CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李汾娟

(蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州215000)

摘要：CAD技術(shù)的飛速發(fā)展對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)生了巨大的影響，不僅縮短設(shè)計(jì)周期、降低成本，而且提高了機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量，使設(shè)計(jì)變更方便與快捷。以煤礦機(jī)械設(shè)計(jì)為例，淺析CAD技術(shù)優(yōu)勢(shì)在設(shè)計(jì)方案確定、三維建模與渲染，以及CAD/CAE/CAM相結(jié)合的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:CAD機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)用帶傳動(dòng)

中圖分類號(hào)：TH122文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：李汾娟(1983-)，女，遼寧鐵嶺人，講師/工程師，主要從事計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造研究。

收稿日期：2015-04-07

Introduction to the application of CAD technology in mechanical design

LI Fenjuan

Abstract:The rapid development of CAD technology has had a huge impact on mechanical design, which not only shortens the design cycle, reduces costs, improves the quality of mechanical products, but also makes the design changes easily and fast. Taking coal mine machinery for example，this paper discuss the advantages of the specific application CAD technology in areas including the determination of design,3D modeling and rendering,as well as integrated application of CAD/CAE/CAM.

Keywords:CAD；mechanical design；application；belt transmission

0引言

現(xiàn)代設(shè)計(jì)是以產(chǎn)品為總目標(biāo)的一系列種類繁多的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和技術(shù)的綜合運(yùn)用。由于計(jì)算機(jī)具有運(yùn)算速度快、數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確、存儲(chǔ)量大等特點(diǎn)，成為現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)中分析、計(jì)算、綜合、決策、數(shù)據(jù)處理、圖形處理和與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法結(jié)合的不可替代的重要工具。這種人機(jī)交互式的設(shè)計(jì)方法，就是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design, CAD) 。CAD技術(shù)的飛速發(fā)展對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)生了巨大的影響，設(shè)計(jì)效率得到了極大的提高。

1CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)

1.1設(shè)計(jì)周期縮短、耗費(fèi)降低

傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法是以實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，依據(jù)力學(xué)和數(shù)學(xué)建立的理論公式和經(jīng)驗(yàn)公式，運(yùn)用數(shù)表、圖形和手冊(cè)等技術(shù)資料，進(jìn)行方案擬定、設(shè)計(jì)計(jì)算、繪圖和編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書 。因而，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)往往需要人工資料檢索、計(jì)算和手工繪圖，歷時(shí)長(zhǎng)、耗費(fèi)大。CAD技術(shù)讓設(shè)計(jì)人員擺脫繁瑣的資料檢索與計(jì)算，通過(guò)計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算，縮短設(shè)計(jì)進(jìn)程；同時(shí)，CAD技術(shù)支撐圖形程序庫(kù)處理，完成圖形的自動(dòng)生成，大大減輕設(shè)計(jì)人員的繪圖工作量。

1.2設(shè)計(jì)變更方便、快捷

設(shè)計(jì)變更在企業(yè)中是非常普遍的。設(shè)計(jì)企業(yè)會(huì)根據(jù)客戶需求，對(duì)原設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行修改、完善、優(yōu)化。設(shè)計(jì)變更通常包括增減工程內(nèi)容、改變使用功能、修改工藝技術(shù)等內(nèi)容，其中由于設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤和遺漏原因而需要設(shè)計(jì)變更的情況，CAD技術(shù)可以快速解決。例如，對(duì)零件設(shè)計(jì)而言，參數(shù)化設(shè)計(jì)有利于快速實(shí)現(xiàn)尺寸修改；基于虛擬裝配模塊，查看修改后的零件是否與原組建中其他零部件存在干涉，保證裝配的精確度。

1.3助于提高機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量

CAD技術(shù)向標(biāo)準(zhǔn)化、集成化和智能化方向發(fā)展，一些標(biāo)準(zhǔn)的圖形接口軟件和圖形功能相繼推出，將CAD技術(shù)拓展，結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助工程(Computer Aided Engineering, CAE)求解分析復(fù)雜工程和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能；利用計(jì)算機(jī)輔助制造(Computer Aided Manufacturing, CAM)進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)置、控制和操作，實(shí)現(xiàn)仿真加工，優(yōu)化加工工藝過(guò)程。CAD/CAE/CAM技術(shù)的融合，有助于更好的保證機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量。

2CAD技術(shù)優(yōu)勢(shì)在煤礦機(jī)械設(shè)計(jì)中具體應(yīng)用的探討

煤礦機(jī)械可分為露天煤礦機(jī)械和井下煤礦機(jī)械。帶式輸送機(jī)具有長(zhǎng)距離、大運(yùn)量等優(yōu)點(diǎn)，在露天煤礦機(jī)械中較為廣泛應(yīng)用。皮帶傳動(dòng)是帶式輸送機(jī)的重要組成部分，筆者將以帶式輸送機(jī)中皮帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)為例，探索CAD技術(shù)優(yōu)勢(shì)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用。

2.1基于CAD技術(shù)的設(shè)計(jì)方案信息確定

設(shè)計(jì)人員利用CAD技術(shù)不斷的從工程數(shù)據(jù)信息庫(kù)中檢索設(shè)計(jì)資料，調(diào)用設(shè)計(jì)程序庫(kù)的設(shè)計(jì)計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算，確定設(shè)計(jì)方案和主要設(shè)計(jì)參數(shù)；利用圖形程序庫(kù)處理和構(gòu)造設(shè)計(jì)圖形；將設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)圖形存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，完成設(shè)計(jì)方案信息的確定與輸出。

帶式輸送機(jī)帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)中，要求工作環(huán)境溫度一般-25~+40℃，連續(xù)單向運(yùn)轉(zhuǎn)，載荷較平穩(wěn)，使用壽命至少5年，三班制工作，技術(shù)參數(shù)如表1。

表1

主要技術(shù)參數(shù)

利用CAD技術(shù)確定設(shè)計(jì)方案與圖形繪制，過(guò)程如下：1)設(shè)定參數(shù)。從工程數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索設(shè)計(jì)資料設(shè)置工況如圖1；2)設(shè)計(jì)計(jì)算與修改。系統(tǒng)計(jì)算出一系列可行性方案供設(shè)計(jì)人員參考，設(shè)計(jì)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇、修改與調(diào)整，最終確定最優(yōu)方案如圖2；3)校核計(jì)算與輸出結(jié)果。調(diào)用設(shè)計(jì)程序庫(kù)進(jìn)行計(jì)算，確定設(shè)計(jì)方案和主要設(shè)計(jì)參數(shù)，并保存成*.TXT文件格式輸出如圖3；4)構(gòu)造圖形。設(shè)定帶輪結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖4，包括：帶輪類型、輪轂直徑、鍵槽寬度和深度，調(diào)用圖形程序庫(kù)處理和構(gòu)造設(shè)計(jì)圖形；5)圖紙選擇與出圖。標(biāo)注與設(shè)置圖紙樣式如圖5，完成小帶輪設(shè)計(jì)如圖6。

圖1　設(shè)定參數(shù)　　　　圖2　設(shè)計(jì)計(jì)算與修改

可見，利用CAD的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以方便快捷地將設(shè)計(jì)需求轉(zhuǎn)變成設(shè)計(jì)方案，完成工程圖的繪制任務(wù)，縮短了設(shè)計(jì)周期，大大降低了設(shè)計(jì)人員的工作量。

圖3　校核計(jì)算　　　　　　　圖4　設(shè)定帶輪 　　　　　　　　　　　　　　　　　　結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖5　圖紙的選擇　　　　圖6　小帶輪零件圖

2.2三維CAD技術(shù)的應(yīng)用

(1)三維建模與模型渲染的應(yīng)用

CAD在輔助設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)零件的二維圖上表現(xiàn)優(yōu)異，同時(shí)，三維CAD技術(shù)可以快速高效地實(shí)現(xiàn)三維建模與模型渲染，以小帶輪為例如圖7，過(guò)程如下：① 提取二維截面輪廓特征；②創(chuàng)建帶輪基本體；③鍵槽面域的三維旋轉(zhuǎn)；④拉伸特征；⑤布爾差集運(yùn)算；⑥渲染效果圖。

此外，資源查找器中的零件回放可以將零件造型的全過(guò)程通過(guò)動(dòng)畫連續(xù)地演示出來(lái)，幫助工作人員加深了解 ；三維CAD技術(shù)的裝配模塊可以構(gòu)建組件與干涉檢查，避免相鄰零件干涉導(dǎo)致設(shè)計(jì)失敗。

圖7三維建模與渲染

(2)CAD/CAE/CAM技術(shù)綜合應(yīng)用

CAE技術(shù)的主要功能是產(chǎn)品的建模、工程分析與仿真，在幾何建模功能上比較薄弱。通常將CAD建立好的模型導(dǎo)入到CAE中進(jìn)行工程力學(xué)分析。CAM技術(shù)的主要功能是依據(jù)輸入零件的工藝路線和工序內(nèi)容，輸出刀具加工時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡和數(shù)控程序。機(jī)械設(shè)計(jì)中將CAD與CAE 技術(shù)融合，幫助工程結(jié)構(gòu)分析；將CAD與CAM 技術(shù)融合，幫助加工工藝分析。CAD/CAE 和CAD/CAM 的獨(dú)立融合與并行操作，有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)與修改，保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

3CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的存在問(wèn)題

3.1對(duì)CAD認(rèn)知不足

許多企業(yè)對(duì)CAD應(yīng)用大多停留在二維出圖與三維建模上，將CAD作為效果展示的工具，并沒(méi)有意識(shí)到CAD輔助設(shè)計(jì)的含義，同時(shí)在CAD/CAE與CAD/CAM并行操作實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)上的認(rèn)識(shí)不夠。CAD不是輔助繪圖，而是輔助設(shè)計(jì)，并幫助實(shí)現(xiàn)輔助分析與加工 。

3.2精通CAD的技術(shù)人員的缺乏

CAD技術(shù)本身是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，并不是每個(gè)設(shè)計(jì)人員都接受過(guò)系統(tǒng)的培訓(xùn)，了解CAD中的主要模塊與相互聯(lián)系，更不用說(shuō)CAD/CAE與CAD/CAM的并行操作，因而在機(jī)械設(shè)計(jì)中無(wú)法有效的加以利用。

4結(jié)論

現(xiàn)代化信息技術(shù)迅猛發(fā)展，機(jī)械設(shè)計(jì)與制造企業(yè)需要深入應(yīng)用CAD技術(shù)。CAD不是輔助繪圖，而是輔助設(shè)計(jì)。先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法與手段是企業(yè)在激烈競(jìng)爭(zhēng)中獲得成功的保證。加強(qiáng)CAD技術(shù)的應(yīng)用，為機(jī)械設(shè)計(jì)提供必要的技術(shù)支撐，增強(qiáng)企業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的研發(fā)能力，從而提高企業(yè)機(jī)械裝備水平。

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