計(jì)軟件，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行繪圖、建模、實(shí)體渲染以及數(shù)控仿真等[3]?，F(xiàn)代化的制造業(yè)已經(jīng)離不開 CAD 技術(shù)，它在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和智能制造方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

2 機(jī)械CAD技術(shù)的發(fā)展史

20世紀(jì)50年代，美國(guó)麻省理工學(xué)院在旋風(fēng)計(jì)算機(jī)上采用陰極射線管(CRT)做成圖形終端[4]。是CAD技術(shù)準(zhǔn)備、醞釀、誕生的階段。

20世紀(jì)60年代，美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)做了CAD的開拓研究工作, 發(fā)表了有關(guān)CAD的論文，CAD術(shù)語(yǔ)出現(xiàn)，交互式繪圖，CAD技術(shù)產(chǎn)業(yè)逐漸形成[5]。此時(shí)CAD技術(shù)到了初級(jí)應(yīng)用階段。

20世紀(jì)70年代，CATIA軟件誕生于達(dá)索航空內(nèi)部的軟件開發(fā)項(xiàng)目CADAM1、CADAM2，改變了以往只能借助油泥模型來(lái)近似表達(dá)曲面的工作方式，使人們可以用計(jì)算機(jī)進(jìn)行曲線、曲面的處理操作[6]。這成為了CAD技術(shù)的第一次革命。1979 年，悉尼大學(xué)J.S. Gero 教授組織了第一個(gè)智能CAD 國(guó)際性學(xué)術(shù)會(huì)議，編輯并出版了一本論文集[7]，是人工智能和CAD 研究的正式結(jié)合。1979年美國(guó)的SDRC公司推出了世界上第一個(gè)基于實(shí)體造型技術(shù)的大型CAD、CAM軟件——I-DEAS。實(shí)體造型技術(shù)能夠精確表達(dá)零件的全部屬性，在理論上有助于統(tǒng)一CAD、CAE、CAM的模型表達(dá)，成為了CAD技術(shù)的第二次技術(shù)革命。

20世紀(jì)80年代，CV公司內(nèi)部提出了參數(shù)化實(shí)體造型方法，它的主要特點(diǎn)是基于特征、全尺寸約束、全數(shù)據(jù)相關(guān)、尺寸驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)修改，這是CAD技術(shù)的第三次技術(shù)革命。IFIP 接連召開了關(guān)于“智能CAD”的專題學(xué)術(shù)會(huì)議，交流和總結(jié)智能CAD 技術(shù)的進(jìn)展情況[8-9]，明確了智能CAD 研究的范疇、方向、方法和重點(diǎn)。1983年我國(guó)召開了全國(guó)第一次CAD工作會(huì)議[10]，為我國(guó)CAD的發(fā)展起到了推動(dòng)作用。

20世紀(jì)90年代，SDRC公司的開發(fā)人員以參數(shù)化技術(shù)為藍(lán)本，提出了一種比參數(shù)化技術(shù)更為先進(jìn)的實(shí)體造型技術(shù)——變量化技術(shù)，這是CAD技術(shù)的第四次技術(shù)革命。1991年我國(guó)科委起草了《關(guān)于大力協(xié)同開展我國(guó)“計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)應(yīng)用工程”的報(bào)告》[11]，形成了我國(guó)CAD產(chǎn)業(yè)的起步階段。2019年召開的“國(guó)產(chǎn)CAD發(fā)展技術(shù)研討會(huì)” ，標(biāo)志著我國(guó)CAD產(chǎn)業(yè)趨向成熟。

3 機(jī)械CAD技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

3.1 降低設(shè)計(jì)成本

與傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)相比，機(jī)械CAD技術(shù)可極大地降低企業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成本[12]。使用機(jī)械CAD技術(shù)在計(jì)算機(jī)上可以對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的全過(guò)程進(jìn)行模擬規(guī)劃，從設(shè)計(jì)圖紙到產(chǎn)品生產(chǎn)，期間可以采用相同的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，提高研究人員的設(shè)計(jì)效率，降低了企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本。

3.2 優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)

使用機(jī)械CAD技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，可以有效貫徹綠色設(shè)計(jì)的理念，確保產(chǎn)品在整個(gè)生命周期內(nèi)對(duì)環(huán)境和資源的影響最小化，在設(shè)計(jì)中要考慮到產(chǎn)品的可拆卸性、可回收性等，這些特性將會(huì)融入到設(shè)計(jì)的各環(huán)節(jié)[13]。此外還可以利用機(jī)械CAD技術(shù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，確保設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在理論上可以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)方便觀測(cè)設(shè)計(jì)的效果，及時(shí)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化[14]。

3.3 促使設(shè)計(jì)智能化

利用機(jī)械CAD技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可以在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，便捷地利用繪圖工具和存儲(chǔ)功能設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，還能及時(shí)引入特征參數(shù)。同時(shí)在設(shè)計(jì)中，還需要各種信息的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化集成、機(jī)械結(jié)構(gòu)的可變量設(shè)計(jì)等方面功能，避免了人工完成耗費(fèi)大量資源的弊端，使用機(jī)械CAD技術(shù)的智能化處理，設(shè)計(jì)人員只需要在推薦的幾種參數(shù)下選擇合適的即可，使設(shè)計(jì)更偏向智能化。

4 機(jī)械CAD技術(shù)在常見領(lǐng)域的應(yīng)用

4.1 石油機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用

1988年，張曉東就提出了發(fā)展石油機(jī)械CAD技術(shù)的幾點(diǎn)設(shè)想，根據(jù)石油機(jī)械的特殊性，重點(diǎn)研發(fā)一些專用軟件，實(shí)現(xiàn)專用零件(如鉆機(jī)底座、卡盤、吊環(huán)等)的CAD設(shè)計(jì)[15]。石油機(jī)械CAD技術(shù)使設(shè)計(jì)偏向虛擬化和網(wǎng)絡(luò)化，可以對(duì)石油機(jī)械設(shè)備進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析，有效提高機(jī)械設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中的效率[16]。

4.2 農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用

農(nóng)業(yè)機(jī)械CAD技術(shù)利用機(jī)械CAD技術(shù)為平臺(tái)，以農(nóng)業(yè)機(jī)械零件庫(kù)、動(dòng)力機(jī)械庫(kù)以及農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)建模為支撐，建設(shè)高效通用的農(nóng)業(yè)機(jī)械CAD平臺(tái)[14]。目前，農(nóng)業(yè)機(jī)械CAD技術(shù)正在逐漸偏向智能化發(fā)展，在人機(jī)交互方面取得了一定的突破，可以記錄設(shè)計(jì)人員的常用操作，為設(shè)計(jì)人員減輕工作量。

4.3 礦山機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用

機(jī)械CAD技術(shù)可以提升礦山機(jī)械設(shè)計(jì)的便捷性和礦山機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量。使礦山機(jī)械在裝配的過(guò)程中，各個(gè)零部件之間的配合關(guān)系可以通過(guò)模型在設(shè)計(jì)人員眼前直觀再現(xiàn)，若發(fā)生裝配錯(cuò)誤便會(huì)及時(shí)發(fā)出示警，提高了設(shè)計(jì)了的精確性[17]。

5 總結(jié)

機(jī)械CAD技術(shù)從開始研發(fā)到現(xiàn)在大規(guī)模的商用，解放了設(shè)計(jì)人員的雙手，提升了設(shè)計(jì)人員的工作效率。隨著科技進(jìn)步，對(duì)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的要求越來(lái)越高，機(jī)械CAD技術(shù)也會(huì)隨之不斷得到提升。本文通過(guò)梳理機(jī)械CAD技術(shù)的發(fā)展歷程，有助于設(shè)計(jì)人員提高對(duì)機(jī)械CAD技術(shù)的理解及應(yīng)用。