CAD技術(shù)在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

鄭 健

（魯南技師學(xué)院，山東 臨沂 276001）

引言

CAD技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展為機(jī)械工程設(shè)計(jì)提供了新的思路，也為設(shè)計(jì)人員提供了專業(yè)設(shè)計(jì)平臺。因此，機(jī)械工程設(shè)計(jì)人員應(yīng)提高對CAD技術(shù)的重視程度，利用CAD技術(shù)優(yōu)化細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)、控制設(shè)計(jì)誤差，從而推動機(jī)械制造行業(yè)的發(fā)展。

1 CAD與機(jī)械工程設(shè)計(jì)概述

1.1 CAD技術(shù)與CAD系統(tǒng)

CAD技術(shù)即計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，指的是利用計(jì)算機(jī)與圖形設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)。CAD技術(shù)出現(xiàn)于二十世紀(jì)六十年代，而我國CAD技術(shù)起源于國外CAD平臺技術(shù)的二次開發(fā)。CAD技術(shù)當(dāng)中的基本技術(shù)包括交互技術(shù)、曲面造型技術(shù)、圖形變換技術(shù)以及實(shí)體造型技術(shù)。交互技術(shù)可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)人員與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的信息交互，幫助設(shè)計(jì)人員更改設(shè)計(jì)圖紙。曲面造型技術(shù)指的是對線條的曲面造型進(jìn)行研究，以滿足異形設(shè)計(jì)需求。圖形變換技術(shù)可以將用戶坐標(biāo)系與圖形輸出設(shè)備的坐標(biāo)系結(jié)合起來，對圖形進(jìn)行平移、縮放、旋轉(zhuǎn)或透視變換。實(shí)體造型技術(shù)可以將設(shè)計(jì)圖紙轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)體造型[1]。在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用CAD技術(shù)，可有效減少數(shù)據(jù)運(yùn)算量、減少誤差，因此，CAD技術(shù)在設(shè)計(jì)中占據(jù)著重要地位。

CAD系統(tǒng)主要由軟件與硬件共同構(gòu)成，其中，硬件包括計(jì)算機(jī)以及圖形設(shè)備，而圖形設(shè)備又包括顯示器、輸入設(shè)備以及輸出設(shè)備。軟件由操作系統(tǒng)與應(yīng)用軟件構(gòu)成，操作系統(tǒng)包括Linux、UNIX等工作站操作系統(tǒng)以及Windows等PC機(jī)操作系統(tǒng)，應(yīng)用軟件包括AutoCAD、CAXA電子圖板等二維CAD系統(tǒng)與Solid-Edge、Inventor等三維CAD系統(tǒng)。

1.2 機(jī)械工程設(shè)計(jì)

機(jī)械工程是利用物理定律對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)、制造以及維修的工程學(xué)科。機(jī)械工程將自然科學(xué)與技術(shù)科學(xué)結(jié)合起來，可以為機(jī)械開發(fā)、運(yùn)行以及維修提供指導(dǎo)。機(jī)械工程設(shè)計(jì)即根據(jù)用戶需求與產(chǎn)品規(guī)劃方案進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，具有復(fù)雜性、標(biāo)準(zhǔn)性等特點(diǎn)，對設(shè)計(jì)質(zhì)量的要求相對較高。

2 CAD技術(shù)在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢

2.1 有利于提高機(jī)械工程設(shè)計(jì)的數(shù)字化水平

在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用CAD技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)與控制，提高設(shè)計(jì)效率。利用CAD技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以將數(shù)據(jù)元素轉(zhuǎn)變?yōu)閳D形元素，也可以將圖形元素轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)元素，應(yīng)用CAD技術(shù)可以提高數(shù)據(jù)處理效率，為機(jī)械工程設(shè)計(jì)提供更多的數(shù)據(jù)信息。

2.2 有利于縮短機(jī)械工程的設(shè)計(jì)時間

在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作中，設(shè)計(jì)人員需要通過手繪等方式繪制圖紙，并進(jìn)行大量計(jì)算，在一定程度上降低了設(shè)計(jì)效率。而應(yīng)用CAD技術(shù)可進(jìn)行輔助繪圖，提高數(shù)據(jù)處理效率，縮短機(jī)械工程設(shè)計(jì)的時間。同時，設(shè)計(jì)人員運(yùn)用CAD技術(shù)可以隨時更改設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，不需要重新繪制設(shè)計(jì)圖紙，可有效節(jié)約設(shè)計(jì)時間[2]。此外，應(yīng)用CAD技術(shù)可以提高變型設(shè)計(jì)能力，加快設(shè)計(jì)速度。

2.3 有利于提高機(jī)械工程的設(shè)計(jì)質(zhì)量

在進(jìn)行機(jī)械工程設(shè)計(jì)時，可以利用CAD技術(shù)進(jìn)行參數(shù)的計(jì)算與調(diào)整，增強(qiáng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。也可以進(jìn)行模型建構(gòu)，對設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行優(yōu)化。CAD技術(shù)結(jié)合了結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及力學(xué)體系等內(nèi)容，可以提升機(jī)械工程的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

3 CAD技術(shù)在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用

3.1 在輔助繪圖中的應(yīng)用

繪圖是設(shè)計(jì)工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而傳統(tǒng)的人工繪圖不僅會消耗大量的時間，也會影響到圖紙的精準(zhǔn)性。如在設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)人員無法充分展現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，導(dǎo)致后續(xù)生產(chǎn)出現(xiàn)問題。而應(yīng)用CAD技術(shù)可以進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助繪圖，增強(qiáng)圖紙的準(zhǔn)確性。因此，設(shè)計(jì)人員需要提高對CAD技術(shù)的重視程度，并充分發(fā)揮其計(jì)算機(jī)輔助繪圖功能的作用，降低繪圖難度。常用的計(jì)算機(jī)輔助繪圖軟件有AutoCAD、CAXA電子圖板等，設(shè)計(jì)人員可以利用這些軟件進(jìn)行繪圖，提高繪制效率。其中，AutoCAD具有圖形繪制、圖形編輯、圖形轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)交換等多重功能，可以進(jìn)行用戶定制與二次開發(fā)，也可以為多種硬件設(shè)備與操作平臺提供支持。設(shè)計(jì)人員可以利用AutoCAD軟件進(jìn)行平面繪圖，創(chuàng)建直線、曲線、多邊形等基本圖形，并利用正交、捕捉追蹤、極軸追蹤等功能捕捉幾何對象中的特殊點(diǎn)，利用該軟件進(jìn)行圖形的移動、旋轉(zhuǎn)、延長、拉伸與縮放，并對圖形的尺寸、文字等各個方面進(jìn)行調(diào)整，利用該軟件進(jìn)行三維繪圖，并構(gòu)建機(jī)械產(chǎn)品模型。

3.2 在優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在CAD技術(shù)與機(jī)械工程設(shè)計(jì)不斷融合的過程中，CAE技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。CAE技術(shù)可以計(jì)算復(fù)雜工程與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度、動力響應(yīng)和三維多體接觸等參數(shù)，并對機(jī)械工程結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。常用的CAE軟件有專用CAE軟件與通用CAE軟件。其中，專用CAE軟件是針對特定工程或產(chǎn)品進(jìn)行性能分析與優(yōu)化的軟件，而通用CAE軟件是針對不同工程與產(chǎn)品的力學(xué)性能以及物理性能對工程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的軟件。CAE軟件的關(guān)鍵在于有限元方法，可以對結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化處理并根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件進(jìn)行求解。在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用CAE軟件具有多重優(yōu)勢，可以完善設(shè)計(jì)功能、增強(qiáng)機(jī)械工程設(shè)計(jì)的合理性、降低設(shè)計(jì)成本、縮短設(shè)計(jì)周期、通過優(yōu)化設(shè)計(jì)明確最佳設(shè)計(jì)方案。

3.3 在機(jī)械工程建模中的應(yīng)用

模型建構(gòu)是機(jī)械工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對設(shè)計(jì)質(zhì)量會產(chǎn)生較大影響。但模型建構(gòu)難度相對較大，如果不采用先進(jìn)的技術(shù)手段可能會降低建模的準(zhǔn)確性。在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用CAD技術(shù)，可以通過相關(guān)軟件構(gòu)建三維模型，降低模型建構(gòu)難度。同時，CAD技術(shù)的建模體系較為完善，不僅包括立方體、球體、圓錐體，也包括圓柱體、楔形體以及環(huán)狀體等建模體系，基本可以滿足機(jī)械工程建模需求。設(shè)計(jì)人員在構(gòu)建三維模型時只需要選擇合適的建模體系，進(jìn)行分解與組裝即可。在應(yīng)用CAD技術(shù)時，設(shè)計(jì)人員應(yīng)輸入設(shè)計(jì)參數(shù)并構(gòu)建表面模型、線框模型與實(shí)體模型，展現(xiàn)設(shè)計(jì)效果。此外，設(shè)計(jì)人員利用三維建模功能可以進(jìn)行彈性設(shè)計(jì)。在建模過程中，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)實(shí)際情況，直接利用CAD技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)整，增強(qiáng)模型的精準(zhǔn)性。

3.4 在CAD/CAM模具集成制造中的應(yīng)用

應(yīng)用CAD技術(shù)可以提升機(jī)床性能，優(yōu)化機(jī)械工程設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員可以利用CAD技術(shù)提升數(shù)控機(jī)床的智能化與數(shù)字化水平，并對設(shè)計(jì)工作進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)督。設(shè)計(jì)人員也可以利用CAD/CAM技術(shù)進(jìn)行仿真模擬與數(shù)控加工，提高模具制造的集成化程度。

3.5 在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

設(shè)計(jì)人員可以利用CAD技術(shù)分析機(jī)械產(chǎn)品零部件的結(jié)構(gòu)與力學(xué)情況，及時調(diào)整零件結(jié)構(gòu)與受力，提升產(chǎn)品的整體性能。

4 CAD技術(shù)在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的發(fā)展方向

CAD技術(shù)是機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵，可以為工程建模、工程分析和設(shè)計(jì)審查提供技術(shù)支持。但機(jī)械工程設(shè)計(jì)是動態(tài)變化的，人們對機(jī)械工程設(shè)計(jì)的要求也是不斷變化的，因此，需要進(jìn)一步完善CAD技術(shù)，促進(jìn)CAD技術(shù)向標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化以及自動化方向發(fā)展。

4.1 標(biāo)準(zhǔn)化

當(dāng)前，常用的CAD軟件功能較為豐富，使用價值也比較高，但兼容性相對較差，會對數(shù)據(jù)共享造成影響。在這種情況下，應(yīng)對CAD軟件數(shù)據(jù)模型以及交換資源格式化標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行深入研究，不斷完善STEP標(biāo)準(zhǔn)體系，從而使CAD技術(shù)向標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。

4.2 集成化

在機(jī)械制造行業(yè)不斷發(fā)展的過程中，設(shè)計(jì)手段逐漸向多樣化方向發(fā)展。同時，機(jī)械工程設(shè)計(jì)當(dāng)中存在大量的非結(jié)構(gòu)化信息，如產(chǎn)品樣品圖像、工程圖樣等，若想科學(xué)管理這些數(shù)據(jù)信息，就需要進(jìn)行集成化管理。因此，為了充分發(fā)揮CAD技術(shù)在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的作用，需要提升CAD技術(shù)的集成化水平，即對CAD、CAM以及CAPP等技術(shù)進(jìn)行集成，從而實(shí)現(xiàn)工藝分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)等各道工序的集成。同時，設(shè)計(jì)人員也需要利用CAD軟件研究機(jī)械產(chǎn)品的力學(xué)特點(diǎn)，對設(shè)計(jì)工藝進(jìn)行集成，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

4.3 智能化

智能化時代，若想突出CAD技術(shù)的優(yōu)勢、提升機(jī)械工程設(shè)計(jì)質(zhì)量，需要促進(jìn)CAD技術(shù)向智能化方向發(fā)展。技術(shù)人員要充分發(fā)揮人工智能技術(shù)在CAD技術(shù)中的作用。在CAD技術(shù)中應(yīng)用人工智能技術(shù)以提升CAD軟件的創(chuàng)造力，因此，可以通過利用基于約束滿足的設(shè)計(jì)、基于范例推理的設(shè)計(jì)以及專家系統(tǒng)，提升CAD技術(shù)的智能化水平。同時，可以利用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方案推導(dǎo)系統(tǒng)，解決設(shè)計(jì)條件描述不充分等問題，利用針對機(jī)械工程設(shè)計(jì)的模糊評判方法與多解性模糊設(shè)計(jì)，進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員要根據(jù)相關(guān)需求制定設(shè)計(jì)計(jì)劃，并利用CAD軟件創(chuàng)新設(shè)計(jì)手段，使設(shè)計(jì)工藝更具有智能化的特點(diǎn)。

4.4 網(wǎng)絡(luò)化

在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，推動CAD技術(shù)向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展具有重要意義。技術(shù)人員要充分發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在CAD技術(shù)中的作用，增強(qiáng)二維圖紙的傳輸效率。并在網(wǎng)絡(luò)協(xié)作模式的基礎(chǔ)上，保障機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低設(shè)計(jì)成本。

4.5 自動化

信息化時代，不僅需要提升CAD技術(shù)的智能化與網(wǎng)絡(luò)化水平，也需要提升機(jī)械工程設(shè)計(jì)的自動化程度。技術(shù)人員應(yīng)進(jìn)一步研究CAD技術(shù)的自動繪圖功能、自動分析功能和自動建模功能，提升技術(shù)的自動化水平，降低機(jī)械工程設(shè)計(jì)對人工的依賴。

5 結(jié)語

在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用CAD技術(shù)可以提升設(shè)計(jì)的數(shù)字化水平、縮短設(shè)計(jì)時間、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。設(shè)計(jì)人員應(yīng)靈活應(yīng)用CAD技術(shù)，不斷更新設(shè)計(jì)理念，完善機(jī)械工程設(shè)計(jì)的內(nèi)容。同時，技術(shù)人員也需要對CAD技術(shù)進(jìn)行深入研究，促進(jìn)CAD技術(shù)向標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化以及自動化方向發(fā)展。