CAD在机械工程设计中的应用分析

葛 昊 邢更力 刘 辉

（公安部第一研究所，北京 100048）

CAD在机械工程设计中的应用分析

葛 昊 邢更力 刘 辉

（公安部第一研究所，北京 100048）

随着现代化信息水平的不断提高及社会经济发展的快速增长，计算机辅助技术（CAD）在机械工程设计中应用较为广泛，逐渐代替了传统化机械工程设计行业。信息化世界的快速发展，带动着CAD三维技术朝向更加成熟与标准化的技术水准方向迈进。因此，正确把握CAD技术的发展趋势与应用前景，对我国的机械工程设计工作具有深远的现实意义。本文针对CAD技术的基本概念、系统组成、设计理念以及应用发展提出研究性意见，以便日后对机械CAD在安防监控领域的应用起到一定的参考价值。

机械工程设计 CAD三维技术 安防监控领域

引言

CAD是计算机辅助设计的简称，是指工程设计人员利用计算机以及图形设备等工具进行的设计工作。传统的工程设计要求工作人员亲自设计草图，最终采用定稿后的工作图对工程进行设计施工。然而，随着计算机应用技术的不断发展提高，CAD技术完全可以摆脱人力画图，自动生成设计图形原稿，使设计人员快速判断与修改设计图，利用计算机操作实现对设计图形的编辑、放缩、平移以及旋转等加工步骤，从而精确得到工程设计的实图分析。现代化CAD技术能够体现自动化设计理念与方法，提高工程的设计质量，缩短设计周期，最终实现集成化、智能化以及网络化整合的信息化管理系统。

1 CAD系统工作流程及在机械工程设计中的应用研究

随着计算机网络技术的发展与创新，CAD技术不仅能够实现自动绘图功能，而且在机械设计制造中与计算机辅助工艺规程设计、数控自动编程共同形成一门综合性应用研究技术，形成CAD技术集成化系统流程。

CAD技术在机械工程技术中的应用主要表现为：二维制图、参数设计、工程设计分析、图形及符号库、三维立体造型以及文档设计或生成报表。其中，二维制图的出现代替了传统的专业绘图技术，也是CAD技术中最为普遍的应用；参数设计是指根据机械零部件的适用尺寸建立图形程序库，调用参数赋以一组新的尺寸参数，即生成一个新的零件图形；常见的工程设计分析有优化设计、运动学及动力学分析以及有限元分析等，细分某个具体设计对象的方法要依靠自身的特性去分析，如设计注塑模型时要进行塑流分析、冷却及变形分析等；图形及符号库专门用来储存大量简单的图形及符号，需要时可随时调出使用，图形及符号经编辑、修改后可以插入其他图形中，方便制图与设计；三维立体造型采用实体造型设计机械工程的零部件，经过消隐、着色等计算机网络处理，显示出真实的结构形状，可构造延伸为零件装配以及运动仿真，便于日后观察有无干涉反应等。在CAD技术设计过程中，需要用到专门的计算机软件，为某种设计属性制成文档形式或者生成输出报表，以及通过直方图、折线图、饼图或者各种曲线图形来表达某种参数，从而达到设计要求。

2 CAD三维技术在机械工程设计中的实际应用

2.1 发挥创新设计模式

传统设计理念多倾向于仿型设计和改型设计，通过改变某些参数和结构尺寸，根据现有信息资料，设计出产品的基本结构。因此，设计理念从一开始就按照常规设计，使得产品受限于原有模式，不能实现质的飞跃。CAD三维技术的应用则使机械设计理论更加充分、准确地体现创新型设计效果，利用专家系统和现代化科技新理论，建立多种模型对比理念，激发设计人员的思路延伸，从而得到具有高科技含量的产品。本文给出几种CAD技术在机械工程的设计模型以供参考，如图1所示。

图1 机械零件三维立体剖面图

2.2 虚拟样机碰撞参数测试

利用CAD软件在机械系统动力学进行虚拟样机模型建立的过程中，参数设置是一项非常重要的测试环节。在机械运动中，虚拟样机的接触分为碰撞接触和持续接触。两种碰撞模型分别采用碰撞函数模型和泊松模型等描述。接触力的数值采用罚函数法计算得出。罚函数值是指当物体发生碰撞接触时，受力面引入法向接触力；罚函数值的大小随渗透量和物体刚度增大而增大，存在正比例关系。物体在碰撞接触时会产生法向力和摩擦力，一般实际应用中会忽略接触摩擦，并根据Coulomb摩擦定律计算切向摩擦力。

下面给出参数的基本模型。

选取虚拟样机碰撞函数模型。由Dubosky弹簧-阻尼接触铰理论，得出法向力参数公式：

式（1）中，k代表罚因子（接触刚度）；g代表碰撞接触物体的渗透量；e代表非线性系数；c代表阻尼系数，即：

式（2）代表三次多项式逼近海维赛阶梯函数；g代表在某一时刻碰撞接触面的渗透量；D选取设定的最大渗透量；C为阻尼系数的全值，根据材料的特性可以选定其大小标准。

式（1）中，k的取值会影响动力学的变化特征。当k趋近于无穷大时，碰撞接触物体之间符合非穿透条件，但是k取值过大会产生动力学方程病态，最终无法求解方程。因此，k值与e值通常会根据接触物体的材料刚度和几何形状来确定。

泊松模型得出的法向力参数公式如下：

式（3）后两项分别表示碰撞物体接触开始与结束的渗透速度。由于k值过大会产生方程病态，因此在迭代计算中引入拉格朗日乘子，则式（3）可改写为：

j代表碰撞接触过程中的迭代次数，且满足：

2.3 碰撞参数优化测试比较

利用参数分析对虚拟样机的碰撞力作出分析，得出虚拟样机碰撞力的波形和峰值与实际测得碰撞力的波形极为相似。两种碰撞力的数值分析如表1所示。

表1 CAD设计参数调整数据表

通过ADAMS给出铜与钢的碰撞参数值以及在实验中与虚拟样机得出的两组碰撞参数值，即在虚拟样机建立模型中设置铜与钢的碰撞参数。参数设置如表2所示。

表2 铜与钢的碰撞参数值表

本文主要设计建立碰撞参数测试系统，并通过SQP优化测试、虚拟样机的对比试验以及利用ADAMS软件未标明铜与钢的碰撞参数测试，发现了更加精确的碰撞参数。

3 CAD在机械工程设计中的应用特点

CAD三维机械设计不仅能够体现产品对象的形状、大小以及位置关系等几何特征，还可以向设计者传递产品对象的颜色、体积、惯性矩等信息来源，从而对产品形象进行数学化描述和物理型模拟，最终使设计者的表达意图完美呈现。

3.1 类似于人的思维模型

CAD机械制图的产生，使得机械工程设计人员更加专注于产品设计本身，而不是将重点关注在表示结构图形。一般设计师在设计图形结构时先构思后表达，在脑海中直观反映出三维产品结构。因此，表达出的几何图形自然符合三维实体模型。CAD三维技术设计出来的立体图形结构较为直观、易于理解，有利于促进设计师的创新理念，延伸设计的多向空间思维，同时方便与他人进行沟通交流。

3.2 缩短机械工程设计周期

CAD三维机械设计在解决复杂几何立体图形建构问题方面，具有重要的发展意义。通过布尔运算，将简单的几何实体随意组合成各种复杂的几何实体，在计算机辅助作用下，自动生成相贯线和截交线，缩减设计工作量，缩减了1/3机械设计周期，大幅提升设计与生产效率。CAD三维技术能通过快速重建结构，得到各种全新的机械设计产品，缩短了机械工程设计的周期。CAD三维技术系统在开发设计新型机械的过程中，只需对部分零件结构进行重构与制造，而大部分零件结构将沿用以往信息进行设计构造，使得机械工程制造的效率足足提高了3至5倍。

3.3 便于修改、设计零件结构

机械工程设计本身是一项极为复杂的零件构造系统。利用CAD三维技术，方便在装配环境以及相邻零件位置形状中设计新零件，既方便快捷，又能够保证新零件与相邻零件的结构相匹配，从而避免设计出的零部件与所要求的零件不相符合。为了保证零件在设计与制造过程中的合格率，需要利用CAD三维技术的辅助设计。比如，利用装配环境中的箱体形状快速精确地设计出符合要求的箱盖。机械零件的装配环境中还需要用到查找与修改。零件环境中设置有查找器，利用资源查找器可以在完成机械零件的设计造型时出现所有指示命令，点击命令即可清楚了解制造的每一步骤，同时可以实现将零件制造的全过程通过动画形式形象展示在人的面前，一目了然。修改零件只需要点击资源查找器中的对应按钮，在装配环境中也可以实现修改命令，即点击要修改的零件结构，就能够进入装配环境对零件进行修改。

3.4 直观体现装配零件结构

机械工程装配零件过程也必须用到CAD技术才能确保设计的正确完整性。装配零件的过程需要根据资源查找器中的装配路径，实时监测零件之间的装配关系是否正确或者发生干涉。如果查找器显示的路径正常，可以对装配零件进行静干涉的检查；若出现干涉的情况，以可及时修改零件，保证机械工程设计的正确性。此外，外部零件能够进行隐藏，只显示内部的装配结构，同时可以进行运动仿真，清楚观察到机械的运动全过程，有利于保证机械设计的完整性。利用CAD技术可以直接在计算机上对零件进行虚拟加工，同时检测零件在加工过程中是否存在干涉和质量上的问题，从而节约试验资本支出。机械设计需要综合观察模型的运动路径，判断是否按照一定的运动行程演示活动，或者在静态情况不发生干涉时检测是否在运动过程中发生碰撞。发现有异常的运动轨迹，及时作出处理和修改，从而避免机械工程产品在生产出实体后才发现问题而浪费资源的现象。

4 CAD技术在我国工程设计领域的发展前景

4.1 图形交互技术

CAD已经成为设计办公软件的主要创新工具，不仅能够为设计者提供广阔的思路，解放认识上的束缚，情境引入到创造性活动中，而且成为设计者的专业小帮手，如智能化图标菜单、动态导航器等，方便了我们的生活应用。随着信息化水平的不断提高与体系的完整，五笔输入法、语言识别功能以及特征手势建模等新型技术，正丰富、改变着人类世界的生活。

4.2 智能化操作

智能化CAD操作技术服务于人类的控制活动，是一项体现高智能化的人类创造性活动，同时也是高速发展经济社会的必然方向。智能化操作水平以信息化、知识化理念为载体，及时向设计者提供精确的数据分析，并达到一定的技术帮助。智能化操作还体现在理解设计者的设计意图、自动检测设计失误状况、智能化回答问题以及提出解决方案并进行推理等。现代化设计水准以创新为核心概念，如何把创新应用融入到CAD技术，是一项具有深远意义的操作技能。因此，采用智能化系统去优化新产品、工程、系统的设计理念，才能符合现代化要求的创新理念。

4.3 虚拟现实操作

虚拟现实技术是指设计人员在虚拟环境中创造新产品，利用人机工程学原理对设计产品进行效果检验，在虚拟世界中可以直接操作产品对象并检验使用效果是否舒适，对于产品结构中的干涉与运动碰撞问题可以及时发现并修改处理。建立虚拟原理体验和虚拟样机，可以全方位观察设计新产品的外形与构造，从而建立全面的评价体系。虚拟制造、虚拟工厂以及动态企业联盟，是CAD技术在电子商业时代的一个重要体现。虚拟制造是指利用虚拟的原型来代替实体对其加工、测试、仿真、分析，从而真实而有效地评价其操作性能、可装配性以及控制成本等。任何虚拟制造都可以实现在真实产品制造前解决异常情况，降低错误率，从而降低制造成本。

4.4 实现安防监控领域的应用

随着机械工程的设计理念不断趋于完善化，安全防护以及监控技术成为机械制造业在激烈的市场竞争中健康稳定发展的积极因素。因此，机械CAD技术的应用发展极大地促进了安全防护功能的性质体验。CAD系统功能的强化转变有利于安防监控设施的实地应用以及实时监控，强大的科学计算功能使产品归于常规设计、优化设计以及可靠性设计，精确的数据流与数字仿真模拟技术均在安防监控领域应用中发挥着重要作用。

5 结语

CAD技术的快速发展和多维方向延伸，对我国机械制造以及安防监控工程领域有着重要的发展意义。网络技术及概念设计贯穿产品的整个生命周期，对其设计理念、技术创新均发挥了重要作用。利用基于网络的CAD集成技术，全方位体现数字化设计理念以及制造发展，已经成为机械工程设计的主要发展趋势。可见，先进的设计理念与手段是机械工程制造业在激烈市场竞争处于不败之地的必要保证。协调好设计理念、制造施工以及生产管理之间的合作关系，在现实世界中构建以CAD技术为主的网络设计管理、协同设计理念的模型，才能提升工作效率，带动企业经济效益及社会效益的增长。

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Application of CAD in Mechanical Engineering Design

GE Hao, XING Gengli, LIU Hui
(The First Research Institute of Ministry of Public Security, Beijing 100048)

With the continuous improvement of modern information level and the rapid growth of social and economic development, computer-aided technology (CAD) has been widely used in mechanical engineering design, and gradually replaced the traditional mechanical engineering design industry. The rapid development of information-based world, led to three-dimensional CAD technology towards a more mature and standardized technology direction. Therefore, the correct grasp of the development trend of CAD technology and application prospects of China’s mechanical engineering design has far-reaching practical significance. In this paper, CAD technology for the basic concepts, system components, design concepts and application development of research advice in order to the future of mechanical CAD in the field of security monitoring applications play a certain reference value.

mechanical engineering design, CAD threedimensional technology, security monitoring field