基于CAD在機械設計中應用的探索性研究

陳曉紅

（黃岡職業技術學院，黃岡 408002）

0 引言

計算機輔助設計指利用計算機及其圖形設備幫助設計人員進行設計工作，簡稱CAD。 在機械設計中，傳統的方法是工作人員要用草圖設計，將草圖變為工作圖。而由CAD技術來實現，可以讓計算機自動產生設計結果，方便圖形快速顯示出來，使設計人員及時對設計作出判斷和修改，并可以利用計算機進行與圖形的編輯、放大、縮小、平移和旋轉等有關的圖形數據加工工作。

圖1 CAD工作流程

1 CAD系統工作流程及在機械設計中的主要應用

CAD技術主要解決自動繪圖問題，隨著計算機硬、軟件技術及其它相關技術的發展，現在的CAD已成為一門綜合性應用新技術?，F在的CAD過程往往與計算機輔助工藝規程設計（CAPP：Computer Aided Process planning）及數控自動編程連在一起，形成集成的CAD系統工作流程圖，如圖1所示。

CAD技術在機械設計中主要應用有以下幾方面：

1）二維繪圖。這是最普遍最廣泛的一種應用，用來代替傳統的手工繪圖。

2）圖形及符號庫。將復雜圖形分解成許多簡單圖形及符號，先存入庫中，需要時調出，經編輯修改后插入到另一圖形中去，從而使圖形設計工作更加方便。

3）參數化設計。標準化或系列化的零部件具有相似結構，但尺寸需經常改變，采用參數化設計的方法建立圖形程序庫，調出后賦以一組新的尺寸參數就能生成一個新的圖形。

4）三維造型。采用實體造型設計零部件結構，經消隱及著色等處理后顯示物體的真實形狀，還可作裝配及運動仿真．以便觀察有無干涉等。

5）工程分析。常見的有有限元分析、優化設計、運動學及動力學分析等。此外針對某個具體設計對象還有它們自己的工程分所問題．如注塑模設計中要進行塑流分析、冷卻分忻、變形分析等。

6）設計文檔或生成報表。許多設計屬性需要制成文檔說明或輸出報表，有些設計參數需要用直方圖、餅圖、或曲線圖等來表達。上述這些工作常由一些專門的軟件來完成，如文檔制作軟件及數據庫軟件等。

2 CAD在機械設計中的優缺點

2.1 CAD技術在機械設計中的優點

1）符合人的思維過程

機械設計師在設計時總是先構思后表達，由于腦海中構思出的產品形狀是三維的，因而直接建立反映產品真實幾何形狀的三維實體模型自然是理想的表達方式。這可使機械設計師更加專注于產品設計本身，而不是產品的圖形表示，符合機械設計師的創新意識，有利于設計的連續進行。由于CAD三維設計得到的三維立體圖具有直觀、易于理解等特點，不僅能促進機械設計師的思維深入，有利于設計的擴展，而且也便于與他人進行交流。

2）縮短了機械設計周期

CAD三維機械設計有利于解決復雜的幾何造型問題。它可以由簡單幾何實體通過布爾運算等功能組合出各種復雜的幾何實體，并能自動生成相貫線和截交線，大大減輕了設計工作量，縮短機械設計周期近1/3，大幅度地提高了設計和生產效率。在用三維CAD系統進行新機械的開發設計時，只需對其中部分零部件進行重新設計和制造，而大部分零部件的設計都將繼承以往的信息，使機械設計的效率提高了3-5倍。同時，三維CAD系統具有高度變型設計能力，能夠通過快速重構，得到一種全新的機械產品。

3）零件設計和修改非常方便

使用三維CAD系統軟件，可以在裝配環境中設計新零件，也可以利用相鄰零件的位置及形狀來設計新零件，既方便又快捷，還可保證新零件與相鄰零件的精確配合，避免了單獨設計零件出現錯誤而導致裝配的失敗。比如可以在裝配環境中根據箱體的形狀及其他的配合要求快速準確地設計出所需要的箱蓋來。

零件環境中有查找器，在完成機械零件造型時，資源查找器同時列出了完成該零件的所有命令，點擊這些命令就可以很清楚地了解完成該零件的每個步驟，并利用資源查找器中的零件回放把零件造型的全過程通過動畫連續地演示出來，使人一目了然。修改零件時，也可以點擊資源查找器中相對應的命令來完成，更方便地是在裝配環境中也可以進行零件的修改，即點擊要修改的零件就可以進入零件環境來完成零件的修改。

4） 在裝配環境中裝配零件方便直觀

運用不同的裝配關系可以把各個機械零件裝配起來。在裝配過程中，資源查找器中的裝配路徑查找器記錄了零件之間的裝配關系，若裝配不正確或發生干涉，查找器即予以顯示，同時可對零件的裝配進行靜干涉的檢查，如果發現干涉就可及時對零件等進行修改，以保證設計的正確性。另外，零件還可以隱藏，在隱藏了外部零件后，可清楚地看到內部的裝配結構。在整個機器或某個部件裝配模型完成后還能進行運動演示，對于有一定運動行程要求的，可檢驗行程是否達到要求，對于在靜態下不發生干涉而在運動中出現碰撞的也可檢驗出來，從而及時對設計進行更改，保證設計的正確性，避免了機械產品生產后才發現問題需要修改甚至報廢。同時還可以進行運動仿真，能清楚地看到機器運動的全過程。直接在計算機上對設計出的零件進行虛擬加工和裝配試驗，檢查零件加工工藝性和裝配質量（有否干涉、松動等），從而減少昂貴的產品試驗模型費用。

5）提高機械產品的技術含量和質量

由于機械產品與信息技術相融合，同時采用了CAD設計方法和CIMS組織生產，使機械產品設計有了新發展。三維CAD技術采用先進的設計方法，如優化、有限元受力分析等，保證了產品的設計質量。同時，大型企業數控加工手段較完善，再采用CAD/CAPP/CAM進行機械零件加工，一致性很好，保證了產品的質量。

三維機械設計不僅可以方便地描述對象的形狀、大小和位置等幾何特征，而且還可以賦予設計對象以顏色、紋理、體積、重心、慣性矩等多種信息，達到對設計對象幾何形狀確切的數學描述和工作狀態的物理模擬，從而更充分、準確、全面、真實地表達設計者的意圖。

2.2 CAD技術在機械設計中的不足

1）把CAD技術作為取代圖板的繪圖工具，并未實現真正的設計。目前有些單位用CAD三維軟件做出的三維模型僅為效果圖，并沒有用在整體空間設計和受力分析，還停留在平面設計上，只是把用手工出圖轉變為計算機出圖的現狀。當然計算機出圖有很多的優點，例如美觀、規范、修改容易、存檔方便等。但是如果只停留在這個階段，就失去CAD的作用，因為CAD是輔助設計，不是輔助繪圖。

2）精通CAD技術的設計人員不足。三維CAD技術是一個復雜多變的系統，并不是每個設計人員都能掌握得很好，大部分人員沒有受過專門的訓練，對它的功能了解不夠，他們完成的設計很可能不夠完善。

3 CAD技術的發展趨勢

CAD技術的發展方向今后仍然是集成化、智能化、網絡化和綠色化，提高系統的實用性和使用方便性，以及降低價格等。下面簡述幾個明顯的發展趨勢。

1）集成化。設計制造或施工及相應的生產，與工程管理等方面存在緊密的聯系。為了提高工作效率，人們首先將CAD與CAM兩個規程有機地連接起來，實現了CAD/CAM一體化。這種系統，將CAD的設計結果直接用于數控仿真和生成數控加工程序，送數控機床進行自動加工。以特征三維造型為基礎的CAD/CAE/CAPP/CAM的集成是未來產品設計開發的主要模式。尤其是進一步與快速原型制造的集成，可以構成一個閉環快速產品開發系統，在并行工程（CE）環境下，能夠對產品設計進行快速評價和修改，以響應市場大規?？蛻艋a的需要，提高企業的競爭力。更高程度的集成，CAD 將與其他的先進分析、制造、規劃、管理技術一起成為計算機集成制造系統（CIMS）的重要組成部分，并且將成為CIMS的核心與基礎。

2）智能化。設計過程需要大量的設計知識和專家經驗。一般的CAD系統都是一種人機系統，即系統中包含了使用系統的人。使用CAD系統的設計者在系統行為中起著主導和決策的作用。人工智能（AI）、專家系統（ES）和基于知識的系統技術的發展及其在設計領域的應用，為CAD技術的發展開辟了新的途徑，從而出現了新的面貌。所謂智能CAD系統，或基于知識的CAD系統，或CAD專家系統，是一個具有大量知識與經驗的程序系統。它采用人工智能技術，運用知識庫中的設計知識進行推理、判斷和決策，解決以前必須由人類專家解決的復雜問題，使CAD技術的發展達到一個新的水平。由于知識庫中的知識來源于很多人類專家長期積累的經驗，因此，一個成功的CAD專家系統可以達到甚至超過領域設計專家的水平。

3）網絡化或協同化。形成信息高速公路互聯的協同CAD，實現計算機支持協同工作，達到遠程（異地）設計的目的，從而最大程度地充分發揮不同單位、區域、國家的各自優勢，多快好省地進行產品設計?，F在，將多臺微型機CAD工作站聯網或將多臺微型機CAD工作站和工程工作站聯網，構成分布式CAD系統已成為一種趨勢。這種網絡系統結構靈活、功能強大、價格較低。每個工作站可以單獨使用，也可以相互配合，實現資源和信息共享，也可實現并行設計和協同工作。這種CAD網絡很適合企業單位的需要。因為企業中的產品設計與制造一般都不是個人行為，而是一個組或一個科室群體有組織、有計劃地進行的工程項目。參加工作的各個成員必須相互配合、協同努力，在規定的權限下共享資源和已有的設計結果，有關負責人還要對各步的設計結果進行審核。CAD網絡的建立，以及設計管理和協同設計功能的實現，無疑將大大促進企業經濟效益的提高。

4）綠色化。綠色化已成為全球不可抗拒的潮流，是人類可持續發展的核心內容之一。綠色設計技術，在以集成、并行的方式設計產品及其相關過程的同時，優化設計方案，減少廢品率，使整個生產過程對環境的污染程度降低到最小，資源的利用率達到最高。

4 結束語

隨著CAD技術的快速發展必將對制造業產生深遠的影響，對提高我國機械制造業競爭力起到舉足輕重的作用。我國CAD技術研究和應用的水平與發達國家相比雖然還有很大差距，但我們應該清醒認識到先進的設計方法和設計手段是機械制造企業在激烈的市場競爭中獲得成功的重要保證。

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