试论机械CAD技术的应用及发展趋势

徐汛

[摘           要]  通过分析CAD技术的特点、发展历程及CAD技术的标准件库及零件号标注，对CAD技术在机械方面的应用进行了分析，包括二维工程图绘制和三维实体建模和产品性能分析和结构优化，并通过一款转速器改型产品作为案例对CAD技术的应用实施情况进行具体说明，同时提出机械CAD技术今后应向智能化、集成化、綠色化方向发展。

[关    键   词]  CAD技术;机械;应用;三维;案例

[中图分类号]  F416.4                    [文献标志码]  A                      [文章编号]  2096-0603（2019）35-0280-04

一、引言

当前，在我国机械设计及制造领域，CAD（computer aided design）技术得到有效重视、应用，对传统设计模式、方法造成一定影响[1]。在机械制造中，CAD技术应用价值很强，能将机械制造质量有效提高，能方便进行装配、修改[2]。采用CAD技术，在机械制造过程中可对机械产品设计模式进行优化，使机械设计更先进，从而使机械制造质量得到提高[3]。目前使用CAD技术对机械构件进行设计的企业很多，CAD技术可确保机械制造一致性[4]。在机械制造设计阶段，通过CAD技术可准确描述机械产品实际规格，并实现描述连续性，在实际制造、生产过程中，能更好把握细节，对提升机械产品质量非常重要，因CAD技术自身技术优势，其在诸多行业中应用广泛[5]。作为现代化机械制造、机械设计新发展趋势，CAD技术在先进应用方式及现代化技术方面有一定的革新[6]。在机械制造及机械设计方面，应用CAD技术具有广阔发展空间。基于此，本文探究了机械CAD技术的应用，同时对其发展趋势进行分析。

二、CAD技术简介及发展

（一）CAD技术简介

CAD技术是通过CAD软件、计算机分析、计算并仿真“产品”设计的过程，优化产品结构性能，同时对其进行绘图，将设计者所具有的形象思维、创造性思维、综合判断与分析、经验知识同计算机检索信息能力及其强大记忆进行结合，高速精确计算大量信息，并对其进行处理，显著提高产品的质量和生产效率，降低生产成本[7]。CAD当中综合应用了多个学科，实现了绘图、设计、工程分析、建模等一体化进程[8]。CAD技术的广泛应用，可将产品设计周期缩短，从而可将产品设计质量及工作效率提高，将设计成本降低，提高企业技术创新能力及市场快速反应能力，对企业产品进入国际市场参与竞争有利[9]。CAD技术各项技能主要通过计算机各项操作及功能完成，应用功能包括计算功能、图像处理功能等。通过这些功能，可实现新产品设计研发，在很大程度上CAD技术促进设计工作的有效应用及创新[10]。

（二）CAD技术发展

现阶段，第四代CAD技术已经发展成熟，三维建模逐渐开始取代手工绘制二维工程图，其中包含多元化的先进设计理念，包含许多设计过程[11]。在CAD系统快速发展期，以EDS公司的UGNX系统及PTC公司的PRO/E为代表，在CAD系统中，出现了基于约束参数化及变量化方法及特征建模方法，二者相互融合共同发展，进一步加快了CAD系统的现代化发展进程。该系统统一了内部数据结构，可实现CAD/CAM信息集成，使CAD系统应用范围得到进一步的扩展。图1为使用CAD/CAM技术制作的凸轮模型。

现阶段所使用的是第四代CAD系统，在设计系统逐渐生成了一种多元化设计的思想和方法[12]。由于系统环境的复杂程度较高，CAD系统能够实现产品自动化设计理念，其中涉及多元化的技术理念，大大提高了设计周期和运行成本。在现代机械模具设计及制造中，CAD/CAE/CAM技术发挥着非常重要的作用，能够构建产品三维模型，在CAD/CAE软件的基础上设计机械模具，分析并优化处理模具结构，并在CAM软件的基础上生成并仿真磨具加工轨迹。图2为运用CAD/CAE/CAM技术制作的机壳三维图。

三、CAD技术的标准件库及零件号标注

（一）标准件库

在机械设计过程中使用CAD进行绘制，需要绘制大量的装配图和零件图。这些零件在视图中各具有相同形状，差别是各部分尺寸大小。如果在CAD绘制过程中按线逐条进行，此时需要严格确定结构尺寸，同时也会花费巨大的时间成本，运行效率非常低，因此，进行标准件库的建立是CAD系统非常重要的组成部分[13]。在现有机械工厂中，通过调查统计所有零件，发现其中标准件约占到约50%，典型变型零件约占40%。通常，在开发设计产品时，通常多采用典型变型零件及标准件，这样可将产品成本降低，并且能够获得高质量的零件产品，实现产品优质的性能和质量。

（二）零件号标注

一般来说，编辑零件号、标注零件号是构成零件号标注系统的主要内容，前者主要包括零件号的插入、修改、对齐、删除等，同时又可以分为无后效、有后效两组，后者能够对被操作标号进行改变，自动修改其余同类标号序列，前者不会影响其他标号过程。图3为零件号标注系统功能结构图。

四、CAD技术在产品设计中的应用

（一）二维工程图绘制和三维实体建模

现阶段，企业多将CAD技术应用在绘制二维工程图的过程中，也就是在计算机上完成绘图板的手工绘制工作。实际上，CAD系统就是“甩开图板”的一个过程，并电子图板进行替代，总的来说，工程图的绘制规范性和整洁性显然更高，同时提高了工作效率。但依旧没有打破产品设计的传统局限，在设计产品的过程中依旧是按照设计人员的主观经验开展的，没有发挥CAD技术的辅助设计功能。企业所使用的三维实体建模是CAD技术当中比较常见的一种方式，实际上也是二维绘制的应用类型，没有从根本上打破传统绘制的局限性。设计人员实际上就是对零件造型进行设计。建模可以得到产品物理特性，或三维模型进行模拟装配。而不是对产品所有属性进行全面、精确表达，因此也不能对产品性能进行全面分析。对信息集成化等较高层次CAD技术应用需进一步进行全面、精确表达，从而提高企业竞争力。

参考文献：

[1]田健平.机械CAD与机械制图的结合在机械制造中的应用[J].建筑工程技术与设计，2014（31）：1159.

[2]Lin X，Zhu K P，Wang Q G. “Anisotropic diffusion map based spectral embedding for 3D CAD model retrieval”，14th IEEE inter-national conference on industrial informatics，2016（19）.

[3]秦闯，刘战强，叶洪涛，等.基于UG二次开发技术的CAD/CAE/CAM软件集成方法研究[J].机床与液压，2015，43（9）：141-143.

[4]Xu C，Zhang S，Huang B，et al. NC process reuse oriented effective subpart retrieval approach of 3D CAD models[J].Computers in Industry，2017（90）：1-16.

[5]杜勇，辛舟，趙士杰，等.基于参数化的CAD/CAE摩擦焊机主轴箱多目标优化[J].组合机床与自动化加工技术，2014（5）：62-65.

[6]周围.面向机械结构形态的三维CAD模型信息处理[D].武汉：武汉纺织大学，2018.

[7]Kim H，Cha M，Mun D. Shape distribution-based retrieval of 3D CAD models at different levels of detail[J].Multimedia Tools & Applications，2017，76（14）：15867-15884.

[8]黄瑞，张树生，白晓亮.三维CAD模型检索驱动的快速数控编程方法[J].机械工程学报，2014，50（3）：191-198.

[9]巩伦庆.基于CAD与CAE技术的汽车造型设计研究及软件开发[D].西安：西安理工大学，2017.

[10]Liu Y J，Luo X，Joneja A，et al. User-adaptive sketch-based 3-D CAD model retrieval[J].IEEE Transactions on Automation Science and Engineering，2013，10（3）：783-795.

[11]Zhu K P，Lin X，Li K X，et al.Compressive sensing and sparse decomposition in precision machining process monitoring：from theory to applications[J].Mechatronics，2015（31）：3-15.

[12]王善涛，刘日良.基于UG的螺杆CAD/CAM系统研宄与开发[J].组合机床与自动化加工技术，2018（2）：119-124.

[13]何政军.基于实例的注塑模具CAD/CAE/CAM技术研究与应用[D].北京：华北电力大学，2014.

[14]郑兴睿.CAD/CAM在高精密复杂模具设计与制造中的应用[D].昆明：昆明理工大学，2013.

[15]王善涛.基于UG的螺杆CAD/CAM技术研究[D].济南：山东大学，2017.

[16]王波.基于CAD/CAM软件的模具设计与制造[J].机械制造与自动化，2015（2）：35-39.

[17]任天娟.基于CAD/CAE/CAM一体化技术的注塑模具设计制造研究[D].西安：长安大学，2016.

◎编辑 马燕萍