CAD在机械设计中的应用探究

2010-12-31李雪金

中国新技术新产品 2010年16期

李雪金

（浙江内曼格机械制造有限公司，浙江嘉兴 314500）

CAD技术是随着电子技术和计算机技术的发展而逐步发展起来的，目前CAD技术已经应用于许多行业，如机械、汽车、飞机、船舶、电子、轻工、建筑、化工、纺织及服装等。CAD技术应用于机械类产品设计的比例最大。在机械行业中，Auto CAD是应用最为广泛的计算机辅助设计软件。现在，经过多次升级的Auto CAD最新版本，其绘图功能有了更大的提高，绘图方法更加多样、更加灵活。对于机械设计人员来说，采用AutoCAD绘图技术，可以缩短设计周期。

1 CAD技术发展概述

1.1 CAD概述

CAD(Computer Aided Design)是计算机辅助设计的英文缩写，是利用计算机强大的图形处理能力和数值计算能力，辅助工程技术人员进行工程或产品的设计与分析，达到理想的目的，并取得创新成果的一种技术。自195。年计算机辅助设计(CAD)技术诞生以来，已广泛地应用于机械、电子、建筑、化工、航空航天以及能源交通等领域，产品的设计效率飞速地提高。现已将计算机辅助制造技术((CAM)和产品数据管理技术 (PDM)及计算机集成制造系统(CIMS)集于一体。产品设计是决定产品命运的研究，也是最重要的环节，产品的设计工作决定着产品75%的成本。目前，CAD系统已由最初的仅具数值计算和图形处理功能的C AD系统发展成为结合人工智能技术的智能CAD系统(ICAD)。21世纪，ICAD技术将具备新的特征和发展方向，以提高新时代制造业对市场变化和小批量、多品种要求的迅速响应能力。

以智能CAD(ICAD)为代表的现代设计技术、智能活动是自设计专家系统完成。这种系统能够模拟某一领域内专家设计的过程，采用单一知识领域的符号推理技术，解决单一领域内的特定问题。该系统把人工智能技术和优化、有限元、计算机绘图等技术结合起来，尽可能多地使计算机参与方案决策、性能分析等常规设计过程，借助计算机的支持，设计效率有了大大地提高。

三维CAD系统使人们能够直接由思维中的三维模型开始设计。有了表达全部集合参数和设计构想的可能，使整体设计过程能够在三维模型中分析与研究，并能使用统一的数据.因而能够更好地完善其设计思想，从而使设计方案理想化。在三维的CAD产品设计中，可以建立充分而完整的统一数据库，并以此为基础，对整体设计或部件进行各类分析。从长远的观点看。三维CAD技术必然会替代二维绘图。随着计算机性能的提高.网络通讯的普及化、信息处理的智能化、多媒体技术的实用化.CAD三维技术正向着开放、集成、智能和标准化的方向发展。正确把握CAD技术的发展趋势，对我国CAD软件行业的开发及企业正确规划自身的CAD应用系统，都有深远的意义。

1.2 CAD在机械设计中的优势

在机械产品的设计中，借助CAD技术，产品的性能设计和结构优化设计技术能得到充分的施展，即CAE计算机辅助工程技术，而不仅仅是代替简单而重复的人工劳动。在进行产品设计过程中，产品设计人员可以进行产品的性能分析设计和结构优化设计，并将产品的形体设计与产品性能设计结合起来，运用相关计算机辅助设计技术实现对产品各主要零部件的动、静态分析和结构形体等的优化。此外，CAD技术还有其它方面的应用，如验证二维设计的准确性、复杂零件体积、重量的计算、演示功能、广告、样本、宣传资料的制作等等。

2 CAD在机械设计中的应用

2.1 实体应用

CAD的三维建模方法有三种，即线框模型、表面模型和实体模型。在许多具有实体建模功能的CAD软件中，都有一些基本的体系。如在AutoCAD的三维实体造型模块中，系统提供了六种基本体系，即立方体、球体、圆柱体、圆锥体、环状体和楔形体。对简单的零件，可通过对其进行结构分析将其分解成若干基本体对基本体进行三维实体造型，之后再对其进行交、并、差等布尔运算，便可得出零件的三维实体模型。对于有些复杂的零件往往难以分解成若干个基本体，使组合或分解后产生的基本体过多，导致成型困难。所以。仅有基本体系还不能完全满足机器零件三维实体造型的要求。为此可在二维几何元素构造中先定义零件的截面轮廓然后在三维实体造型中通过拉伸或旋转得到新的“基本体”进而通过交、并、差等得到所需要零件的三维实体造型。在零件实体构造完成后。利用机器运动分析过程中的资料.在运动的某-位置，按各零件所在的坐标进行“装配”，这一过程可用CAD软件的三维编辑功能实现。随着科学技术的不断发展制造行业的生产技术不断提高.从普通机床到数控机床和加工中心从人工设计和制图到CAD/CAM/CAE，制造业正向数字化和计算机化方向发展。同时，模具CAD/CAM技术、模具激光快速成型技术(RPM)等，几乎覆盖了整个现代制造技术。一个完整的CAD／CAM软件系统是由多个功目留模块组成的。如三维绘图、图形编辑、曲面造型、仿真模拟、数控加工、有限元分析、动态显示等。这些模块应以工程数据库为基础，进行统-管理，而实体造型是工程数据的主要来源之一。

机械CAE系统的主要功能是工程数值分析、结构优化设计、强度设计评价与寿命预估、动力学，运动学仿真等。CAD技术在解决造型问题后，才能由CAE解决设计的合理性、强度、刚度、寿命、材料、结构合理性、运动特性、干涉、碰撞问题和动态特性等。

2.2 多维绘图应用

进行机械产品设计，所处理的信息，无非是图形和数据两个方面。其中，绘图工作量约占60%-70%以上。二维图形的处理目标，就是绘制传统的工程图。进行二维工程绘图，首先要有适用的绘图软件。目前在CAD应用中，微机和和工作站绘图软件相当多，功能较好的也不少。它们都以交互式绘图为主，都能绘制各种图形和进行图形编辑，并具有标准文字，尺寸和填充剖面，区分层次和调用图块，以及赋予图形属性和实现图形交换等各项功能。但要真正发挥CAD的绘图功能，往往还需要在通用的绘图软件包基础上，按专业开发具有宏命令功能的参数化绘图软件，并建立相应的图形符号库，使用户无需掌握复杂的计算机操作知识和编辑功能，就能按菜单进行自动设计绘图。

2.3 CAD在机械设计中应用趋势

迄今的CAD系统，通常仅限于处理“可数类型”的信息，包括计算、分析和绘图。然而，在机械设计过程中，往往还需处理另一种符号类型的信息，包括方案构思、结构布置，参数选择和推理决策等。近年来，机械CAD在这方面也有些发展，例如开发了一些机械产品方案设计和机械零部件设计的智能化软件，还有人推出了机械故障诊断专家系统。有人预言，智能时代即将来。在九十年代，机械设计专家系统将会更多的涌现。为此，还要做许多工作，特别是进行基础理论和关键技术的深人研究，例如设计方法、产品模型，知识获得和评价决策等。机械CAD技术的发展将更加迅猛异常，CAD/CAM为代表的高新技术正急剧地改变着传统机械行业设计制造的落后面貌，在加快设计制造进度，促进产品的更新换代，提高产品质量等方面起着举足轻重的作用。同时为我们从事机械设计者提出了新的任务，要求我们更新观念，扩大视野，跳出古朴的设计方法圈子。利用现代高科技，设计制造出更好的产品。