淺談機(jī)械制造應(yīng)用CAD技術(shù)設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)

沈娜

摘要：本文基于機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的工作模式和特點(diǎn)，從基本原理、設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)效果等幾個(gè)方面探討了CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用。實(shí)踐證明，CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用，使機(jī)械設(shè)計(jì)提高到了全新的水平。

關(guān)鍵詞：CAD；機(jī)械設(shè)計(jì)

制造技術(shù)的智能化是制造技術(shù)發(fā)展的前景。近20年來，制造系統(tǒng)正在由原先的能量驅(qū)動(dòng)型轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔Ⅱ?qū)動(dòng)型，這就要求制造系統(tǒng)不但要具備柔性，而且還要表現(xiàn)出某種智能，以便應(yīng)對(duì)大量復(fù)雜信息的處理、瞬息萬變的市場(chǎng)需求和激烈競(jìng)爭(zhēng)的復(fù)雜環(huán)境，因此智能制造越來越受到重視。在機(jī)械行業(yè)中，CAD是應(yīng)用最為廣泛的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件?，F(xiàn)在，經(jīng)過多次升級(jí)的CAD最新版本，使其繪圖功能有了更大的提高，繪圖方法更加多樣、更加靈活。對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)人員來說，采用CAD繪圖技術(shù)，可以縮短設(shè)計(jì)周期，減少不必要的重復(fù)勞動(dòng)，提高設(shè)計(jì)水平和工作效率。

一、CAD技術(shù)給機(jī)械設(shè)計(jì)帶來的變革

我國(guó)目前的CAD市場(chǎng)上已涌現(xiàn)了國(guó)外CAD/CAM/CAE 高端軟件、普及型三維CAD 軟件、二維CAD軟件平臺(tái)、國(guó)產(chǎn)三維CAD軟件等品種。由于三維CAD設(shè)計(jì)所得的立體圖更直觀、更易理解，不但可促進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)師思維的深入，也有助于設(shè)計(jì)的拓展，因而其得到了廣泛的運(yùn)用。

（一）縮減了機(jī)械設(shè)計(jì)的周期

三維CAD機(jī)械設(shè)計(jì)有助于解決相對(duì)復(fù)雜的幾何造型難題。其可通過簡(jiǎn)單的幾何實(shí)體經(jīng)布爾運(yùn)算等功能構(gòu)建出各式各樣復(fù)雜的幾何實(shí)體，可自動(dòng)生成截交線與相貫線，設(shè)計(jì)工作量大為減輕，機(jī)械設(shè)計(jì)周期也在原有程度上縮減了三分之一，機(jī)械設(shè)計(jì)與生產(chǎn)效率得以大幅度提升。使用三維CAD軟件進(jìn)行機(jī)械的開發(fā)與設(shè)計(jì)時(shí)，僅需對(duì)部分零部件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)或制造，而大部分零部件設(shè)計(jì)將承襲既有信息，使得機(jī)械設(shè)計(jì)的效率提升了3倍以上。與此同時(shí)，三維CAD還具備高度的變型設(shè)計(jì)能力，可經(jīng)快速重構(gòu)生成全新的機(jī)械產(chǎn)品。

（二）零件設(shè)計(jì)與修正將更為便利

三維CAD軟件可在裝配環(huán)境下進(jìn)行新零件的設(shè)計(jì)，也可利用相鄰零件的位置、形狀來進(jìn)行新零件的設(shè)計(jì)，還可保障相鄰零件與新零件間的有序配合，規(guī)避了因零件單獨(dú)設(shè)計(jì)時(shí)存在的錯(cuò)誤而引發(fā)的裝配失敗。如可在裝配環(huán)境下根據(jù)箱體的形狀或配合需求，快速而精準(zhǔn)地設(shè)計(jì)出所需的箱蓋；此外，三維CAD使得零件的修改也變得極為便利，因零件環(huán)境中配有資源查找器，在進(jìn)行機(jī)械零件造型時(shí)，查找器也同時(shí)將完成該零件時(shí)的所有命令羅列出來，只要點(diǎn)擊這些命令就可清晰地掌握該零件完成過程中的每個(gè)步驟，并可利用資源查找器中的零件回放功能將該零件造型的全部過程以動(dòng)畫形式演示出來，需修改零件時(shí)，也可通過點(diǎn)擊查找器中相應(yīng)的指令完成，更方便的是在進(jìn)行零件裝配的條件下也可進(jìn)行零件修改，通過點(diǎn)擊需修改的目標(biāo)零件就可進(jìn)入零件環(huán)境來完成修改。

（三）提升產(chǎn)品的技術(shù)含量與質(zhì)量

由于機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)與信息技術(shù)的結(jié)合，我們采用CAD設(shè)計(jì)技術(shù)與CIMS 來組織生產(chǎn)，使得機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)獲得了新的發(fā)展。三維CAD技術(shù)憑借其獨(dú)有的有限元受力分析功能等先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段，確保大大提升了設(shè)計(jì)產(chǎn)品的技術(shù)含量與質(zhì)量。與此同時(shí)，多數(shù)企業(yè)的數(shù)控加工技術(shù)相對(duì)完善，通過采用CAD、CAM、CAPP技術(shù)來進(jìn)行機(jī)械零件的加工，可收獲良好的一致性，保障了產(chǎn)品的質(zhì)量。三維CAD機(jī)械設(shè)計(jì)不但可直觀地描述出設(shè)計(jì)對(duì)象的形態(tài)、大小、位置等特性，還可對(duì)被設(shè)計(jì)對(duì)象賦予體積、顏色、重心等多個(gè)信息，可實(shí)現(xiàn)被設(shè)計(jì)對(duì)象幾何形狀工作狀態(tài)的模擬與描述，從而更精準(zhǔn)、全面地傳達(dá)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖。

二、CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用

CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用主要集中在零件與裝配圖的實(shí)體生成、多維幾何繪圖、模具集成制造、機(jī)械CAE應(yīng)用等方面。CAD技術(shù)更新了設(shè)計(jì)手段和設(shè)計(jì)方法，擺脫了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式的束縛，引進(jìn)了現(xiàn)代設(shè)計(jì)的觀念，促進(jìn)了機(jī)械制造業(yè)的高速發(fā)展。

（一）零件與裝配圖的實(shí)體生成

CAD的只維建模有3種形式，即線框模型、表面模型和實(shí)體模型。具有實(shí)體建模功能的CAD軟件中都具有一些基本體系，如在CAD的三維實(shí)體建模中，系統(tǒng)提供了立方體、球體、圓柱體、圓錐體、環(huán)狀體和楔形體這6種基本體系。對(duì)一些簡(jiǎn)單的零件，可通過對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，將其分解成若干基本體，先對(duì)基本體進(jìn)行三維實(shí)體造型，之后再對(duì)其進(jìn)行交、并、差等布爾運(yùn)算，便可得到零件的三維實(shí)體模型。對(duì)于難以分解成若干個(gè)基本體的復(fù)雜零件，可在二維幾何元素構(gòu)造中先定義零件的截面輪廓，然后在二維實(shí)體造型中通過拉伸或旋轉(zhuǎn)得到新的基本體，再通過交、并、差等運(yùn)算得到所需要零件的三維實(shí)體模型。在零件實(shí)體模型構(gòu)造完成后，利用CAD中的只維編輯功能即可實(shí)現(xiàn)對(duì)零件所在坐標(biāo)進(jìn)行裝配。

（二）多維幾何繪圖

機(jī)械設(shè)計(jì)過程中要處理的信息一般包含圖形和數(shù)據(jù)2種。其中，繪圖的工作量較大，約占70%左右。而隨著CAD技術(shù)的發(fā)展，CAD各種繪圖軟件的功能也日趨強(qiáng)大。CAD繪圖軟件的主要功能包括：交互式繪圖、圖形編輯、標(biāo)準(zhǔn)尺寸、文字、填充剖面、調(diào)用圖塊、區(qū)分層次以及實(shí)現(xiàn)圖形交換等。

（三）模具集成制造

隨著科技發(fā)展，制造業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)不斷提高，從過去的普通機(jī)床到現(xiàn)在的數(shù)控機(jī)床，從傳統(tǒng)的人工設(shè)計(jì)和繪圖到現(xiàn)在的CAD技術(shù)，機(jī)械制造業(yè)逐步走向了信息化。與此同時(shí)，模具CAD/CAM技術(shù)、模具激光快速成型技術(shù)等，也基本包含了整個(gè)現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)。一個(gè)較為完整的CAD/CAM系統(tǒng)是由三維繪圖、圖形編輯、數(shù)控加工、曲面造型、動(dòng)態(tài)顯示、仿真模擬、圖形編輯以及有限元分析等這些模塊組成的，這些模塊以工程數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，而實(shí)體造型是工程數(shù)據(jù)的主要來源。

（四）機(jī)械CAE的應(yīng)用

機(jī)械CAE系統(tǒng)具備結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、工程數(shù)值分析、壽命評(píng)

估、動(dòng)力學(xué)/運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真以及強(qiáng)度設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)等功能。運(yùn)用CAD技術(shù)解決造型問題后，便可由機(jī)械CAE解決設(shè)計(jì)的若干問題，如設(shè)計(jì)的合理性、剛度、強(qiáng)度、壽命以及動(dòng)態(tài)特性等。

三、基于CAD技術(shù)的機(jī)械制造技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷革新，信息技術(shù)的普及及信息處理的智能化，使得CAD技術(shù)正趨于智能化、集成化的方向發(fā)展。

（一）智能化

所謂智能化就是將計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域中富有智能化的學(xué)科和技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng)中，如知識(shí)工程、機(jī)器學(xué)習(xí)、聯(lián)想啟發(fā)、推理機(jī)制、專家系統(tǒng)等技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)硬件性能的迅速提高和三維CAD技術(shù)的逐步完善，在輔助設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，融合機(jī)器學(xué)習(xí)、智能推理和技術(shù)，使機(jī)械設(shè)計(jì)的CAD系統(tǒng)提高智能化的水平，具備學(xué)習(xí)能力，應(yīng)用專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的機(jī)制，已成為眾所矚目的發(fā)展方向。這里所指的“智能化”主要是對(duì)機(jī)器行為的描述，是基于控制理論，吸收人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、混沌動(dòng)力學(xué)等新思想、新方法，模擬人類智能，使它具備邏輯思維、判斷推理、自主決策等能力，以期得到更高的控制目標(biāo)。誠(chéng)然，使機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品具有與人類完全相同的智能性是不可能的，也是不必要的。但是，高性能、高速的微處理器使CAD 機(jī)械設(shè)計(jì)賦予低級(jí)智能或人類部分智能，則是完全可能而又必要的。

（二）集成化

當(dāng)今CAD技術(shù)發(fā)展的一大明顯趨勢(shì)為集成化，CAD技術(shù)并非孤立存在的，首先其集合了外圍設(shè)備、計(jì)算機(jī)軟硬件、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)、圖形學(xué)等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)。同時(shí)又不斷與CAM、CAPP、MIS系統(tǒng)、PDM、MRP等系統(tǒng)相統(tǒng)一。再加上互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，使得種種合理的設(shè)想均得以實(shí)現(xiàn)。如何構(gòu)建基于Internet體系的CAD、CAM 集成化系統(tǒng)必將成為日后發(fā)展的熱點(diǎn)。尤其是在全球經(jīng)濟(jì)一體化的發(fā)展背景下，基于Web技術(shù)并兼具工程、異地設(shè)計(jì)與制造等理念的集大成者的設(shè)計(jì)制造系統(tǒng)將會(huì)成為機(jī)械設(shè)計(jì)與制造企業(yè)的新寵?，F(xiàn)有的3D-XML、XML可解決異構(gòu)平臺(tái)問題，其獨(dú)有的多層圖像表示法對(duì)復(fù)雜的幾何數(shù)據(jù)具有良好的壓縮能力，且生成的3D圖形精準(zhǔn)度較高，轉(zhuǎn)換后模型可維持原有CAD模型關(guān)于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、尺寸等草圖信息的描述，以及可實(shí)現(xiàn)三維圖像在互聯(lián)網(wǎng)上共享的VRML標(biāo)準(zhǔn)編程軟件的出臺(tái)與運(yùn)用均為日后建立協(xié)同設(shè)計(jì)與工作的環(huán)境打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

四、總結(jié)

綜上所述，CAD技術(shù)的進(jìn)步必將推動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的進(jìn)步，盡管目前我國(guó)的CAD技術(shù)取得了喜人的成就，但與國(guó)外水平相比仍具有較大的差距，不斷加大CAD技術(shù)的研發(fā)力度是我們今后工作的重中之重，從而促進(jìn)機(jī)械制造整體的發(fā)展。