基于CAD在机械设计中应用的探索性研究

2011-02-09陈晓红

制造业自动化 2011年4期

陈晓红

（黄冈职业技术学院，黄冈 408002）

0 引言

计算机辅助设计指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作，简称CAD。在机械设计中，传统的方法是工作人员要用草图设计，将草图变为工作图。而由CAD技术来实现，可以让计算机自动产生设计结果，方便图形快速显示出来，使设计人员及时对设计作出判断和修改，并可以利用计算机进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。

图1 CAD工作流程

1 CAD系统工作流程及在机械设计中的主要应用

CAD技术主要解决自动绘图问题，随着计算机硬、软件技术及其它相关技术的发展，现在的CAD已成为一门综合性应用新技术。现在的CAD过程往往与计算机辅助工艺规程设计（CAPP：Computer Aided Process planning）及数控自动编程连在一起，形成集成的CAD系统工作流程图，如图1所示。

CAD技术在机械设计中主要应用有以下几方面：

1）二维绘图。这是最普遍最广泛的一种应用，用来代替传统的手工绘图。

2）图形及符号库。将复杂图形分解成许多简单图形及符号，先存入库中，需要时调出，经编辑修改后插入到另一图形中去，从而使图形设计工作更加方便。

3）参数化设计。标准化或系列化的零部件具有相似结构，但尺寸需经常改变，采用参数化设计的方法建立图形程序库，调出后赋以一组新的尺寸参数就能生成一个新的图形。

4）三维造型。采用实体造型设计零部件结构，经消隐及着色等处理后显示物体的真实形状，还可作装配及运动仿真．以便观察有无干涉等。

5）工程分析。常见的有有限元分析、优化设计、运动学及动力学分析等。此外针对某个具体设计对象还有它们自己的工程分所问题．如注塑模设计中要进行塑流分析、冷却分忻、变形分析等。

6）设计文档或生成报表。许多设计属性需要制成文档说明或输出报表，有些设计参数需要用直方图、饼图、或曲线图等来表达。上述这些工作常由一些专门的软件来完成，如文档制作软件及数据库软件等。

2 CAD在机械设计中的优缺点

2.1 CAD技术在机械设计中的优点

1）符合人的思维过程

机械设计师在设计时总是先构思后表达，由于脑海中构思出的产品形状是三维的，因而直接建立反映产品真实几何形状的三维实体模型自然是理想的表达方式。这可使机械设计师更加专注于产品设计本身，而不是产品的图形表示，符合机械设计师的创新意识，有利于设计的连续进行。由于CAD三维设计得到的三维立体图具有直观、易于理解等特点，不仅能促进机械设计师的思维深入，有利于设计的扩展，而且也便于与他人进行交流。

2）缩短了机械设计周期

CAD三维机械设计有利于解决复杂的几何造型问题。它可以由简单几何实体通过布尔运算等功能组合出各种复杂的几何实体，并能自动生成相贯线和截交线，大大减轻了设计工作量，缩短机械设计周期近1/3，大幅度地提高了设计和生产效率。在用三维CAD系统进行新机械的开发设计时，只需对其中部分零部件进行重新设计和制造，而大部分零部件的设计都将继承以往的信息，使机械设计的效率提高了3-5倍。同时，三维CAD系统具有高度变型设计能力，能够通过快速重构，得到一种全新的机械产品。

3）零件设计和修改非常方便

使用三维CAD系统软件，可以在装配环境中设计新零件，也可以利用相邻零件的位置及形状来设计新零件，既方便又快捷，还可保证新零件与相邻零件的精确配合，避免了单独设计零件出现错误而导致装配的失败。比如可以在装配环境中根据箱体的形状及其他的配合要求快速准确地设计出所需要的箱盖来。

零件环境中有查找器，在完成机械零件造型时，资源查找器同时列出了完成该零件的所有命令，点击这些命令就可以很清楚地了解完成该零件的每个步骤，并利用资源查找器中的零件回放把零件造型的全过程通过动画连续地演示出来，使人一目了然。修改零件时，也可以点击资源查找器中相对应的命令来完成，更方便地是在装配环境中也可以进行零件的修改，即点击要修改的零件就可以进入零件环境来完成零件的修改。

4）在装配环境中装配零件方便直观

运用不同的装配关系可以把各个机械零件装配起来。在装配过程中，资源查找器中的装配路径查找器记录了零件之间的装配关系，若装配不正确或发生干涉，查找器即予以显示，同时可对零件的装配进行静干涉的检查，如果发现干涉就可及时对零件等进行修改，以保证设计的正确性。另外，零件还可以隐藏，在隐藏了外部零件后，可清楚地看到内部的装配结构。在整个机器或某个部件装配模型完成后还能进行运动演示，对于有一定运动行程要求的，可检验行程是否达到要求，对于在静态下不发生干涉而在运动中出现碰撞的也可检验出来，从而及时对设计进行更改，保证设计的正确性，避免了机械产品生产后才发现问题需要修改甚至报废。同时还可以进行运动仿真，能清楚地看到机器运动的全过程。直接在计算机上对设计出的零件进行虚拟加工和装配试验，检查零件加工工艺性和装配质量（有否干涉、松动等），从而减少昂贵的产品试验模型费用。

5）提高机械产品的技术含量和质量

由于机械产品与信息技术相融合，同时采用了CAD设计方法和CIMS组织生产，使机械产品设计有了新发展。三维CAD技术采用先进的设计方法，如优化、有限元受力分析等，保证了产品的设计质量。同时，大型企业数控加工手段较完善，再采用CAD/CAPP/CAM进行机械零件加工，一致性很好，保证了产品的质量。

三维机械设计不仅可以方便地描述对象的形状、大小和位置等几何特征，而且还可以赋予设计对象以颜色、纹理、体积、重心、惯性矩等多种信息，达到对设计对象几何形状确切的数学描述和工作状态的物理模拟，从而更充分、准确、全面、真实地表达设计者的意图。

2.2 CAD技术在机械设计中的不足

1）把CAD技术作为取代图板的绘图工具，并未实现真正的设计。目前有些单位用CAD三维软件做出的三维模型仅为效果图，并没有用在整体空间设计和受力分析，还停留在平面设计上，只是把用手工出图转变为计算机出图的现状。当然计算机出图有很多的优点，例如美观、规范、修改容易、存档方便等。但是如果只停留在这个阶段，就失去CAD的作用，因为CAD是辅助设计，不是辅助绘图。

2）精通CAD技术的设计人员不足。三维CAD技术是一个复杂多变的系统，并不是每个设计人员都能掌握得很好，大部分人员没有受过专门的训练，对它的功能了解不够，他们完成的设计很可能不够完善。

3 CAD技术的发展趋势

CAD技术的发展方向今后仍然是集成化、智能化、网络化和绿色化，提高系统的实用性和使用方便性，以及降低价格等。下面简述几个明显的发展趋势。

1）集成化。设计制造或施工及相应的生产，与工程管理等方面存在紧密的联系。为了提高工作效率，人们首先将CAD与CAM两个规程有机地连接起来，实现了CAD/CAM一体化。这种系统，将CAD的设计结果直接用于数控仿真和生成数控加工程序，送数控机床进行自动加工。以特征三维造型为基础的CAD/CAE/CAPP/CAM的集成是未来产品设计开发的主要模式。尤其是进一步与快速原型制造的集成，可以构成一个闭环快速产品开发系统，在并行工程（CE）环境下，能够对产品设计进行快速评价和修改，以响应市场大规模客户化生产的需要，提高企业的竞争力。更高程度的集成，CAD 将与其他的先进分析、制造、规划、管理技术一起成为计算机集成制造系统（CIMS）的重要组成部分，并且将成为CIMS的核心与基础。

2）智能化。设计过程需要大量的设计知识和专家经验。一般的CAD系统都是一种人机系统，即系统中包含了使用系统的人。使用CAD系统的设计者在系统行为中起着主导和决策的作用。人工智能（AI）、专家系统（ES）和基于知识的系统技术的发展及其在设计领域的应用，为CAD技术的发展开辟了新的途径，从而出现了新的面貌。所谓智能CAD系统，或基于知识的CAD系统，或CAD专家系统，是一个具有大量知识与经验的程序系统。它采用人工智能技术，运用知识库中的设计知识进行推理、判断和决策，解决以前必须由人类专家解决的复杂问题，使CAD技术的发展达到一个新的水平。由于知识库中的知识来源于很多人类专家长期积累的经验，因此，一个成功的CAD专家系统可以达到甚至超过领域设计专家的水平。

3）网络化或协同化。形成信息高速公路互联的协同CAD，实现计算机支持协同工作，达到远程（异地）设计的目的，从而最大程度地充分发挥不同单位、区域、国家的各自优势，多快好省地进行产品设计。现在，将多台微型机CAD工作站联网或将多台微型机CAD工作站和工程工作站联网，构成分布式CAD系统已成为一种趋势。这种网络系统结构灵活、功能强大、价格较低。每个工作站可以单独使用，也可以相互配合，实现资源和信息共享，也可实现并行设计和协同工作。这种CAD网络很适合企业单位的需要。因为企业中的产品设计与制造一般都不是个人行为，而是一个组或一个科室群体有组织、有计划地进行的工程项目。参加工作的各个成员必须相互配合、协同努力，在规定的权限下共享资源和已有的设计结果，有关负责人还要对各步的设计结果进行审核。CAD网络的建立，以及设计管理和协同设计功能的实现，无疑将大大促进企业经济效益的提高。

4）绿色化。绿色化已成为全球不可抗拒的潮流，是人类可持续发展的核心内容之一。绿色设计技术，在以集成、并行的方式设计产品及其相关过程的同时，优化设计方案，减少废品率，使整个生产过程对环境的污染程度降低到最小，资源的利用率达到最高。