CAD在机械设计中实施及机械制造技术新发展刍议

2022-06-15梁秀娟嵇海旭

中国设备工程 2022年11期

梁秀娟，嵇海旭

（广东海洋大学机械与动力工程学院，广东湛江 524008）

在国内，机械设计中的机械制造技术已经成功引入CAD技术，结合CAD技术的集成化、智能化与敏捷化特征，就基本解决了机械企业生产过程中的重复性设计、信息资源利用率整体偏低等等问题，同时也通过技术水平提升有效缩短产品开发周期，满足经济效益与应用前景发展提升。

1 CAD在机械设计中实施及机械制造技术的集成化创新发展趋势

1.1 集成化创新技术发展概述

目前的计算机集成制造CIMS生产已经被认定为新世纪的核心生产方式，其中CIMS生产体系中就囊括了多个相互关联部分，结合系统组成主要划分为三大部分：

第一部分中就引入了CAD技术，它主要基于工程技术基础建立信息系统，其中也包括了计算机辅助工程分析CAE技术，另外还配搭数控程序编制NCP系统等等；第二部分是管理信息分系统MIS配合经营管理BM系统。这其中的财务管理系统FM与人事管理系统LM都发挥了重要价值作用；第三部分是制造自动化系统MAS系统，它其中融入了计算机数控单元CNC、加工中心MC以及柔性制造单元FMS，再配合工业机器人Robot就能够实现自动装配技术有效应用。

可以见得，上述三部分技术内容系统的构建充分体现了CAD在机械设计中实施及机械制造技术的集成化创新技术优势，结合计算机强大的图形处理能力与数值计算能力来辅助工工程产品设计与分析过程，达到理想目的效果。在创新成果技术过程中，主要基于CAD技术来保证产品设计效率飞速提升，同时结合CAM（Computer Aided Manufacturing）技术与产品数据管理技术PDM（Product Data Management）体现技术集成一体化优势，凸显CAD在机械设计中的机械制造技术创新发展与应用效能。

1.2 集成化创新技术发展要点

在集成化创新技术发展要点中，主要应用三维CAD技术在机械设计中凸显其技术优势。

具体来讲，就是将三维CAD系统软件与二维CAD在机械设计过程中作比较，体现巨大技术优势，大体上表现为以下4点。

（1）其零件设计趋于便捷化发展，在采用CAD三维技术系统过程中，主要结合配置环境设计零件应用，确保利用相邻零件位置形式来设计新零件，整个设计技术应用过程方便快捷，能有效规避单独设计零件可能导致的装配失败问题。而在结合资源查找零件造型过程中也可以设置3D动画演示体系，例如将三维坐标直接转换为二维坐标展示到屏幕上，确保模型展示生动化。这一转换环节主要包含了诸如视点转换、模型转换、投影转换、规范化转换等多个部分。转换后的模型可以正常显示在设备屏幕上，参考图1。

图1 三维模型转二维模型示意图

在模型转换过程中，需要针对对应位置进行矩阵变换计算，结合模型视点矩阵对模型视点进行变换，有效调整物体位置，实现模型物体的位置、姿态全面转换。在这一过程中，CAD技术希望在机械设计制造过程中发挥优势，例如将视觉对象裁剪开，显示立方体视觉景象，生成正视投影矩阵，保证投影生成图像伴随视点物体距离变化而发生变化，始终保持物体大小一致，如图2。

图2 CAD技术模型平行投影示意图

（2）结合上一点集成化设计，要确保装配零件逐渐朝直观化方向发展，设置资源查找器装配路径明确化，记录不同零部件之间的装配关系，确保装配正确。从这一点看来，装配零部件是可以隐藏的，它确保内部装配结构优化，体现整机装配模型实现运动演示优化，对于CAD技术模型的平行投影运动形成提出了一定技术要求。在有效规避产品生产之后的诸多问题同时，也希望有效满足检验技术要求，做好设计更改，提高机械指导技术应用效率与价值。

（3）它缩短了机械设计制造技术生产周期，因为这其中采用到了大量的CAD三维技术，在机械设计时间方面有所缩短（缩短至少1/3），这大幅度提高了机械制造技术的整体设计与生产效率。在这里还运用到了三维CAD系统开发设计技术内容，结合部分零部件重新设计与制造过程来调整信息技术应用，确保机械设计生产效率大幅度提高3～6倍左右。另外，就是采用了三维CAD系统，基于高度变形设计能力来快速重构设计模型，如此能过获得全新的机械产品。

（4）它提高了机械产品的整体技术含量与产品质量。这主要是因为机械产品与信息技术实现了相互融合，在三维CAD技术应用过程中优化设计方法，保证有限元受力分析到位，同时体现产品虚拟设计水平，保证产品设计质量有所提高。在这一过程中就采用到了大型数控加工技术手段，配合CAD、CAM等等展开机械零件加工过程，体现出了较好的技术统一性，在优化产品质量方面也表现突出。

2 CAD在机械设计中实施及机械制造技术的智能化创新发展趋势

2.1 智能化创新技术发展概述

在CAD机械设计制造的智能化创新技术发展领域中，它主要围绕智能机械与人类专家组成的人机一体化智能系统展开分析，保证系统做到技术分析、推理、判断、构思与决策到位，满足智能系统设计要求，体现其极强的“软”特性。在采用模块化技术方法过程中，则主要希望围绕智能制造技术安全性与友好性展开分析，提高系统应用效能，特别强调技术安全性与环境优化，为资源回收、再利用创造更多可能性。

2.2 智能化创新技术发展要点

在CAD机械制造技术智能化创新中，主要利用CAD技术创建了透明模型，主要对光线照射折射与反射问题进行分析，形成透射光，研究光的衰减作用，这一点在机械制造技术应用方面起到一定作用。比如说创建多光源的简单局部系统光照模型，在自然情况下对光源同时照射、实际光照效果进行分析，保证N个光源照射机械制造系统过程中再形成N个点光源叠加结果，同时考虑光的衰减作用，形成机械制造系统的光照模型。

另外，在CAD机械制造自动智能化技术领域中，主要要将CAD技术与科学信息技术有机融合起来，更好加入技术应用保证先进科学信息技术有效应用，这其中就包括了专家系统以及智能化管理技术系统。这些技术在改善并提高技术智能化应用方面效果突出，最大限度减轻了工作人员的整体工作量与工作压力。比如说，目前的CAD机械制造自动智能化技术就能够被应用于PDM和CAM等新技术维护体系中，它充分依赖于互联网的技术完成PDM、CAM新技术维护体系操作，这一技术结合体也将成为未来人类学习和研究的一个重点。而伴随世界经济进步和发展形势，CAD集成技术应用程度越高，就越有可能受到国家和企业的欢迎。同时3DAX技术可以帮助解决异构平台的问题，压缩繁复的几何数据，让多层图像表现的功能得到体现，3DMAX在CAD的基础建设上进行更高技术规格的转换，能够在保存CAD设计产品中的各种各样的信息，同时标准的VRML编程软件可以完成三维图像的资源共享，为集成化的合作打下了坚实的技术基础。

3 CAD在机械设计中实施及机械制造技术的敏捷化创新发展趋势

3.1 敏捷化创新技术发展概述

在CAD机械设计生产过程中，主要结合机械制造技术的敏捷化内容展开设计优化，确保技术应用到位，体现CAD在机械设计中实时以及机械制造技术的创新发展趋势。具体来讲，敏捷化创新技术就是以虚拟制造技术作为基础的，它在现代集成制造系统中发挥了重要价值作用，在系统技术应用过程中需要优化相关发展水平，结合现代集成化制造系统展开技术操作，确保虚拟化技术应用到位。

3.2 敏捷化创新技术发展要点

在节能、降耗并缩短产品开发周期过程中，需要快速采用各种技术内容，保证建立敏捷化创新技术并行工程体系，将大量虚拟制造、智能制造、网络制造技术内容融入到体系中，保证敏捷化创新技术能够被合理融入到CAD机械设计与制造生产技术体系中。

比如说在数控高速切削机械加工技术中就可以应用CAD技术，充分体现其敏捷化、虚拟化技术优势。具体来讲，数控高速切削加工技术先进、复杂且系统性较强，相比于传统切削技术，它对机床、刀柄、刀具、控制系统、CAD/CAM软件等多项指标的要求更高，以下谈谈它在各种机械制造过程中的关键技术应用。在铣削加工机床中的技术应用中，数控高速切削加工技术主要配合微电子技术、CNC技术、新材料结构基础技术展开，在铣削加工机床中的技术应用相当广泛，具体来讲包括以下三方面：第一，对机床系统的刚性要求较高，在铣削机床加工制造过程中，需要提供配合高速供给驱动器来实现数控高速切削加工技术的发挥最大化。它要求驱动器的快进速度要在40m/min，3D轮廓加工速度也要在10m/min左右，同时还要为铣削系统提供0.4m/s的加速度和0.3m/s的减速度。第二，对刀柄和主轴的刚性要求较高，一般要求系统转速要达到10000～50000r/min，主要基于主轴来压缩空气，冷却系统，以控制刀柄与主轴二者之间的轴向间隙在0.00762mm以内。第三，对加工工艺的可靠性要求较高，优质的工艺模型对切削条件及刀具寿命之间关系的融合非常关键。能够有效提升机床的利用效率，确保即使在无人操作状态下数控高速切削加工技术也依然具有较高的安全可靠性。

结合上述3点可以了解到，某些汽车覆盖件模具加工一般所涉及尺寸偏大，且由于它是3D型面所以相对结构复杂，要求加工精度较高，切削量也较大，因此可以采用数控高速切削加工技术，充分体现CAD技术的敏捷化与虚拟化特征。以汽车发动机前罩翻边模具为例，它的工件材料为CH-1，工件硬度为HB330，外形尺寸为2000mm×1400mm×400mm。要采用涂层硬质合金刀具材料对其进行高速切削加工，并配合CAD技术提高生产效率与生产质量。