浅谈机械制造应用CAD技术设计发展趋势

沈娜

摘要：本文基于机械设计领域的工作模式和特点，从基本原理、设计方法、设计效果等几个方面探讨了CAD技术在机械设计方面的应用。实践证明，CAD技术在机械设计领域的发展起到了至关重要的作用，使机械设计提高到了全新的水平。

关键词：CAD；机械设计

制造技术的智能化是制造技术发展的前景。近20年来，制造系统正在由原先的能量驱动型转变为信息驱动型，这就要求制造系统不但要具备柔性，而且还要表现出某种智能，以便应对大量复杂信息的处理、瞬息万变的市场需求和激烈竞争的复杂环境，因此智能制造越来越受到重视。在机械行业中，CAD是应用最为广泛的计算机辅助设计软件。現在，经过多次升级的CAD最新版本，使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CAD绘图技术，可以缩短设计周期，减少不必要的重复劳动，提高设计水平和工作效率。

一、CAD技术给机械设计带来的变革

我国目前的CAD市场上已涌现了国外CAD/CAM/CAE 高端软件、普及型三维CAD 软件、二维CAD软件平台、国产三维CAD软件等品种。由于三维CAD设计所得的立体图更直观、更易理解，不但可促进机械设计师思维的深入，也有助于设计的拓展，因而其得到了广泛的运用。

（一）缩减了机械设计的周期

三维CAD机械设计有助于解决相对复杂的几何造型难题。其可通过简单的几何实体经布尔运算等功能构建出各式各样复杂的几何实体，可自动生成截交线与相贯线，设计工作量大为减轻，机械设计周期也在原有程度上缩减了三分之一，机械设计与生产效率得以大幅度提升。使用三维CAD软件进行机械的开发与设计时，仅需对部分零部件进行重新设计或制造，而大部分零部件设计将承袭既有信息，使得机械设计的效率提升了3倍以上。与此同时，三维CAD还具备高度的变型设计能力，可经快速重构生成全新的机械产品。

（二）零件设计与修正将更为便利

三维CAD软件可在装配环境下进行新零件的设计，也可利用相邻零件的位置、形状来进行新零件的设计，还可保障相邻零件与新零件间的有序配合，规避了因零件单独设计时存在的错误而引发的装配失败。如可在装配环境下根据箱体的形状或配合需求，快速而精准地设计出所需的箱盖；此外，三维CAD使得零件的修改也变得极为便利，因零件环境中配有资源查找器，在进行机械零件造型时，查找器也同时将完成该零件时的所有命令罗列出来，只要点击这些命令就可清晰地掌握该零件完成过程中的每个步骤，并可利用资源查找器中的零件回放功能将该零件造型的全部过程以动画形式演示出来，需修改零件时，也可通过点击查找器中相应的指令完成，更方便的是在进行零件装配的条件下也可进行零件修改，通过点击需修改的目标零件就可进入零件环境来完成修改。

（三）提升产品的技术含量与质量

由于机械产品设计与信息技术的结合，我们采用CAD设计技术与CIMS 来组织生产，使得机械产品的设计获得了新的发展。三维CAD技术凭借其独有的有限元受力分析功能等先进的设计手段，确保大大提升了设计产品的技术含量与质量。与此同时，多数企业的数控加工技术相对完善，通过采用CAD、CAM、CAPP技术来进行机械零件的加工，可收获良好的一致性，保障了产品的质量。三维CAD机械设计不但可直观地描述出设计对象的形态、大小、位置等特性，還可对被设计对象赋予体积、颜色、重心等多个信息，可实现被设计对象几何形状工作状态的模拟与描述，从而更精准、全面地传达设计者的设计意图。

二、CAD技术在机械设计中的具体应用

CAD技术在机械设计中的具体应用主要集中在零件与装配图的实体生成、多维几何绘图、模具集成制造、机械CAE应用等方面。CAD技术更新了设计手段和设计方法，摆脱了传统设计模式的束缚，引进了现代设计的观念，促进了机械制造业的高速发展。

（一）零件与装配图的实体生成

CAD的只维建模有3种形式，即线框模型、表面模型和实体模型。具有实体建模功能的CAD软件中都具有一些基本体系，如在CAD的三维实体建模中，系统提供了立方体、球体、圆柱体、圆锥体、环状体和楔形体这6种基本体系。对一些简单的零件，可通过对其进行结构分析，将其分解成若干基本体，先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，便可得到零件的三维实体模型。对于难以分解成若干个基本体的复杂零件，可在二维几何元素构造中先定义零件的截面轮廓，然后在二维实体造型中通过拉伸或旋转得到新的基本体，再通过交、并、差等运算得到所需要零件的三维实体模型。在零件实体模型构造完成后，利用CAD中的只维编辑功能即可实现对零件所在坐标进行装配。

（二）多维几何绘图

机械设计过程中要处理的信息一般包含图形和数据2种。其中，绘图的工作量较大，约占70%左右。而随着CAD技术的发展，CAD各种绘图软件的功能也日趋强大。CAD绘图软件的主要功能包括：交互式绘图、图形编辑、标准尺寸、文字、填充剖面、调用图块、区分层次以及实现图形交换等。

（三）模具集成制造

随着科技发展，制造业的生产技术不断提高，从过去的普通机床到现在的数控机床，从传统的人工设计和绘图到现在的CAD技术，机械制造业逐步走向了信息化。与此同时，模具CAD/CAM技术、模具激光快速成型技术等，也基本包含了整个现代机械制造技术。一个较为完整的CAD/CAM系统是由三维绘图、图形编辑、数控加工、曲面造型、动态显示、仿真模拟、图形编辑以及有限元分析等这些模块组成的，这些模块以工程数据库为基础，而实体造型是工程数据的主要来源。

（四）机械CAE的应用

机械CAE系统具备结构优化设计、工程数值分析、寿命评

估、动力学/运动学仿真以及强度设计评价等功能。运用CAD技术解决造型问题后，便可由机械CAE解决设计的若干问题，如设计的合理性、刚度、强度、寿命以及动态特性等。

三、基于CAD技术的机械制造技术发展趋势

随着计算机技术的不断革新，信息技术的普及及信息处理的智能化，使得CAD技术正趋于智能化、集成化的方向发展。

（一）智能化

所谓智能化就是将计算机科学领域中富有智能化的学科和技术应用到机械设计CAD系统中，如知识工程、机器学习、联想启发、推理机制、专家系统等技术。随着计算机硬件性能的迅速提高和三维CAD技术的逐步完善，在辅助设计的基礎上，融合机器学习、智能推理和技术，使机械设计的CAD系统提高智能化的水平，具备学习能力，应用专家的经验和知识的机制，已成为众所瞩目的发展方向。这里所指的“智能化”主要是对机器行为的描述，是基于控制理论，吸收人工智能、计算机科学、模糊数学、混沌动力学等新思想、新方法，模拟人类智能，使它具备逻辑思维、判断推理、自主决策等能力，以期得到更高的控制目标。诚然，使机械设计产品具有与人类完全相同的智能性是不可能的，也是不必要的。但是，高性能、高速的微处理器使CAD 机械设计赋予低级智能或人类部分智能，则是完全可能而又必要的。

（二）集成化

当今CAD技术发展的一大明显趋势为集成化，CAD技术并非孤立存在的，首先其集合了外围设备、计算机软硬件、网络、数据库、图形学等多个应用领域的技术。同时又不断与CAM、CAPP、MIS系统、PDM、MRP等系统相统一。再加上互联网技术的发展，使得种种合理的设想均得以实现。如何构建基于Internet体系的CAD、CAM 集成化系统必将成为日后发展的热点。尤其是在全球经济一体化的发展背景下，基于Web技术并兼具工程、异地设计与制造等理念的集大成者的设计制造系统将会成为机械设计与制造企业的新宠。现有的3D-XML、XML可解决异构平台问题，其独有的多层图像表示法对复杂的几何数据具有良好的壓缩能力，且生成的3D图形精准度较高，转换后模型可维持原有CAD模型关于产品结构、材质、尺寸等草图信息的描述，以及可实现三维图像在互联网上共享的VRML标准编程软件的出台与运用均为日后建立协同设计与工作的环境打下了坚实的基础。

四、总结

综上所述，CAD技术的进步必将推动机械设计与制造技术的进步，尽管目前我国的CAD技术取得了喜人的成就，但与国外水平相比仍具有较大的差距，不断加大CAD技术的研发力度是我们今后工作的重中之重，从而促进机械制造整体的发展。